塔式起重機(jī)吊點(diǎn)定位控制技術(shù)研究*

黃 冀，梁杰金，嚴(yán) 波，陳春潮，周 立

(廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧 530219)

0 引 言

近年來，塔式起重機(jī)的定位技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)，但不同的研究方法也存在一些問題[1-3]。NARA與MIYAMOTO[4-5]采用激光測(cè)距來對(duì)起重機(jī)位置進(jìn)行定位，但無法準(zhǔn)確確定起重機(jī)工作吊鉤位置；OMAR[6]設(shè)計(jì)了全狀態(tài)反饋控制器，控制小車的定位和起重臂的回轉(zhuǎn)，但系統(tǒng)的魯棒性較差；CHATTERJEE S[7]將速度反饋應(yīng)用到起重機(jī)的回轉(zhuǎn)和變幅運(yùn)行中，但執(zhí)行響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)；冷建偉[8]應(yīng)用激光測(cè)距和條碼對(duì)起重機(jī)進(jìn)行追蹤定位，但系統(tǒng)未考慮吊鉤上下運(yùn)動(dòng)位置。

針對(duì)目前塔式起重機(jī)工作特點(diǎn)和技術(shù)缺陷以及國內(nèi)外對(duì)定位技術(shù)研究所存在的問題，本文將研制一套定點(diǎn)吊自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 多圈編碼器測(cè)量幅度和高度技術(shù)

編碼器采用絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)光電編碼器，抗干擾能力強(qiáng)，可以在任何時(shí)刻感知當(dāng)前的絕對(duì)角位置[9]。多圈絕對(duì)值編碼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多圈絕對(duì)值編碼器組成

該編碼器由多個(gè)光電碼盤按鐘表齒輪機(jī)械傳動(dòng)原理組合工作，中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過齒輪帶動(dòng)另外幾組碼盤旋轉(zhuǎn)，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中心碼盤的圈數(shù)編碼。圖示的中心碼盤上有5圈碼道，碼道不同位置的亮暗位置分別代表二進(jìn)制中的1和0，從光源發(fā)出的光線透過碼盤上的亮處，然后穿過光柵板被光敏元件接收，獲得一個(gè)5位的二進(jìn)制碼，且每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，多圈絕對(duì)值編碼器把多個(gè)碼盤上獲得的二進(jìn)制碼按照設(shè)定的次序組合在一起，即可以獲得一個(gè)多位的二進(jìn)制編碼(格雷碼)。

多圈絕對(duì)值編碼器通過聯(lián)軸器分別與起重機(jī)變幅和起升卷筒連接。

塔式起重機(jī)進(jìn)行變幅或者起升作業(yè)時(shí)，卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與塔式起重機(jī)水平幅度或吊鉤高度存在線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，電機(jī)驅(qū)動(dòng)變幅或起升卷筒旋轉(zhuǎn)，卷筒轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)編碼器作同軸同步旋轉(zhuǎn)。多圈絕對(duì)值編碼器能夠識(shí)別2的24次方組不同的二進(jìn)制碼[10]，因此不同幅度位置在編碼器中都有一個(gè)唯一的二進(jìn)制編碼與其對(duì)應(yīng)，因此通過從編碼器獲得的二進(jìn)制碼可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塔式起重機(jī)幅度。連接起升卷筒的編碼器則可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吊鉤高度。

2 電子羅盤測(cè)量水平絕對(duì)角技術(shù)

定點(diǎn)吊自動(dòng)控制系統(tǒng)采用基于磁阻效應(yīng)傳感器的平面電子羅盤測(cè)量起重臂的旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)。磁阻式傳感器是根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)制作而成的測(cè)量用傳感器[11]。其磁阻效應(yīng)原理如圖2所示。

圖2 磁阻效應(yīng)原理

圖2中，在平行于合金平面但垂直于電流方向施加一外磁場(chǎng)E的作用下，合金薄膜平行于電流流向的內(nèi)磁場(chǎng)E1旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度A，進(jìn)而使得合金的電阻R發(fā)生變化，其函數(shù)關(guān)系為：

R=R0+ΔR0cos2θ

(1)

式中：R0—合金薄膜在未施加外磁場(chǎng)時(shí)具有的電阻值；ΔR0—合金薄膜材料的阻值絕對(duì)變化量；θ—合金薄膜內(nèi)磁場(chǎng)與電流夾角。

由此可見：電阻與磁場(chǎng)間是非線性關(guān)系，磁阻效應(yīng)是一個(gè)角度效應(yīng)，非常適合于角度參數(shù)的測(cè)量。

