汽車(chē)起重機(jī)卷?yè)P(yáng)隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘" 要：汽車(chē)起重機(jī)因機(jī)動(dòng)性好、吊載靈活的優(yōu)點(diǎn)已成為施工作業(yè)中的吊載主力，其主要包含汽車(chē)底盤(pán)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)和吊重機(jī)構(gòu)，傳統(tǒng)模式下要完成伸臂動(dòng)作，必須不斷地放主鉤、放副鉤、伸臂、再次放鉤，并且稍不留神吊鉤容易沖頂毀壞臂頭滑輪。完成縮臂動(dòng)作首先要收主鉤、收副鉤、縮臂、再次收繩，不然吊鉤容易落地引起張力不足導(dǎo)致卷?yè)P(yáng)鋼絲繩亂繩。卷?yè)P(yáng)隨動(dòng)技術(shù)能夠很好地解決這些痛點(diǎn)，在伸縮臂過(guò)程中卷?yè)P(yáng)自動(dòng)跟隨旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度跟隨臂長(zhǎng)變化率，實(shí)時(shí)保證吊鉤懸掛于安全范圍內(nèi)，包含3種模式①臂頭變化模式——伸縮臂過(guò)程中吊鉤和臂頭的距離實(shí)時(shí)保持固定；②地面隨動(dòng)模式——吊鉤和地面的距離實(shí)時(shí)保持固定；③智能隨動(dòng)模式——根據(jù)臂長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)整吊鉤高度，伸臂越長(zhǎng)放繩越多。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)起重機(jī)；卷?yè)P(yáng)隨動(dòng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；吊載；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TH213" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）32-0127-04

Abstract： Truck cranes have become the main lifting force in construction operations due to their advantages of good mobility and flexible lifting. They mainly include car chassis， luffing mechanism， slewing mechanism， telescopic mechanism and lifting mechanism. In the traditional mode， to complete the arm extension action， you must constantly release the main hook， the auxiliary hook， the arm extension， and the hook again. Moreover， if you are not careful， the hook can easily hit and destroy the arm head pulley; To complete the arm retraction action， we must first retract the main hook， the auxiliary hook， the arm， and the rope again. Otherwise， the hook will easily fall to the ground， causing insufficient tension and causing chaos to the winding wire rope. Winding follow-up technology can solve these pain points well. During the telescopic boom process， the winch automatically follows the rotation， and the rotation speed follows the change rate of the boom length， ensuring that the hook is suspended within a safe range in real time. There are three modes， ① Arm head change mode-the distance between the hook and the arm head remains fixed in real time during the telescopic boom process; ② Ground follow-up mode-the distance between the hook and the ground remains fixed in real time; ③ Intelligent follow-up mode-According to the arm length， the height of the hook is automatically adjusted， and the longer the arm is extended， the more ropes are placed.

Keywords： truck crane; winch follow-up; system design; lifting load; application

汽車(chē)起重機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)分為繩排和單缸插銷(xiāo)2種：①繩排結(jié)構(gòu)由臂內(nèi)鋼絲繩和滑輪組組成，可實(shí)現(xiàn)多節(jié)臂同時(shí)伸縮，伸縮速度快但是吊載性能弱，常用于5節(jié)臂及以下機(jī)型；②單缸插銷(xiāo)由于臂段之間機(jī)械連接，伸縮臂只能按順序一節(jié)一節(jié)完成繩排機(jī)構(gòu)，吊載能力強(qiáng)但是伸縮操作繁瑣，常用于6節(jié)臂及以上機(jī)型。

傳統(tǒng)模式下用于動(dòng)作繁瑣，操作者需要保持高度警惕，否則吊鉤極易沖頂或者落地，給作業(yè)帶來(lái)安全隱患，卷?yè)P(yáng)隨動(dòng)技術(shù)能夠很好地解決這些痛點(diǎn)。設(shè)計(jì)臂頭、對(duì)地、智能3種隨動(dòng)模式（圖1）來(lái)保證作業(yè)自動(dòng)化及吊鉤位置的安全性。

相較傳統(tǒng)操作模式，卷?yè)P(yáng)隨動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)有：①減少繁瑣的操作，解放人力；②提高伸縮臂效率，減少作業(yè)等待時(shí)間；③摒棄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和倍率對(duì)操作的影響。

