地車定位系統(tǒng)設(shè)計研究

劉 佳，董敬凱，孫 杰，馬寶春

（1.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.華能山東石島灣核電有限公司，山東 榮成 264300）

1 研究目標(biāo)

根據(jù)實際工藝控制及運行工藝要求，為實現(xiàn)特殊起重機(jī)控制定位系統(tǒng)大小車運行±3 mm 的精度設(shè)計功能，進(jìn)行了特殊起重機(jī)運行定位系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計及施工，并最終以試驗驗證了設(shè)計結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

2 研究技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)

1）特殊起重機(jī)運行定位精度須小于±3 mm。可以采用PLC 控制器自動定位和手動操作精確定位相結(jié)合的方式實現(xiàn)特殊起重機(jī)與目標(biāo)位置中心孔的準(zhǔn)確定位。

2）為便于手動操作精確定位，最小點動步進(jìn)長度應(yīng)小于3 mm。

3）應(yīng)能連續(xù)可靠地檢測大車、小車位置。采用能達(dá)到特殊起重機(jī)定位精度要求的位置行程檢測裝置，如編碼器等，行程檢測裝置重復(fù)定位精度高。同時附以攝像探頭指示精確定位。

3 研究內(nèi)容

收到本任務(wù)后，項目組就開始進(jìn)行仔細(xì)研究和分析，了解了起重機(jī)運行機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)的各項功能和原理，并進(jìn)行了大量的調(diào)研工作，包括技術(shù)方案論證、材料的國產(chǎn)化、加工制造工藝、包裝工藝、表面涂裝工藝、廠內(nèi)試驗工藝等工作，從而形成了自主創(chuàng)新的定位技術(shù)，提出符合高溫氣冷堆核電站特殊起重機(jī)技術(shù)要求的材料以及制造工藝條件等關(guān)鍵技術(shù)，使我國具備自主研發(fā)、設(shè)計和制造核電站特殊起重機(jī)[1]定位系統(tǒng)的能力，并為以后核電起重機(jī)定位系統(tǒng)的批量化應(yīng)用打好基礎(chǔ)，最終順利完成了本課題的總目標(biāo)。并于去年年底提供了用于高溫氣冷堆核電特殊起重機(jī)樣機(jī)試驗所需要的特殊起重機(jī)定位系統(tǒng)一套以及定位系統(tǒng)設(shè)計圖一套。

3.1 機(jī)械定位研究

研究的機(jī)械定位包括軌道精度、水平輪間隙和編碼器的固定。

特殊起重機(jī)定位系統(tǒng)依附于大、小車運行機(jī)構(gòu)及相應(yīng)檢測系統(tǒng)。特殊起重機(jī)大車運行機(jī)構(gòu)采用四角獨立驅(qū)動方式。驅(qū)動裝置為電動機(jī)、減速機(jī)、制動器組成的三合一減速機(jī)[2]，在減速器的低速軸為空心結(jié)構(gòu)，直接套裝在主動車輪軸上。同一主梁下的兩套大車運行機(jī)構(gòu)[2]可以分別驅(qū)動，四套驅(qū)動兩套為一組，兩組互為備用。垂直承載車輪為12 個直徑為500 mm 的車輪，每兩個車輪組成一個平衡架。一個平衡架和一個從動車輪組成一個三輪平衡臂架。起重機(jī)每個角上有1 個三車輪平衡臂架。所有的車輪與軌道間留有15 mm 左右的 間隙，以防由于車輪與軌道產(chǎn)生干涉，影響定位精度。見圖1。為了使大車保持較高的運行擬合度，特殊起重機(jī)一側(cè)端梁下設(shè)有兩組水平導(dǎo)向輪。大車軌道的一根導(dǎo)向軌道雙側(cè)面都加工，以保證水平輪與軌道的合理間隙配合。見下頁圖2。

圖1 特殊起重機(jī)運行機(jī)構(gòu)與水平輪

圖2 軌道（單位：mm）

編碼器的固定也能保證編碼器能讀到精確的大小車運行信息。其中，齒輪與齒條為豎直接觸，這樣避免了齒間落入異物時影響運行精度的問題。在編碼器與結(jié)構(gòu)件的固定中采用了允許彈性變形的裝置，即齒輪與齒條間始終保持一定的壓力，齒輪與齒條始終處于正常嚙合狀態(tài)，同時也避免了齒條安裝直線度對檢測結(jié)果的影響。為了確保定位系統(tǒng)的可靠性，在大車橋架的雙側(cè)端梁下均安裝了定位系統(tǒng)。這樣，即使定位系統(tǒng)發(fā)生故障，仍然不影響特殊起重機(jī)的定位精度檢測。見圖3。

圖3 編碼器布置圖

特殊起重機(jī)小車的定位系統(tǒng)與大車定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式一樣，只是安裝到不同的載體上而已，故此不在熬述。只是大車定位系統(tǒng)控制著大車運行方向的精度，小車定位系統(tǒng)控制著小車運行方向的精度。這兩個方向互相垂直，這兩個方向的運行精度共同定位了特殊起重機(jī)整體的運行精度。