磁阻效應(yīng)傳感器是由4個(gè)連接成惠期通電橋的合金電阻組成[12]。在被測(cè)磁場(chǎng)作用下，電橋中位于相對(duì)位置的兩個(gè)電阻阻值增大，另外兩個(gè)電阻的阻值減小。在其線性范圍內(nèi)，電橋的輸出電壓與被測(cè)磁場(chǎng)成正比。塔式起重機(jī)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，起重臂與地球磁場(chǎng)之間形成一個(gè)變化的夾角，通過測(cè)量磁阻效應(yīng)傳感器的輸出量，進(jìn)而確定塔式起重機(jī)起重臂的水平絕對(duì)角度。

本研究安裝了電子羅盤的塔式起重機(jī)，起重臂回轉(zhuǎn)至與地球磁場(chǎng)形成夾角，電子羅盤內(nèi)的信號(hào)處理系統(tǒng)根據(jù)此時(shí)磁阻效應(yīng)傳感器輸出的模擬量，經(jīng)過信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，得出的數(shù)據(jù)與地球磁場(chǎng)的數(shù)據(jù)修正值進(jìn)行對(duì)比，最終確定起重臂的水平絕對(duì)角度。

電子羅盤安裝在塔式起重機(jī)的平衡臂上的專用非鐵磁性平臺(tái)支架上，其測(cè)量平面與水平面盡可能保持平行，存在一定傾角的情況下不影響測(cè)量結(jié)果。平臺(tái)設(shè)置的目的是避免電子羅盤受到塔機(jī)上易磁化材料的微弱磁場(chǎng)干擾[13]。

3 塔式起重機(jī)吊點(diǎn)定位控制技術(shù)

基于電子羅盤和多圈絕對(duì)值編碼器的起重機(jī)定點(diǎn)吊控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集傳感器、中央處理器、人機(jī)操作界面組成，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

定點(diǎn)吊控制系統(tǒng)采用高度、幅度、角度傳感器測(cè)量起重機(jī)吊鉤坐標(biāo)位置，用戶可以將吊鉤任意位置設(shè)置為定點(diǎn)，并通過系統(tǒng)將定點(diǎn)存儲(chǔ)到MCU(微控器)。在用戶指定要去的吊點(diǎn)后，MCU調(diào)出該吊點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)并與運(yùn)行的吊鉤位置實(shí)時(shí)進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)蹉^坐標(biāo)接近吊點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，定點(diǎn)吊系統(tǒng)控制減速繼電器實(shí)現(xiàn)運(yùn)行減速，吊鉤達(dá)到吊點(diǎn)后停止起重機(jī)動(dòng)作。塔式起重機(jī)定點(diǎn)吊控制系統(tǒng)的整體安裝布局方案如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)安裝示意圖

在塔式起重機(jī)作回轉(zhuǎn)、起升、變幅過程中，分別由電子羅盤、兩個(gè)多圈絕對(duì)值編碼器采集塔式起重機(jī)起重臂的水平角度、吊鉤垂直高度、小車水平幅度的數(shù)據(jù)，并通過MCU中央信號(hào)處理器進(jìn)行解包和效驗(yàn)，建立當(dāng)前吊鉤的三維空間位置，同時(shí)將三維空間位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在操作界面上。系統(tǒng)工作時(shí)，司機(jī)操作吊鉤至指定位置，按下定點(diǎn)按鍵取得定點(diǎn)位置坐標(biāo)，MCU中央信號(hào)處理器自動(dòng)將定點(diǎn)位置坐標(biāo)存儲(chǔ)并將定點(diǎn)顯示操作界面上，當(dāng)需要將重物吊運(yùn)至指定位置時(shí)，司機(jī)通過操作界面按鈕選擇定點(diǎn)位置，MCU中央信號(hào)處理器調(diào)出該點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)，并顯示在操作界面上，同時(shí)MCU通過自適應(yīng)算法和模糊神經(jīng)算法將定點(diǎn)坐標(biāo)與當(dāng)前吊鉤坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出最佳定點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，并以動(dòng)態(tài)的進(jìn)度條圖型的形式顯示定點(diǎn)與吊鉤的距離。塔式起重機(jī)運(yùn)行時(shí)，幅度、高度、角度的數(shù)值和進(jìn)度條連續(xù)變化顯示吊鉤的實(shí)時(shí)位置；同時(shí)采用人工智能技術(shù)的聲光輔助定位電路(即人機(jī)交互聲光電路)，即以聲光方式提醒司機(jī)當(dāng)前位置坐標(biāo)與定點(diǎn)位置的距離。吊鉤當(dāng)前的幅度值、高度值、角度值3項(xiàng)中任意一個(gè)接近定點(diǎn)的坐標(biāo)值時(shí)，定點(diǎn)吊控制系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)相應(yīng)的控制繼電器發(fā)出減速指令，控制變幅，起升或回轉(zhuǎn)的電機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)減速；到達(dá)定點(diǎn)坐標(biāo)位置后，系統(tǒng)發(fā)出停止指令，通過繼電器控制相應(yīng)電機(jī)斷電、制動(dòng)器制動(dòng)。

