橋式起重機(jī)多維度姿態(tài)控制關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)思路

聶福全/NIE Fu-quan

（河南衛(wèi)華重型機(jī)械股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400）

1 問(wèn)題提出

在核工業(yè)、航空航天等作業(yè)場(chǎng)所，橋式起重機(jī)需要在復(fù)雜、定位精度高的環(huán)境內(nèi)運(yùn)行，特別是當(dāng)?shù)跹b的產(chǎn)品形狀不規(guī)則時(shí)，就需要多名輔助人員通過(guò)繩子牽引方式來(lái)保持產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運(yùn)姿態(tài)，這樣不僅效率低下，而且輔助人員在復(fù)雜的環(huán)境內(nèi)工作也會(huì)面臨較大的危險(xiǎn)。因此，對(duì)吊運(yùn)姿態(tài)可控方法進(jìn)行研究，滿足吊裝產(chǎn)品時(shí)橋式起重機(jī)能夠自行控制重物姿態(tài)，以減少操作人員、提升吊運(yùn)效率、降低操作人員的危險(xiǎn)性，就顯得非常必要。

2 橋式起重機(jī)姿態(tài)控制方式

通過(guò)分析，結(jié)合實(shí)際使用工況，姿態(tài)控制主要包括升降不漂移（垂直方向姿態(tài)）、吊鉤與吊具匹配（旋轉(zhuǎn)角度姿態(tài)及復(fù)合姿態(tài)）、防搖擺控制（水平方向姿態(tài)）等，如圖1 所示，達(dá)到提高不規(guī)則物體的吊裝效率的目的。

圖1 橋式起重機(jī)多維姿態(tài)控制示意圖

3 姿態(tài)控制具體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前述分析，升降不飄移可以采用起升機(jī)構(gòu)對(duì)稱布置結(jié)構(gòu)和合理的鋼絲繩纏繞方式進(jìn)行解決；通過(guò)在大車、小車、起升機(jī)構(gòu)采用電氣防搖擺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)各直線移動(dòng)姿態(tài)可控；通過(guò)設(shè)計(jì)專用吊具，使得吊具位置可控，確保吊具與整機(jī)動(dòng)作保持一致。

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

該機(jī)主要由小車、自動(dòng)吊具、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、橋架、電氣控制系統(tǒng)等部件組成。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示，試制樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下。

圖2 橋式起重機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 吊鉤升降不漂移技術(shù)

3.2.1 起升對(duì)稱布置

起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖3 所示，采用兩套起升絞車、分別驅(qū)動(dòng)一組吊鉤。每套起升絞車采用單電機(jī)、單減速器、單卷筒，雙制動(dòng)方案，自重輕、高度低、振動(dòng)小、噪音低，運(yùn)行平穩(wěn)、不啃軌，配置合理，傳動(dòng)效率高，降低能耗。起升電動(dòng)機(jī)采用橋式起重機(jī)專用變頻電機(jī)，具有熱保護(hù)功能。起升減速器為SEW 全密閉硬齒面型，性能可靠、承載能力高，工作噪音??；減速器采用雙入雙出的“一”字型硬齒面整體箱體減速器，減速器有兩根輸入軸和兩根輸出軸，輸入軸位于減速器兩端，分別連接1 臺(tái)帶編碼器的防爆變頻電動(dòng)機(jī)，輸出軸位于減速器的中間位置，分別驅(qū)動(dòng)1 個(gè)雙聯(lián)卷筒組，兩輸出軸通過(guò)齒輪聯(lián)接，保證2 個(gè)卷筒組轉(zhuǎn)速同步，減速器齒輪精度等級(jí)為DIN 6 級(jí)，雙入雙出減速器結(jié)構(gòu)的布置型式的特點(diǎn)是2 臺(tái)電機(jī)既可以同時(shí)工作，又可以單獨(dú)工作，當(dāng)一臺(tái)電機(jī)故障時(shí)，另一臺(tái)電機(jī)仍能驅(qū)動(dòng)2 個(gè)卷筒組工作，保證轉(zhuǎn)載作業(yè)的正常運(yùn)行，可有效避免起升過(guò)程中不穩(wěn)定性，確保垂直姿態(tài)的控制。