本文從起重機(jī)伸縮過(guò)程存在的痛點(diǎn)和迫切的需求出發(fā)，綜合運(yùn)用自動(dòng)控制原理、軟件編程技術(shù)，設(shè)計(jì)一種可行的卷?yè)P(yáng)隨動(dòng)控制方法，包含卷?yè)P(yáng)隨動(dòng)的3種模式。

1" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1" 硬件及輔助模型

1.1.1" 采集終端

①電子三圈保護(hù)器，提供卷?yè)P(yáng)當(dāng)前轉(zhuǎn)速Vcur，卷?yè)P(yáng)當(dāng)前圈數(shù)Ncur，三圈報(bào)警Alarm；②長(zhǎng)度傳感器，提供當(dāng)前臂長(zhǎng)Lcur。

1.1.2" 控制終端

①主卷?yè)P(yáng)比例閥，輸入信號(hào)0～1 000 mA電流；②副卷?yè)P(yáng)比例閥，輸入信號(hào)0～1 000 mA電流。

1.1.3" 卷筒繞繩模型

卷簡(jiǎn)繞繩模型如圖2所示。輸入單層總匝數(shù)N，總層數(shù)LN，鋼絲繩直徑計(jì)算得到每一層鋼絲繩的周長(zhǎng)LcArray。

1.2" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將伸臂過(guò)程多周期化分解，上一周期臂長(zhǎng)的變化ΔL作為下一周期卷?yè)P(yáng)放繩長(zhǎng)度（圖3），引入卷筒繞繩模型，得到當(dāng)前卷?yè)P(yáng)放繩周長(zhǎng)，卷?yè)P(yáng)放繩長(zhǎng)度/當(dāng)前卷?yè)P(yáng)放繩周長(zhǎng)/周期長(zhǎng)度即為卷?yè)P(yáng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，應(yīng)用閉環(huán)負(fù)反饋控制理念，卷?yè)P(yáng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和當(dāng)前轉(zhuǎn)速的差值作為PID算法的輸入，其輸出作為控制卷?yè)P(yáng)比例閥的電流完成跟隨控制，具體算法如下（圖4）。

說(shuō)明：第7步中370作為卷?yè)P(yáng)旋轉(zhuǎn)的比例閥最小電流，不同車(chē)型會(huì)不一樣，并且卷?yè)P(yáng)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的閾值也不一樣，需實(shí)際測(cè)試得出。

1.3" 隨動(dòng)模式

1.3.1" 臂頭模式

臂頭模式要求吊鉤和臂頭的距離實(shí)時(shí)保持一致，所以只需將臂長(zhǎng)變化量Lcur-Lold作為ΔL輸入上述算法即可（第三步）。

1.3.2" 對(duì)地模式

對(duì)地模式要求吊鉤和地面的距離實(shí)時(shí)保持一致，所以ΔL需是臂長(zhǎng)變化量和高度變化量的和，即ΔL=（Lcur-Lold）+（Lcur-Lbase）×sin（Θ）×Mul，Θ為當(dāng)前主臂角度，Mul為當(dāng)前倍率。

1.3.3" 局限性分析

①臂頭模式在起重機(jī)全伸臂時(shí)隨著主臂不斷伸長(zhǎng)，主臂側(cè)的鋼絲繩逐漸放長(zhǎng)導(dǎo)致主臂側(cè)拉力逐漸加重，吊鉤側(cè)重量不足以拉緊整條主臂上的鋼絲繩，故而卷?yè)P(yáng)空轉(zhuǎn)引起亂繩；②臂頭模式如果有放繩誤差容易觸發(fā)高度限位，導(dǎo)致吊鉤沖頂造成臂頭滑輪損壞；③對(duì)地模式為了維持吊鉤和地面的距離固定，因?yàn)槭苤骶肀堵实姆糯笾骶硇枰院芸斓乃俣刃D(zhuǎn)，特別是在縮臂時(shí)若卷?yè)P(yáng)旋轉(zhuǎn)太快也會(huì)出現(xiàn)排列不齊；④對(duì)地模式因?yàn)榉爬K太多容易觸發(fā)三圈報(bào)警。鑒于2種常規(guī)的隨動(dòng)模式都有不可避免的使用局限性，筆者通過(guò)大量的實(shí)踐設(shè)計(jì)出一種較為實(shí)用的智能隨動(dòng)模式。

