全功能小車自動(dòng)化軌道吊吊具精確定位研究

上海國(guó)際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

碼頭堆場(chǎng)上廣泛使用的自動(dòng)化軌道吊， 通常采用機(jī)械八繩防搖系統(tǒng)，由于鋼絲繩纏繞方式原因，存在主起升鋼絲繩使用壽命較短等問題。采用全功能小車設(shè)計(jì)的自動(dòng)化軌道吊，主起升鋼絲繩纏繞方式為傳統(tǒng)四繩方式，使用壽命大為提高，但沒有防搖功能。為了實(shí)現(xiàn)吊具主動(dòng)防搖的功能，在吊具上添加輔助鋼絲繩，通過4個(gè)輔助電機(jī)對(duì)鋼絲繩的牽引限制吊具擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防搖的功能；同時(shí)，控制4個(gè)輔助電機(jī)的運(yùn)行方向和繩長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)吊具姿態(tài)的控制。

2 改造方案

在小車上布置4個(gè)防搖輔助電機(jī)和減速機(jī)(采用三合一電機(jī))、4個(gè)防搖鋼絲繩卷筒、4個(gè)絕對(duì)值編碼器與重量傳感器、4個(gè)變頻器和相應(yīng)的 PLC可編程邏輯控制器、Profibus(process field bus，過程現(xiàn)場(chǎng)總線)系統(tǒng)等。采用變頻電機(jī)，配置增量式編碼器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)矢量控制。4 根防搖鋼絲繩在空間布置上是等長(zhǎng)度并且互不交叉干涉的，一端分別固定在吊具的 4 個(gè)角上，另一端分別通過導(dǎo)向滑輪纏繞在 4 個(gè)防搖卷筒上[1](見圖1)。

圖1 全功能小車ARMG框圖

控制部分采用主流的PLC 控制系統(tǒng)和變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、Profibus 總線通信，具體如下：

(1)控制系統(tǒng)選用GE RX3I系列品牌PLC，用于自動(dòng)化流程及單機(jī)自動(dòng)化控制。

(2)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用高性能矢量控制變頻器，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)矢量控制模式(速度或力矩均能精確控制)。

(3)傳動(dòng)系統(tǒng)選用變頻電機(jī)減速機(jī)制動(dòng)器三合一總成，選用合適的減速比，電機(jī)側(cè)配置增量式編碼器，通過計(jì)算實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度、位置的精確反饋[2]。

(4)在起升卷筒低速側(cè)配置多圈絕對(duì)值編碼器，實(shí)現(xiàn)2個(gè)起升卷筒的同步控制，反饋吊具位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)輔助鋼絲繩的相關(guān)控制。

(5)起升機(jī)構(gòu)配置載荷計(jì)量裝置，將載荷信息輸送給 PLC 進(jìn)行運(yùn)算和控制。

3 微動(dòng)控制計(jì)算分析

3.1 吊具的左右調(diào)節(jié)

如圖2所示，吊具左右調(diào)節(jié)時(shí)，1號(hào)電機(jī)與4號(hào)電機(jī)為一組，2號(hào)電機(jī)與3號(hào)電機(jī)為一組。輔助電機(jī)在調(diào)整過程中處于位置控制模式。根據(jù)懸吊高度和所需偏移量設(shè)定輔助鋼絲繩的伸縮量，當(dāng)?shù)踔叵蜃笃茣r(shí)，1、4號(hào)輔助電機(jī)鋼絲繩收縮，2、3號(hào)輔助電機(jī)鋼絲繩伸長(zhǎng)，反之同理。定義輔助鋼絲繩伸長(zhǎng)為正，縮短為負(fù)。

圖2 全功能小車示意圖

全功能小車幾何關(guān)系示意圖如圖3所示，假設(shè)吊重懸吊高度始終保持不變，1-4號(hào)電機(jī)輔助繩原長(zhǎng)度為lor。當(dāng)?shù)踔叵蛴移茣r(shí)，根據(jù)幾何關(guān)系可得：

圖3 全功能小車幾何關(guān)系示意圖

當(dāng)?shù)踔叵蛴移苚fstr時(shí)，1、4號(hào)電機(jī)輔助繩長(zhǎng)度為l14，2、3號(hào)電機(jī)輔助繩長(zhǎng)度為l23，那么：

l14=

l23=

繩長(zhǎng)的變化量Δl14、Δl23為：

Δl14=l14-lor

Δl23=l23-lor

假設(shè)輔助電機(jī)減速器減速比為i，卷筒直徑為dr，滑輪倍率為n，那么電機(jī)角度輸出為：

當(dāng)?shù)蹙呦蜃笃茣r(shí)，將設(shè)置為負(fù)即可，表達(dá)式依舊不變，但此時(shí)1、4輔助鋼絲繩處于縮回狀態(tài)，2、3助鋼絲繩處于伸長(zhǎng)狀態(tài)。輔助電機(jī)處于位置控制模式。吊具的前后調(diào)節(jié)的計(jì)算方法和左右調(diào)節(jié)計(jì)算方法一致。

