基于激光測(cè)距的新型倉(cāng)庫(kù)吊繩拉力輔助裝置

文/付玉婷 王冬偉 王彥文 馬磊 曹詩(shī)龍

超特高壓換流站的備品備件種類繁多，很多大件的備品備件需要使用吊裝設(shè)備進(jìn)行搬運(yùn)。但現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)的倉(cāng)庫(kù)吊裝設(shè)備水平較世界的頂尖水平還存在一些差距，特別是在吊裝作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)防范和預(yù)控方面還存在許多的欠缺和不足。為了解決這一問(wèn)題，本文將介紹一種基于激光測(cè)距的新型倉(cāng)庫(kù)吊繩拉力輔助監(jiān)測(cè)裝置，利用高精度的傳感器模塊對(duì)吊繩在吊裝過(guò)程中的受力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)吊裝物件的實(shí)時(shí)可控性，提高倉(cāng)庫(kù)吊裝作業(yè)的可靠性，提升倉(cāng)庫(kù)的安全管理水平。

1 激光測(cè)距的原理

激光的特點(diǎn)是高方向性、高單色性和高亮度，這一特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，能夠使位移測(cè)量的精度、可靠性得到極大的提高。也為非接觸位移測(cè)量提供了有效的測(cè)量方法。

激光測(cè)距可劃分為兩種，第一種原理大致是光速和往返時(shí)間的乘積的一半，就是測(cè)距儀和被測(cè)量物體之間的距離；第二種是以激光位移傳感器原理為原理的方法的。本文運(yùn)用的是用激光位移傳感器原理的激光測(cè)距。按照測(cè)量原理,激光位移傳感器原理分為激光三角測(cè)量法和激光回波分析法,激光三角測(cè)量法一般適用于高精度、短距離的測(cè)量，而激光回波分析法則用于遠(yuǎn)距離測(cè)量。

如圖1所示，激光發(fā)射器通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過(guò)接受器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接受，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見(jiàn)”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度即知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物之間的距離。

圖1：激光三角法

2 倉(cāng)庫(kù)吊繩拉力輔助監(jiān)測(cè)裝置

本文將介紹一種倉(cāng)庫(kù)安全智能吊裝裝置，該裝置在不改變吊繩結(jié)構(gòu)和受力的情況下，通過(guò)激光測(cè)距對(duì)吊繩在受力時(shí)的實(shí)時(shí)形變量進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，通過(guò)邏輯處理模塊間接分析出吊繩的受力情況，配合無(wú)線傳輸在線實(shí)時(shí)獲取吊繩的受力數(shù)據(jù)，同時(shí)該裝置的終端設(shè)備利用無(wú)線通訊技術(shù)可實(shí)時(shí)獲取吊繩上的受力信息，其內(nèi)置模塊能主動(dòng)判別吊運(yùn)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)預(yù)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員及時(shí)采取安全措施，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員反應(yīng)時(shí)間，有效降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，保證人身、設(shè)備安全。

圖2：倉(cāng)庫(kù)吊繩拉力輔助監(jiān)測(cè)裝置模塊

圖3：吊繩受力伸長(zhǎng)示意圖

圖4：正常起吊l-t曲線

2.1 裝置組件介紹

倉(cāng)庫(kù)吊繩拉力輔助監(jiān)測(cè)裝置主要有以下幾個(gè)部分組成：激光測(cè)距模塊、無(wú)線通訊模塊、邏輯控制模塊、聲光報(bào)警模塊、電池模塊和終端顯示設(shè)備。激光測(cè)距模塊又由激光位移傳感器和反光板組成。組件如圖2所示。

如圖2所示，反光板在吊臂與被調(diào)物件間的任意一段吊繩上，其他組件集成在距離測(cè)量模塊上也一并安裝吊繩上，且與反光板保持一定的距離。激光位移傳感器測(cè)得的位移量與吊繩形變量相同，邏輯控制模塊將吊繩形變量轉(zhuǎn)換為拉力值后，一方面?zhèn)鬏斨翢o(wú)線通訊模塊，可使終端實(shí)時(shí)顯示吊繩拉力值并接受預(yù)警，另一方面邏輯控制模塊將得到的拉力值與預(yù)設(shè)最大定值進(jìn)行比較，若超過(guò)定值，則輸出信號(hào)至所述聲光報(bào)警模塊，并啟動(dòng)聲光報(bào)警，實(shí)現(xiàn)智能評(píng)估起吊過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)主動(dòng)預(yù)警。

