新型控制集裝箱吊具姿態(tài)調(diào)整保持設(shè)計方法

韓中成 楊小明 張浩星 王 偉

青島海西重機有限責(zé)任公司 青島 266530

0 引言

集裝箱吊具姿態(tài)調(diào)整是集裝箱裝卸效率提高的瓶頸[1]，直接影響裝卸過程中集裝箱對位的時間、操作舒適性和安全[2]。自動化輪胎起重機、軌道起重機的作業(yè)效率也較大程度取決于其吊具的水平回轉(zhuǎn)、小車方向平移和大車方向平移的姿態(tài)調(diào)整并在整個起升、下降過程中始終保持姿態(tài)不變的功能。當前，通過小車系統(tǒng)的鋼絲繩纏繞方式實現(xiàn)以上功能是設(shè)計的主要方向。在實際設(shè)計中，由于繞繩方式、集裝箱質(zhì)量、起升高度、需求姿態(tài)的多樣化組合使得執(zhí)行機構(gòu)的動作控制起來十分復(fù)雜。本文詳細介紹一種可以充分綜合考慮以上所有因素得出執(zhí)行機構(gòu)控制方式的新設(shè)計方法。

1 原理說明

以如圖2所示為例，在4個方位布置4套輔助鋼絲繩卷筒，卷筒出繩后斜拉向吊具。當4個輔助鋼絲繩卷筒出繩按照一定的邏輯關(guān)系和長度變化，對于懸在空中的集裝箱吊具產(chǎn)生水平力，驅(qū)動集裝箱吊具在空中實現(xiàn)水平回轉(zhuǎn)、小車方向平移和大車方向平移的位置調(diào)整。各繩索達到力的平衡后，吊具保持穩(wěn)定姿態(tài)。實際設(shè)計樣機存在左前輔助卷筒及鋼絲繩、左后輔助卷筒及鋼絲繩、右前輔助卷筒及鋼絲繩、右后輔助卷筒及鋼絲繩。圖2中X坐標為大車行走方向，Y坐標為小車行走方向，Z坐標方向為起升高度方向。左前、右前、左后、右后4個方位輔助卷筒收、放鋼絲繩與所實現(xiàn)的集裝箱動作邏輯關(guān)系如表1所示。

表1 輔助卷筒收、放繩動作與集裝箱動作邏輯關(guān)系

上述邏輯關(guān)系表明集裝箱吊具在某一固定高度可以實現(xiàn)位置調(diào)整，實際設(shè)備應(yīng)用中還需要保證調(diào)整好的吊具姿態(tài)（即吊具水平回轉(zhuǎn)角度、小車方向平移距離和大車方向平移距離）在整個起升、下降過程中保持不變。這就要求4個方位布置4套輔助鋼絲繩卷筒出繩的長度需要在集裝箱吊具上升、下降過程中根據(jù)集裝箱質(zhì)量、起升高度、需求姿態(tài)做出不斷調(diào)整。

本文即解決考慮繞繩方式、集裝箱質(zhì)量、需求姿態(tài)等因素，得出為保證集裝箱吊具起升、下降過程中需求姿態(tài)調(diào)整后保持不變，輔助鋼絲繩卷筒控制的一種新設(shè)計方法。

2 實現(xiàn)過程

1）根據(jù)繞繩方式參數(shù)化建立數(shù)字樣機；2）確定集裝箱吊具在整個起升、下降過程中需要達到并始終保持的姿態(tài)（水平回轉(zhuǎn)角度、小車方向平移距離和大車方向平移距離）為計算目標；3）以集裝箱質(zhì)量、起升高度、計算目標作為自變量，輔助卷筒鋼絲繩收放長度調(diào)整量作為因變量，計算并將所得數(shù)據(jù)匯總；4）匯總數(shù)據(jù)擬合出3次擬合方程；5）3次擬合方程，寫入輔助鋼絲繩卷筒的電機控制PLC程序，實現(xiàn)吊具姿態(tài)按預(yù)期調(diào)整后在整個起升、下降過程中姿態(tài)保持功能。

3 設(shè)計計算

3.1 建立模型

如圖1所示小車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及繞繩形式主要包括相互獨立同軸起升卷筒、輔助卷筒、起升鋼絲繩和輔助鋼絲繩。