3.2 吊具的水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)

如圖4所示，吊具水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)時(shí)，1號(hào)電機(jī)與3號(hào)電機(jī)為一組，2號(hào)電機(jī)與4號(hào)電機(jī)為一組。輔助電機(jī)在調(diào)整過程中處于位置控制模式。根據(jù)懸吊高度和所需偏移量設(shè)定輔助鋼絲繩的伸縮量，當(dāng)?shù)踔仨槙r(shí)針回轉(zhuǎn)時(shí)，2、4號(hào)輔助電機(jī)鋼絲繩收縮，1、3號(hào)輔助電機(jī)鋼絲繩伸長(zhǎng)，反之同理。

圖4 全功能小車示意

全功能小車回轉(zhuǎn)示意見圖5，假設(shè)吊重懸吊高度始終保持不變，當(dāng)?shù)踔仨槙r(shí)針回轉(zhuǎn)γ時(shí)，1、3號(hào)電機(jī)輔助繩長(zhǎng)度為l13，2、4號(hào)電機(jī)輔助繩長(zhǎng)度為l24，根據(jù)坐標(biāo)回轉(zhuǎn)公式及鋼絲繩空間關(guān)系可知：

圖5 全功能小車回轉(zhuǎn)示意圖

l13=

l24=

Δl13=l13-lor

Δl24=l24-lor

經(jīng)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)2、4號(hào)電機(jī)輔助繩長(zhǎng)度縮短，1、3號(hào)電機(jī)輔助繩長(zhǎng)度伸長(zhǎng)；同理，當(dāng)?shù)蹙吣鏁r(shí)針回轉(zhuǎn)時(shí)，將γ設(shè)置為負(fù)即可，表達(dá)式依舊不變，但此時(shí)2、4號(hào)輔助鋼絲繩處于伸出狀態(tài)，1、3號(hào)輔助鋼絲繩處于縮回狀態(tài)。輔助電機(jī)依舊處于位置控制模式。

假設(shè)輔助電機(jī)減速器減速比為i，卷筒直徑為dr，滑輪倍率為n，那么電機(jī)角度輸出為：

4 測(cè)試及微調(diào)公式擬合修正

在實(shí)際調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)影響電機(jī)調(diào)節(jié)量的因素有集裝箱離地高度、載荷大小、微動(dòng)量大小等，尤其是由于鋼絲繩的彈性形變，載荷大小造成了很大的誤差，為達(dá)到更好的控制效果，需要根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)上述微調(diào)公式進(jìn)行修正。吊具左右微動(dòng)的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表4 吊具左右微動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)在MATLAB進(jìn)行擬合，引入負(fù)載系數(shù)D0，代表載荷大小，修正公式為：

式中，D0為載荷大小，t。

繩長(zhǎng)的變化量Δl14、Δl23為：

對(duì)于吊具前后調(diào)節(jié)工況和回轉(zhuǎn)工況，同樣引入負(fù)載大小這個(gè)系數(shù)，修正方法一致。在PLC程序中根據(jù)以上公式的修正，進(jìn)行程序修改和調(diào)試。自動(dòng)化軌道吊對(duì)吊具的精確定位要求很高，通常堆箱精度要求為：集裝箱層與層之間在不同的方向不超過±30 mm的誤差。由于激光器的反饋本身有誤差，執(zhí)行機(jī)構(gòu)(大車、小車運(yùn)行主機(jī)構(gòu))的定位通常也有±10 mm的誤差，所以對(duì)于輔助繩控制下的吊具微動(dòng)提出了更高的要求，需要保證在±10 mm的誤差以內(nèi)。在程序修正以后，吊具微動(dòng)控制的位置精度可達(dá)到此要求。

5 結(jié)語

全功能小車自動(dòng)化軌道吊吊具精確定位的方法，是通過對(duì)4根輔助鋼絲繩的位置控制，實(shí)現(xiàn)吊具在前后左右移動(dòng)，左右回轉(zhuǎn)的精確定位。該方法已應(yīng)用于洋山碼頭一臺(tái)最大起升重量40 t型的自動(dòng)化軌道吊上，較好地實(shí)現(xiàn)了吊具精確定位，驗(yàn)證了該方法在工程中的適用性。