3.2 電氣定位研究

電氣設(shè)備由五部分組成，每一部分為獨立運行系統(tǒng)，但互為補(bǔ)充。為保證實現(xiàn)最終精度的實現(xiàn)，而互不可少。這五部分包括PLC 控制系統(tǒng)、西門子伺服控制系統(tǒng)、外部編碼器系統(tǒng)、攝像定位確認(rèn)系統(tǒng)及零位定位系統(tǒng)。

3.2.1 PLC 控制工藝設(shè)計

首先操作人員在上位機(jī)上下達(dá)指令，PLC 發(fā)送位置指令信號給驅(qū)動器，指揮運行機(jī)構(gòu)運行至指定位置坐標(biāo)，由伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)開始運行，外部編碼器系統(tǒng)同時工作，實時將運行位移數(shù)據(jù)反饋給驅(qū)動裝置進(jìn)行比較，校正驅(qū)動電機(jī)。到達(dá)指定位置后通過攝像系統(tǒng)觀測地面標(biāo)牌確定位移誤差是否在設(shè)計允許范圍內(nèi)，如誤差較大，則通過PLC 系統(tǒng)的手動裝置點動運行至要求位置。在一個工作循環(huán)完成后，特殊起重機(jī)回歸零位，由零位定位系統(tǒng)復(fù)位歸零，消除運行累計誤差。

PLC 系統(tǒng)在定位設(shè)計中主要用于上位機(jī)指令的下達(dá)及保存；手動點動信號的下達(dá)等工作。見圖4。

圖4 PLC 控制網(wǎng)絡(luò)圖

3.2.2 伺服控制系統(tǒng)組成

伺服系統(tǒng)采用西門子運動控制系統(tǒng)SIMOTION。SIMOTION 適用于執(zhí)行同一個系統(tǒng)內(nèi)同時實現(xiàn)軸的運動控制和機(jī)器邏輯控制，將PLC 功能與工藝控制功能相結(jié)合，縮短了各個控制部件之間的數(shù)據(jù)傳輸時間，便于對設(shè)備統(tǒng)一和透明的編程、診斷。

特殊起重機(jī)及其屏蔽罩設(shè)備采用的是SIMOTION D 系列控制器，它是基于驅(qū)動的運動控制系統(tǒng)。SIMOTION D 集成了西門子S120 伺服驅(qū)動器的一個控制單元，可以方便的與S120 驅(qū)動器的電機(jī)組件連接。帶有編碼器接口、DP 接口等控制通訊接口。

伺服運動系統(tǒng)設(shè)備電氣部分的走行驅(qū)動控制包括書本型電機(jī)模塊、SIMOTION D435 伺服控制器、伺服電動機(jī)、外部絕對值編碼器以及PLC 聯(lián)鎖、控制線路等。

3.2.3 編碼器系統(tǒng)組成

外部位移編碼器安裝在車輪旁，與運行機(jī)構(gòu)相連接。編碼器軸上安裝有齒輪，齒輪隨著車輪轉(zhuǎn)動而在軌道旁的齒條上運行。編碼器跟隨特殊起重機(jī)運動，運行機(jī)構(gòu)停止時編碼器計數(shù)停止變化，編碼器信號實時傳輸回PLC 進(jìn)行比較處理。

外部的位置編碼器用于校正位移信號，故而編碼器精度十分重要。編碼器采用1217 絕對值編碼器，即編碼器自身精度為：12（圈）×217。

車輪轉(zhuǎn)動時編碼器上的齒輪跟隨轉(zhuǎn)動，即編碼器碼盤計數(shù)，可根據(jù)車輪轉(zhuǎn)動一圈位移計算出編碼器內(nèi)部轉(zhuǎn)動圈數(shù)，根據(jù)編碼器自身精度計算出齒輪齒條編碼器運行精度：齒輪直徑R2=105 mm；齒輪運行一圈走行距離L2=πR2=329.7 mm；絕對值編碼器分辨率17 位，即為2 的17 次方=131 072。在單圈旋轉(zhuǎn)絕對值編碼器的運行分辨度為329.7 mm/131 072=0.002 5 mm。由此能得出，外部的位置編碼器在本機(jī)構(gòu)的運行分辨度為0.002 5 mm，滿足控制要求。

3.2.4 攝像定位系統(tǒng)組成

攝像系統(tǒng)可分為兩部分，他們分別為：第一部分是分別用于整體觀測的云臺攝像機(jī)和觀測井蓋吊具的2 臺云臺攝像機(jī)；第二部分是分別用于定位輔助的井蓋位和貯罐位的2 臺高倍固定攝像機(jī)。在定位系統(tǒng)中主要采用第二部分。見圖5。