1.3.4" 智能隨動(dòng)模式

整體算法改進(jìn)如下。

1）標(biāo)定臂頭位置：全縮臂狀態(tài)下主、副鉤剛剛觸碰高度限位，記錄此時(shí)電子三圈的已旋轉(zhuǎn)圈數(shù)Lp0，得到初始卷筒上已纏繞鋼絲繩長(zhǎng)度L0。

2）計(jì)算吊鉤和臂頭的實(shí)時(shí)高度。實(shí)時(shí)讀取電子三圈已旋轉(zhuǎn)圈數(shù)Lp，計(jì)算得到當(dāng)前卷筒上鋼絲繩長(zhǎng)度L；主鉤高度（距臂頭）：（（L-L0）的絕對(duì)值-（當(dāng)前臂長(zhǎng)-基本臂長(zhǎng)））/倍率；副鉤高度（距臂頭）：（L-L0）的絕對(duì)值-（當(dāng)前臂長(zhǎng)-基本臂長(zhǎng)）。

3）設(shè)置2種卷?yè)P(yáng)放繩速度。慢速模式（臂頭模式）：放繩速度=臂長(zhǎng)變化；快速模式（對(duì)地模式）：放繩速度=臂長(zhǎng)變化+高度變化量×倍率。

4）吊鉤高度控制策略。伸臂：臂長(zhǎng)小于50 m，慢速模式；臂長(zhǎng)大于等于50 m，快速模式；縮臂：臂長(zhǎng)大于50 m，慢速模式；臂長(zhǎng)小于等于50 m，快速模式。

5）安全限制。未標(biāo)定臂頭位置：慢速。高度比=吊鉤高度（距臂頭）/臂頭高度。伸臂：高度比小于0.2，快速放繩，直到高度比大于0.25，高度比大于0.4，慢速放繩，直到高度比小于0.35；縮臂：高度比小于0.2，慢速收繩，直到高度比大于0.25，高度比大于0.4，快速收繩，直到高度比小于0.35，以防止卷?yè)P(yáng)轉(zhuǎn)速頻繁地在快慢速切換。

6）縮臂限速：由于縮臂的時(shí)候臂長(zhǎng)變化量是一個(gè)波動(dòng)值，在快速模式下受倍率的放大，若按實(shí)際值放繩，此時(shí)卷?yè)P(yáng)會(huì)忽快忽慢（類(lèi)似于正弦）非常影響用戶(hù)體驗(yàn)，故在縮臂時(shí)將臂長(zhǎng)變化量最大限制在某特定值。

7）臂頭臂尾平滑處理：根據(jù)選定的目標(biāo)臂段，在（實(shí)際缸長(zhǎng)百分比-目標(biāo)缸長(zhǎng)百分比）的絕對(duì)值小于3的時(shí)候開(kāi)始斜坡減速，減速斜坡和剩余缸長(zhǎng)百分比有關(guān)。

8）副鉤補(bǔ)償：在雙卷隨動(dòng)時(shí)，若主鉤高度-副鉤高度gt;特定值，則加快或減慢副卷速度，具體數(shù)值和高度差有關(guān)，并且設(shè)置副卷轉(zhuǎn)速上限以防止高度差過(guò)大時(shí)副卷超速旋轉(zhuǎn)。

9）虛擬高度限位：標(biāo)定臂頭位置后系統(tǒng)會(huì)記住此位置，如果吊鉤距離改位置小于0.5 m，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為高度限位觸發(fā)自動(dòng)停止卷?yè)P(yáng)旋轉(zhuǎn)防止其沖頂。為設(shè)備提供二次安全保護(hù)。

通過(guò)算法改進(jìn)實(shí)現(xiàn)放繩的長(zhǎng)度和總臂長(zhǎng)有關(guān)，伸臂越長(zhǎng)放繩越多，但是吊鉤總是處于安全范圍之內(nèi)（高度比0.2～0.4），并且吊鉤從任意高度開(kāi)始跟隨最終都會(huì)進(jìn)入這個(gè)安全范圍內(nèi)，極大地提高了系統(tǒng)的智能性和實(shí)用性。