4 吊點(diǎn)定位控制技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

通過安裝電子羅盤和多圈絕對(duì)編碼器的吊點(diǎn)定位控制系統(tǒng)塔式起重機(jī)與傳統(tǒng)塔式起重機(jī)的使用對(duì)比，安裝該吊點(diǎn)定位控制系統(tǒng)的塔式起重機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)幅度、高度采用多圈絕對(duì)編碼器測(cè)量，測(cè)量精度高、重復(fù)性好，在實(shí)際應(yīng)用中能夠達(dá)到較高的定位精度：幅度誤差≤0.2 m、高度誤差≤0.4 m、回轉(zhuǎn)平均誤差0.5°(經(jīng)過3-5次自學(xué)習(xí)后)；

(2)回轉(zhuǎn)角度采用電子羅盤測(cè)量，準(zhǔn)確可靠，無需調(diào)試；

(3)采用預(yù)減速控制方式，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、變頻器等設(shè)備沖擊小且定點(diǎn)位置準(zhǔn)確；

(4)回轉(zhuǎn)定點(diǎn)停車采用自適應(yīng)算法，對(duì)不同塔機(jī)的適應(yīng)性好；

(5)人機(jī)交互界面友好，采用高清晰液晶屏實(shí)時(shí)顯示高度、幅度和角度參數(shù)；

(6)采用不同聲音提示與目標(biāo)點(diǎn)距離便于司機(jī)了解塔機(jī)定點(diǎn)狀態(tài)。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證定點(diǎn)吊控制系統(tǒng)的可靠性、重復(fù)性及定位精度，本研究對(duì)定點(diǎn)吊控制系統(tǒng)人為設(shè)定2個(gè)定點(diǎn)空間坐標(biāo)，使塔式起重機(jī)吊鉤在兩定點(diǎn)之間相互移動(dòng)，并通過人為現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)量?jī)啥c(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

為便于實(shí)驗(yàn)操作及測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)應(yīng)用全站儀測(cè)試數(shù)據(jù)，并將全站儀設(shè)置在塔式起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心軸上，使全站儀測(cè)試讀取數(shù)據(jù)即為吊鉤實(shí)際位置坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)前司機(jī)操作塔式起重機(jī)使吊鉤移動(dòng)到兩坐標(biāo)為A(20，20，90°)，B(10，10，45.5°)處，并將A、B兩點(diǎn)在系統(tǒng)中設(shè)置為兩定點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)操作過程中首先使塔式起重機(jī)吊鉤位于A點(diǎn)，并測(cè)量A點(diǎn)的幅度與高度；測(cè)試記錄完成后使吊鉤從A點(diǎn)自動(dòng)運(yùn)行到B點(diǎn)，測(cè)試B點(diǎn)幅度、高度及A點(diǎn)到B點(diǎn)的水平角度；其中A點(diǎn)運(yùn)行到B點(diǎn)過程中的顯示界面如圖5所示。

圖5 A點(diǎn)運(yùn)行到B點(diǎn)過程中顯示界面

B點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)試記錄完成后使吊鉤從B點(diǎn)自動(dòng)運(yùn)行到A點(diǎn)，測(cè)試A點(diǎn)幅度、高度及B點(diǎn)到A點(diǎn)的水平角度，如何循環(huán)10次并測(cè)試數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證流程圖如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證流程圖

本研究通過定點(diǎn)吊控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩定點(diǎn)幅度、高度及角度(為便于測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，應(yīng)用全站儀測(cè)試角度的分與秒全部換算為度)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

可以發(fā)現(xiàn):定點(diǎn)A幅度、高度及角度在系統(tǒng)自學(xué)習(xí)5次后達(dá)到定位精度，定點(diǎn)B幅度、高度及角度在自學(xué)習(xí)4次后達(dá)到定位精度，并且隨著系統(tǒng)自學(xué)習(xí)次數(shù)越多，系統(tǒng)的定位精度越高，同時(shí)驗(yàn)證了系統(tǒng)具有高的準(zhǔn)確性、可靠性及好的重復(fù)性。

6 結(jié)束語

本研究研究了塔式起重機(jī)應(yīng)用多圈絕對(duì)編碼器測(cè)量幅度及高度技術(shù)、電子羅盤測(cè)量水平絕對(duì)角技術(shù)，以及通過自適應(yīng)算法和神經(jīng)模糊算法建立的吊點(diǎn)定位控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了吊點(diǎn)控制系統(tǒng)的定位精度、可靠性及重復(fù)性，并且該系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)功能，隨著測(cè)試次數(shù)的增加，定位精度會(huì)逐步提高；系統(tǒng)可根據(jù)定點(diǎn)的使用頻率，將使用頻率高的定點(diǎn)優(yōu)先置于顯示屏前供操作人員選擇使用。