基于多鋼纜并聯(lián)機構(gòu)的擦窗機吊船系統(tǒng)設(shè)計

張碩 孫佳 張珂

摘 要：擦窗機是在懸吊式裝飾、裝修機械基礎(chǔ)上發(fā)展起來，是一種操作靈活、方便，作業(yè)安全、高效、環(huán)保的高空清洗作業(yè)設(shè)備，針對接近作業(yè)困難，提出將多條鋼絲繩欠約束并聯(lián)技術(shù)應(yīng)用于懸吊式擦窗機作業(yè)吊船機構(gòu)提升中，解決復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)接近作業(yè)難題，在分析鋼絲繩牽引鏈技術(shù)上，研究吊船在作業(yè)過程中的反向運動學，考慮鋼纜牽引作用下的作業(yè)空間優(yōu)化，設(shè)計開發(fā)擦窗機吊船作業(yè)機構(gòu)并投入實際工程。

關(guān)鍵詞：多鋼纜并聯(lián)機構(gòu) 擦窗機 吊船系統(tǒng)

中圖分類號：U463.836 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0125-02

隨著現(xiàn)代化城市建設(shè)速度的提升，越來越多高層、超高層建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，各種新材料廣泛地使用在高層建筑的外墻裝飾中。清洗高層建筑物的外墻是一項危險、繁重的工作。

目前由于實際工程的需要，個別項目中出現(xiàn)采用多鋼纜提升作業(yè)平臺的作業(yè)方式，但這種方式中主要采用多牽引點逐一調(diào)節(jié)控制，進而使作業(yè)平臺工作過程中很難保持水平，提升牽引點經(jīng)常處于受力不均形成欠約束狀態(tài)導(dǎo)致作業(yè)設(shè)備發(fā)生危險。針對多鋼纜擦窗機的吊船機構(gòu)存在欠約束等理論問題，本文對多鋼纜并聯(lián)技術(shù)在擦窗機設(shè)備應(yīng)用適應(yīng)性進行研究并基于并聯(lián)控制理論提出一種綜合的控制方法。

1 擦窗機主要技術(shù)特點

關(guān)于擦窗機設(shè)計過程中需要考慮的主要技術(shù)參數(shù)有：

（1）額定載重量是用來表示擦窗機吊船允許承受的最大有效重量。

（2）吊船相對臺車的水平移動變幅速度以及吊船相對于臺車底盤回轉(zhuǎn)的線速度，這兩個速度是為吊船適應(yīng)建筑物而對吊船作業(yè)位置進行調(diào)整的速度。

（3）擦窗機工作高度或者稱為作業(yè)高度是指擦窗機吊船作業(yè)的最高點與最低點的垂直距離。

2 多鋼纜欠約束并聯(lián)技術(shù)的設(shè)計

2.1 柔索并聯(lián)牽引機構(gòu)

從奇異約束機構(gòu)考慮，柔索并聯(lián)牽引機構(gòu)常常由欠約束、全部約束和過度約束等多種類型；但大部分牽引過程的并聯(lián)機構(gòu)均處于欠約束狀態(tài)，這也是提升過程特點，眾多研究學者在并聯(lián)柔索機構(gòu)研究中重點研究實際應(yīng)用中約束方式，通過加入約束機構(gòu)對并聯(lián)柔性鋼纜的運動狀態(tài)進行分析、運動模型進行構(gòu)建，給出可行的并聯(lián)柔性鋼纜牽引機構(gòu)。研究過程中可以利用約束機構(gòu)串并聯(lián)等效的特性，建立了具有約束并聯(lián)柔索機構(gòu)運動學正解的通用迭代方法。并分析了特殊設(shè)計的并聯(lián)柔索機構(gòu)的運動學正解的解析方法，并對幾種并聯(lián)柔索機構(gòu)的運動學正、逆解進行分析。歸納了具有約束并聯(lián)柔索機構(gòu)的運動學、靜力學建模方法；將并聯(lián)柔索機構(gòu)靜力平衡的矢量閉合條件推廣以適用有約束情況。給出具有約束并聯(lián)柔索機構(gòu)工作空間的定義；分析了兩種并聯(lián)柔索機構(gòu)的工作空間；分析了有約束并聯(lián)柔索機構(gòu)的力平衡的條件；給出判別方法；指出約束機構(gòu)在回避奇異位形中的應(yīng)用。