圖3 起升機(jī)構(gòu)對(duì)稱設(shè)計(jì)三維示意圖

3.2.2 四繩對(duì)稱纏繞系統(tǒng)

如圖4 所示，采用四繩對(duì)稱纏繞系統(tǒng)，4 根鋼絲繩對(duì)稱纏繞的型式，分別與上、下雙排滑輪組的一個(gè)角纏繞，最后固定在對(duì)應(yīng)的平衡臂裝置上，這種纏繞方法可以保證4 根鋼絲繩能均衡地分配載荷，并在其中1 根鋼絲繩損壞時(shí)另外3 根鋼絲繩能夠承受住全部載荷，并維持吊具的平衡，防止正在起吊的重物偏斜、墜落。

圖4 四繩對(duì)稱纏繞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼絲繩對(duì)稱纏繞方式還可以保證吊鉤組始終處于起升機(jī)構(gòu)的中心位置，升降過(guò)程中吊鉤不旋轉(zhuǎn)、無(wú)漂移，有效提高橋式起重機(jī)的搬運(yùn)精度。

3.3 基于MEMS技術(shù)的姿態(tài)控制技術(shù)

全閉環(huán)防搖擺技術(shù)研究，解決水平X、Y方向運(yùn)行姿態(tài)控制問(wèn)題。控制數(shù)學(xué)模型采用了獨(dú)特的、不同于單擺的控制模型及4 種相互關(guān)聯(lián)的高端數(shù)學(xué)模型，通過(guò)研究非對(duì)稱平衡三相幅值衰減向量防搖擺控制計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋式起重機(jī)載荷的最佳防搖擺控制；同時(shí)加入彈性模板非線性插值計(jì)算法，增加了載荷搖擺特性數(shù)學(xué)模型的精準(zhǔn)度，大幅度地提高了防搖擺控制精度；通過(guò)“速度-位置”多變量集合控制，使橋式起重機(jī)大小車的自動(dòng)定位與載荷的防搖擺得以同步實(shí)現(xiàn)。硬件控制首次將慣性導(dǎo)航技術(shù)在橋式起重機(jī)吊鉤運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)中的應(yīng)用，采用MEMS 陀螺儀和MEMS 加速度計(jì)作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要傳感器件，如圖5 所示，針對(duì)MEMS 陀螺的漂移問(wèn)題，引入MEMS 磁性傳感器對(duì)偏航角進(jìn)行校正，通過(guò)多傳感器數(shù)據(jù)融合算法，研發(fā)了防搖擺控制系統(tǒng)，通過(guò)與橋式起重機(jī)大車、小車運(yùn)行控制系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)時(shí)分析和精確計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了橋式起重機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)度和自動(dòng)定位控制精度全閉環(huán)控制，減少X、Y方向運(yùn)行90%的搖擺幅度，減少操作時(shí)間，提升吊裝安全性，確保了大車、小車直線運(yùn)行時(shí)的姿態(tài)控制。

圖5 MEMS陀螺儀外觀

防搖擺控制系統(tǒng)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程方案如圖6 所示。

圖6 防搖擺控制示意圖

3.4 吊具匹配性技術(shù)