2.2 裝置工作原理介紹

它的主要原理如圖3所示。

圖3為吊繩受力伸長(zhǎng)示意圖，圖中黑色直線l1為吊繩（彈性系數(shù)為k1），藍(lán)色直線l2為本設(shè)計(jì)所提的激光測(cè)距裝置的初始值，該裝置中配備精度極高的距離傳感器，可精確測(cè)量吊繩伸長(zhǎng)量。假設(shè)吊繩中拉力值為F1。

根據(jù)胡克定律：固體材料受力之后，材料中的應(yīng)力與應(yīng)變（單位變形量）之間成線性關(guān)系，滿足胡克定律的材料稱為線彈性或胡克型（英文Hookean）材料，即

吊繩處于拉長(zhǎng)此時(shí)有：

式（2）中，k1,l1為固定值，l可通過(guò)激光測(cè)距傳感器讀取，因而可間接求得吊繩所受力F1的大小。

2.3 裝置的作用

2.3.1 精準(zhǔn)定位重心，減少試吊次數(shù)

由受力分析，正常起吊中F-t曲線應(yīng)如圖4所示。

由分析可知，t=t1時(shí)，吊繩中受到拉力，各吊繩合力大小小于備品重力，備品未吊起，記第i根吊繩中紅外距離測(cè)量記錄的l-t曲線斜率第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)為

圖5所示為傳統(tǒng)試吊過(guò)程流程圖與使用本裝置后試吊流程對(duì)比圖，由于采用受力情況分析，可避免經(jīng)驗(yàn)帶來(lái)的誤差，有效提高試吊效率。

2.3.2 越限及時(shí)預(yù)警

為保證起吊平穩(wěn)，起吊重心應(yīng)與備品重心在同一垂線上，若起吊重心應(yīng)與備品重心不在同一垂線上，備品在力矩的作用下會(huì)發(fā)生晃動(dòng)，在晃動(dòng)初期，晃幅較小，不易被觀測(cè)，若操作人員未及時(shí)采取有效措施，備品可能因晃動(dòng)幅度過(guò)大導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

由于備品晃動(dòng)可簡(jiǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)特性，吊繩中所受拉力將呈現(xiàn)周期性變化，若發(fā)現(xiàn)各紅外測(cè)距結(jié)果開(kāi)始發(fā)生周期性變化時(shí)，手持設(shè)備產(chǎn)生聲光預(yù)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員注意安全，可將備品起吊過(guò)程中晃動(dòng)現(xiàn)象扼制在初期，避免事故擴(kuò)大。

若起吊過(guò)程中，吊繩發(fā)生斷股時(shí)，在拉力F實(shí)作用下吊繩逐漸被拉長(zhǎng)，此時(shí)輔助測(cè)量模塊測(cè)量值l實(shí)逐漸增大，此時(shí)邏輯模塊監(jiān)測(cè)到l實(shí)突增，迅速出口至聲光報(bào)警模塊，產(chǎn)生聲光報(bào)警，警告作業(yè)人員注意安全，有效減小事故危害。

3 結(jié)論

本文所述的倉(cāng)庫(kù)吊繩拉力輔助測(cè)量裝置可用于各類起吊作業(yè)，尤其適用于物件不規(guī)則、重心難以查找、多根吊繩起吊等復(fù)雜起吊作業(yè)。通過(guò)間接的方式測(cè)量吊裝過(guò)程中的受力情況，幫助物資管理者實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物流風(fēng)險(xiǎn)管控智能化。隨著現(xiàn)代化智慧物流供應(yīng)鏈的大力建設(shè)，企業(yè)將會(huì)越來(lái)越重視生產(chǎn)服務(wù)每一個(gè)環(huán)節(jié)的可視化與智能化，通過(guò)信息技術(shù)手段，讓效率與可靠性均得到質(zhì)的提升。未來(lái)的吊裝行業(yè)，將會(huì)不斷融入到整個(gè)智慧供應(yīng)鏈中去，通過(guò)智能裝置與物聯(lián)網(wǎng)，將物品的個(gè)性化信息高效整合，提高物品運(yùn)輸流通環(huán)節(jié)的管控水平。