圖1 小車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及繞繩形式

根據(jù)圖1參數(shù)化建立模型如圖2所示。為便于修改，模型建立時參數(shù)化變量如表2所示。

圖2 參數(shù)化建立模型示意

表2 模型建立所使用的參數(shù)化變量

3.2 確定計算目標（實現(xiàn)吊具姿態(tài)）

驅(qū)動輔助卷筒實現(xiàn)以下吊具姿態(tài)：吊具大車方向平移± 200 mm；吊具小車方向平移± 200 mm；吊具水平回轉(zhuǎn)± 5°。

3.3 運行計算

以吊具大車方向平移± 200 mm為例，在某一特定起升高度、特定集裝箱起重量計算模型下，得出吊具質(zhì)心X大車方向位移曲線、輔助卷筒驅(qū)動及跟隨位移曲線、輔助卷筒驅(qū)動繩拉力載荷曲線如圖3所示，從而得出集裝箱吊具質(zhì)心X向位移分別為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm時對應(yīng)的輔助卷筒驅(qū)動、跟隨繩收放位移量及驅(qū)動繩拉力載荷數(shù)據(jù)。

圖3 某特定起升高度、起重量下的曲線圖

3.4 數(shù)據(jù)匯總

將不同的集裝箱質(zhì)量、起升高度、計算目標作為自變量匯總到數(shù)據(jù)庫中，可以分別取0.25、0.5、0.75、1倍的變量數(shù)據(jù)進行組合。將計算出的輔助鋼絲繩收放長度調(diào)整量作為因變量。以40 000 kg吊重X向平移200 mm運動控制為例數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)匯總舉例

3.5 數(shù)據(jù)擬合

對得出的所有數(shù)據(jù)進行參數(shù)擬合，以集裝箱質(zhì)量、高度、調(diào)整量為自變量x、y、z，輔助卷筒鋼絲繩收放長度調(diào)整量為因變量，擬合考慮上述因素的近似方程。以X向位移200 mm為例擬合出的方程如表4所示，這里采用3次擬合方程

表4 X向位移200 mm擬合方程

同樣，以此方式可以得出吊具小車方向平移±200 mm及吊具水平回轉(zhuǎn)±5°的數(shù)據(jù)及擬合方程，在此不再列舉。

3.6 控制實施

將得到的大車方向平移、小車方向平移、吊具水平回轉(zhuǎn)的3次擬合方程，寫入輔助鋼絲繩卷筒的電機控制PLC程序。2個自變量為吊重、起升高度在設(shè)備運行過程中實時采集，1個自變量為控制姿態(tài)目的值，3個自變量輸入各擬合方程，得到因變量輔助卷筒鋼絲繩收放長度調(diào)整量。輔助鋼絲繩卷筒的變頻電機配置絕對值編碼器，通過程序準確控制鋼絲繩收放長度。

4 結(jié)論

1）參數(shù)化建立模型 將計算模型進行了參數(shù)化處理，在不同方案判斷時可以快速修改，以適應(yīng)多方案的快速比選工作；

2）計算方法考慮多因素影響 主要考慮了起重量、起升高度、吊具姿態(tài)目標值等多項因素同時對控制輔助鋼絲繩收放長度需要調(diào)整量的綜合影響。并能模擬出鋼絲繩自身柔性的影響、集裝箱吊重懸垂狀態(tài)下的動力影響等；

3）可精確實現(xiàn)吊具姿態(tài)調(diào)整并保持 通過本方法擬合出的方程可精確實現(xiàn)水平回轉(zhuǎn)角度、小車方向平移距離和大車方向平移距離的快速調(diào)整，且調(diào)整后的姿態(tài)在集裝箱吊具起升、下降整個過程中保持不變；

4）數(shù)字樣機節(jié)約成本 算例為數(shù)字樣機，無需試驗等實體消耗，可以從理論上確認各方案的可行性和優(yōu)劣程度，規(guī)避了預(yù)期目標無法實現(xiàn)的設(shè)計風(fēng)險；

5）控制方程可直接用于電氣控制 擬合出的3次多項次方程可以編譯程序用于姿態(tài)控制，對變頻驅(qū)動電機的控制程序設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。

本控制集裝箱吊具姿態(tài)調(diào)整并保持的設(shè)計方法，可以多因素考慮、快速預(yù)先評判設(shè)計方案的可行性和優(yōu)劣程度，為電氣精確控制程序設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持，為實現(xiàn)集裝箱吊具姿態(tài)調(diào)整、保持提供了一種新的設(shè)計思路。