圖5 井蓋攝像輔助

整套定位攝像系統(tǒng)中用于校驗定位精度的有兩臺，分別顯示井蓋定位標(biāo)牌和貯罐定位標(biāo)牌。顯示界面上分別顯示兩個地面標(biāo)牌的狀態(tài)，在顯示界面的中心有定位用光標(biāo)，而標(biāo)牌上則有刻度尺，到位后操作人員即可觀測到兩組信息，一是豎井的銘牌縮寫；二是目前的定位數(shù)值差。這樣就可以選擇手動裝置進(jìn)行運行機(jī)構(gòu)點動運行，調(diào)整運行精度達(dá)到控制要求。

在試驗過程中運行情況良好，因裝置運行精度可完全達(dá)到要求，目前定位輔助攝像主要用于操作人員確認(rèn)使用。

3.2.5 零位校正系統(tǒng)介紹

在大車運行機(jī)構(gòu)及小車運行機(jī)構(gòu)的車輪旁各安裝了一個接近開關(guān)，信號反饋回PLC 回路，之后由程序進(jìn)行編碼器回零動作，這就是零位系統(tǒng)的設(shè)計思路。零位系統(tǒng)主要作用是消除每一個工作循環(huán)后編碼器累計誤差，保證定位編碼器的運行精度。見圖6。

圖6 運行機(jī)構(gòu)清零邏輯圖

4 伺服驅(qū)動的軟件

大小車運行機(jī)構(gòu)采用SIMOTION-D435 伺服定位功能，主要編程及控制在西門子SIMOTION Scout軟件中實現(xiàn)。

在Simotion Scout[3]軟件中建立項目，根據(jù)本設(shè)備特殊要求，在D435 控制器內(nèi)部為行走機(jī)構(gòu)的4個電機(jī)分別建立實軸，再建立一個虛擬軸，令4 個實軸完全跟隨虛擬軸而動作，實現(xiàn)同步。見圖7 和圖8。

圖7 模型建立

圖8 硬件搭接

PLC 給出的運行目的坐標(biāo)值在程序中轉(zhuǎn)化為實際位移值，通過PLC 與Simotion D435 的控制通訊，賦值給Scout 軟件中建立的運行虛擬軸，定位功能通過外部絕對值編碼器來實現(xiàn)，外部編碼器的單圈精度達(dá)到17 位，即每圈131 072 個脈沖。見圖9。將絕對值編碼器的位置值賦給虛擬軸，虛擬軸將根據(jù)當(dāng)前的實時位置來驅(qū)動4 個實軸，達(dá)到定位的目的。

圖9 控制精度

在D435 內(nèi)需要通過MCC 語言編程來實現(xiàn)對軸的控制，包括起動、同步、定位、停止、信號處理等功能。PLC 將啟動信號、需要到達(dá)的絕對位置和運行速度通過Profibus DP 通訊傳輸至D435 控制器，D435 內(nèi)的MCC 程序接收后將虛擬軸和實軸同步，起動虛軸，按照預(yù)設(shè)的加速度加速至接收到的運行速度向指定位置運行。在接近指定位置時會自動減速，到達(dá)指定位置時將減至零速，然后進(jìn)行微調(diào)，消除整車慣性影響，最終定位。

5 完成目標(biāo)及成果

1）據(jù)現(xiàn)場定位試驗測量，定位的結(jié)果大小車整體運行后，誤差控制在±1 mm 之內(nèi)。完成并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了控制精度要求。

2）設(shè)計中控制部分采用了伺服驅(qū)動系統(tǒng)，是首次在大慣量設(shè)備上使用此種設(shè)計，大大提高了控制精度。

3）外部編碼器的使用有效地消除了因車輪大小等工藝因素而產(chǎn)生的實際位移誤差，提高了運行精度。

4）攝像系統(tǒng)及定位標(biāo)牌的使用可直觀地表現(xiàn)出目前的運行位置，便于手動調(diào)整校準(zhǔn)。

5）手動點動系統(tǒng)的加入，點動步進(jìn)值直至為1 mm。在運行誤差出現(xiàn)后可以輕松調(diào)整位置，點動運行設(shè)備，雙重保證精度要求。

6）回零系統(tǒng)在每一次運行后及時徹底地消除編碼器的累積誤差，為多次反復(fù)運行的精度提供了重要保證。

6 應(yīng)用效果和社會效益

通過詳細(xì)設(shè)計、計算及產(chǎn)品論證，實現(xiàn)了特殊工藝要求下的地車設(shè)計?？筛鶕?jù)以上研究成果設(shè)計并制造大慣量起重機(jī)的精準(zhǔn)定位操作，保證特殊工藝要求下的起重機(jī)工作，是衡量一個起重機(jī)設(shè)計制造實力的標(biāo)志性產(chǎn)品。它的研制成功，不但節(jié)約了大量資金，而且對進(jìn)一步提升我國起重機(jī)的設(shè)計制造能力和國際市場競爭力，打破國外在該領(lǐng)域的壟斷具有重要的意義。該項目研制開發(fā)的技術(shù)，同樣適用于其他行業(yè)精確控制程度要求比較高的運行運輸設(shè)備。