2.2 柔索并聯(lián)方程的建立

研究中i根鋼索確定終端平臺位置之間幾何距離ρi的計算分析過程如下，若作業(yè)平臺在笛卡爾坐標系中的瞬態(tài)坐標位置為（x，y，z），則平臺位置間幾何距離ρi的另一種表達式為：

公式（1）中，（Xi，Yi，Zi）為平臺距離不同鋼索另一端懸掛點在笛卡爾坐標系中的瞬態(tài)坐標點；以（x0，y0，z0）為計算中心用泰勒展開方式對公式（1）進行標準化處理，獲得簡單項：

式中，為計算得到i根鋼纜距離平臺的理論距離，則，（δx，δy，δz）以及鋼纜伸縮系數(shù)δt為未知數(shù)。當鋼索牽引作用力超過4根受力約束作用時，可根據(jù)式（4）列出如下方程組：

最后求得的（x0，y0，z0）值即為最優(yōu)解。

3 基于并聯(lián)擦窗機吊船平臺卡爾曼濾波模型的建立

為減小氣壓和GPS單獨測量高度過程中產(chǎn)生的誤差，發(fā)揮兩種測量方法的優(yōu)點，提高高度數(shù)據(jù)測量精度，提出氣壓輔助GPS高度測量、氣壓和GPS數(shù)據(jù)融合處理兩種組合測高方法。經(jīng)主要指標和特點對比，確定氣壓和GPS測高數(shù)據(jù)融合方法為研究主要內(nèi)容；通過對不同數(shù)據(jù)融合技術(shù)進行對比分析，選用卡爾曼濾波技術(shù)作為數(shù)據(jù)融合方法。考慮實際施工環(huán)境及作業(yè)條件對測量精度的要求，建立了適用于高處作業(yè)平臺施工高度測量數(shù)據(jù)融合模型，并對模型進行了驗證性研究。高處作業(yè)平臺施工過程動力學方程的建立，由于氣壓/GPS組合測高系統(tǒng)與高處作業(yè)平臺固聯(lián)，因此可以將高處作業(yè)平臺和氣壓/GPS組合測高系統(tǒng)看作一個整體來進行平臺施工過程中動力學方程的建立。用一個線性離散系統(tǒng)來描述高處作業(yè)平臺施工過程，以高處作業(yè)平臺在k時刻的實際施工高度以及氣壓/GPS高度測量數(shù)據(jù)的最大相對誤差作為系統(tǒng)當前的狀態(tài)變量X，則X的參數(shù)定義如下：

式（6）中，x為高處作業(yè)平臺豎直方向的高度，單位取m；為GPS高度測量數(shù)據(jù)的最大相對誤差；為氣壓高度測量數(shù)據(jù)的最大相對誤差，最大相對誤差可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算得到。

計算中采用離散方式描述系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的變化過程，由于氣壓/GPS組合測高系統(tǒng)沒有控制增益，因此為0，得到k時刻該線性離散系統(tǒng)動力學方程如下：

4 結(jié)語

按照卡爾曼濾波模型的建立方法構(gòu)建誤差修正模型。將卡爾曼濾波模型優(yōu)化后的高度值與實際高度值進行比較，對卡爾曼融合前后高度測量數(shù)據(jù)相對誤差進行分析，通過改進卡爾曼濾波模型，提高高度測量數(shù)據(jù)的融合精度，減小測量的相對誤差，提高對實際使用的適應(yīng)性。

參考文獻

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