2" 程序設(shè)計(jì)

整體程序采用Codesys編寫(xiě)，輪詢(xún)周期20 ms，包含以下幾部分。①電子三圈標(biāo)定：設(shè)置ID，標(biāo)定三圈零點(diǎn)；②計(jì)算放繩長(zhǎng)度：計(jì)算當(dāng)前卷?yè)P(yáng)上已纏繞繩長(zhǎng)；③卷?yè)P(yáng)隨動(dòng)算法：主體算法設(shè)計(jì)；④PID：計(jì)算輸出電流值。部分代碼如下。

2.1" 電子三圈標(biāo)定

CASE DviceID OF

1：CanWriteMsg（wDrvNr：=0，dwID：=16#07E5，ucLen：=8，bRtrFrame：=FALSE，ucByte1…

ucByte8：= 16#11，16#26， 16#16， 16#0…）

2：CanWriteMsg（wDrvNr：=0，dwID：=16#07E5，ucLen：=8，bRtrFrame：=FALSE，ucByte1…

ucByte8：= 16#17，16#26， 16#0…）

END_CASE

以上代碼用于設(shè)置電子三圈的ID，因?yàn)檠b機(jī)的主副卷?yè)P(yáng)三圈其實(shí)是同一物料，CAN總線中需要修改其ID以實(shí)現(xiàn)區(qū)分。

2.2" 計(jì)算放繩長(zhǎng)度

以上代碼用于計(jì)算當(dāng)前卷?yè)P(yáng)上已纏繞的鋼絲繩長(zhǎng)，其和初始纏繞繩長(zhǎng)的差即為放出繩長(zhǎng)。

2.3" 卷?yè)P(yáng)隨動(dòng)算法

以上代碼用于在每秒臂長(zhǎng)變化大于20 mm的情況下引入卷筒繞繩模型，得到卷?yè)P(yáng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，將其和實(shí)際轉(zhuǎn)速一起輸入到PID中計(jì)算控制電流。

3" 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1" 控制精度測(cè)試

選用某6節(jié)臂起重機(jī)測(cè)量臂頭模式吊鉤隨動(dòng)精度，大臂全縮狀態(tài)時(shí)將2把皮尺分別固定在臂頭和鉤頭（主鉤4倍率），測(cè)量鉤頭至臂頭的距離（2把皮尺的刻度差），然后按順序伸臂，每伸一節(jié)臂測(cè)量一次直至全伸記錄試驗(yàn)結(jié)果；再按照順序全縮記錄試驗(yàn)結(jié)果。

綜合分析表1、表2數(shù)據(jù)得出：臂頭模式下主鉤（4倍率）隨動(dòng)誤差0.6 m，副鉤（1倍率）隨動(dòng)誤差0.8 m，隨動(dòng)精度高，控制算法穩(wěn)定可靠。

3.2" 成果及價(jià)值

①伸縮臂操作由多次頻繁的操作變?yōu)橐绘I即可完成，解放雙手的同時(shí)降低吊裝作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度；②在增加少量成本的前提下提高操控便利性，6節(jié)臂機(jī)型全伸臂效率提升20%～25%，卷?yè)P(yáng)隨動(dòng)作為起重機(jī)智能化提升的亮點(diǎn)之一已成為當(dāng)前客戶(hù)指定要求的功能，已推廣至100、130、800 t等多個(gè)系列1 000余臺(tái)車(chē)。

4" 結(jié)束語(yǔ)

本文從起重機(jī)伸縮臂操作的痛點(diǎn)入手，設(shè)計(jì)出3種解決繁瑣操作、減少作業(yè)等待時(shí)間的卷?yè)P(yáng)隨動(dòng)模式，分析了每種隨動(dòng)模式的優(yōu)勢(shì)和局限性，并詳細(xì)給出了算法設(shè)計(jì)和程序?qū)崿F(xiàn)，最后通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試測(cè)得在臂頭模式下從基本臂到全伸臂得過(guò)程中主鉤隨動(dòng)高度誤差0.6 m，副鉤0.8 m，隨動(dòng)精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、動(dòng)作過(guò)度平滑，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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