按照如圖7 所示吊具匹配性分析，為進(jìn)一步控制吊具姿態(tài)，吊具選用必須慎重考慮吊索具的末段和輔助附件及起重設(shè)備相匹配的問(wèn)題，吊具與整機(jī)的配合如圖8 所示，該橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)了專用吊具，具有下旋轉(zhuǎn)功能，采用對(duì)稱性布置、雙滑輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。吊鉤組采用雙排滑輪吊鉤組，水平漂移量小，定位精確，鉤組具有鉤頭鎖定功能，當(dāng)工作需要時(shí)，可通過(guò)設(shè)置在吊鉤螺母上的定位銷孔將吊鉤鉤頭鎖定在0°、90°和270°狀態(tài)，防止轉(zhuǎn)載時(shí)產(chǎn)品與鉤頭一起旋轉(zhuǎn)。橋式起重機(jī)吊鉤組軛板上設(shè)置有輔助聯(lián)接板，當(dāng)橋式起重機(jī)需要轉(zhuǎn)載作業(yè)時(shí)，通過(guò)輔助聯(lián)接板將吊具和吊鉤聯(lián)結(jié)起來(lái)，控制吊具使之與吊鉤動(dòng)作保持一致。

圖7 吊具匹配性分析

圖8 吊具匹配技術(shù)應(yīng)用

吊具結(jié)構(gòu)如圖9 所示，為下旋轉(zhuǎn)式，由吊具上架、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、吊具下架和重心調(diào)整裝置組成，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)支承、旋轉(zhuǎn)編碼器以及2 臺(tái)三合一減速電機(jī)組成，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于吊具下架的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到要求位置后，下架上的旋鎖與產(chǎn)品上的鎖孔對(duì)正，實(shí)現(xiàn)吊具旋轉(zhuǎn)位置的鎖定。

圖9 自動(dòng)吊具

重心調(diào)整裝置用于調(diào)整吊具的重心，保證在吊裝產(chǎn)品滿箱狀態(tài)和空箱狀態(tài)兩種工況下，吊具和A 的總體重心與定位導(dǎo)柱中心重合。

重心調(diào)整裝置由液壓推桿、配重塊、滑道、限位開關(guān)組成；工作方式為：轉(zhuǎn)載滿箱工況下，液壓推桿不工作，空箱工況下，待吊具與箱體聯(lián)接后，按下控制器上的重心調(diào)整按鈕，液壓推桿會(huì)推動(dòng)配重塊向外移動(dòng)，調(diào)整吊具和產(chǎn)品A 的總體重心位置，使之與定位導(dǎo)柱中心重合，保證轉(zhuǎn)載過(guò)程中吊具工作平穩(wěn)。

3.5 姿態(tài)位置控制系統(tǒng)

如圖10 所示，電控系統(tǒng)采用PLC變頻控制，主令控制器、超重限制保護(hù)裝置、限位開關(guān)、超速開關(guān)等信號(hào)均送至PLC，以PLC 程序處理后，發(fā)送指令控制各機(jī)構(gòu)動(dòng)作。為滿足X、Y方向姿態(tài)控制，采用西門子S7-300PLC 變頻器，同時(shí)在起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有與卷筒同軸絕對(duì)值編碼器，卷筒端部帶有高度限制器，高度限制器上布置有絕對(duì)值編碼器，通過(guò)PLC 邏輯模糊計(jì)算功能控制變頻器輸出頻率，實(shí)現(xiàn)2 套起升絞車受載均勻、同步作業(yè)，設(shè)計(jì)有橋式起重機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可顯示實(shí)時(shí)位置參數(shù)。

圖10 直線姿態(tài)控制系統(tǒng)及智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4 主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

與傳統(tǒng)橋式起重機(jī)相比，采用上述姿態(tài)控制的橋式起重機(jī)具有較高的技術(shù)性能，經(jīng)安裝檢測(cè)和實(shí)用，該橋式起重機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)與常規(guī)橋式起重機(jī)對(duì)比見表2。

表2 運(yùn)行精度對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

上述技術(shù)滿足了核工業(yè)、航空航天、軍工等對(duì)吊裝作業(yè)精度要求較高作業(yè)場(chǎng)所的需要，提高了客戶的工作效率，為公司開拓了市場(chǎng)，并贏得市場(chǎng)先機(jī)。在姿態(tài)控制技術(shù)、潔凈度控制技術(shù)等方面取得了一定技術(shù)突破，橋式起重機(jī)性能穩(wěn)定，運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，贏得了用戶的好評(píng)。