起重設備自動吊運工作流程已成為自動化生產流程的重要環節,自動化控制起重的研究與應用在我國已到快速發展階段。本文對自動化控制起重機定位檢測的等關健技術作了分析,對自動化控制起重機設計中應考慮大車糾偏,起重機防搖擺控制等應注意的問題做了簡要介紹。

關鍵詞:起重機;自動化;定位精度;測距防;搖擺擺

自動化技術在起重機上的應用廣泛，特別在歐美、日本等發達國家已20世紀五六十展史1980年我國自主研制的計算機控制自動化立體倉庫投人營,2000年我國自主研制的半自動控制垃圾搬運起重機投入運營。我國的集裝箱起重機已基本走向標準化、自動化和系列化但受經濟和技術的限制,與國際水平相比較,我國的起重機行業的整體自動化應用水平還不高,起重機械制造業的從業人員尤其是技術人員對自動化產品及技術的認識還不高。但在隨著我國國民經濟和工業技術水平快速發展,工業生產規模不斷擴大,生產效率日益提高,勞動力成本的提高,產品生產過程中物料搬運費用所占比例逐漸增加,企業對大型、高速和自動化起重機的需求量也不斷增長。起重機工作流程已成為自動化生產流程的重要環節,起重機的自動化程度的要求會越來越高。

起重機吊運的空間實體位置信息(通常為三維坐標方向:X軸、Y軸、Z軸)的自動檢測及起重機自動化控制技術水平是起重機定位精度的關鍵。起重機的靜態剛性,即起重機的主梁、支腿等結構在外載荷的作用下將產生彈性變形或振動也會對起重機的定位精度也有直接影響。起重機是采用柔體吊運荷載,由于大、小車的加減速和負載的提升動作以及風、摩擦引起的作用力等會引起負載的來回擺動,起重機的防搖擺也直接影響起重機的定位精度。建筑鋼結構廠房的剛性也會直接影響起重機的定位精度,需要設計人員予以考慮。

自動檢測、自動數據處理(運算、判斷、存儲、記憶，恢復)、自動顯示、自動控制、自動防搖、自動糾偏、故障診斷和自動保護及維護等技術的水平是自動化控制起重機質量和性能的關鍵

2起重機定位測距

起重機現使用的定位測距方法主要有編碼器測距、條碼定位激光測距、超聲波測距、編碼尺定位基于圖像處理技術的檢測定位系統等。可依據使用環境,定位精度要求及設備制造成本等因素參考應用。

2.1編碼器測距

編碼器(encoder)是一種將旋轉位移轉換成一串數字脈沖信號或數據進行編制、轉換為可用以通信、傳輸和存儲的信號形式的設備。

現在編碼器的廠家生產的系列比較全,一般都專智能型的,有各種并行接口可以與其他設備通信。起重機上常用的有增量式編碼器、單圈值編碼器、多圈值編碼器,他們應用在起重機的起升、大小運行機構的測距。

旋轉增量式編碼器以轉動時輸出脈沖,通過計數設備來知道其位置,當編碼器不動或停電時,依靠計數設備的內部記憶來記住位置。這樣,當停電后,編碼器不能有任何的移動,當來電工作時,編碼器輸出脈沖過程中,也不能有干擾而丟失脈沖,不然,計數設備記憶的零點就會偏移。所以為提高準確性就需增加參考點,編碼器每經過參考點,將參考位置修正進行計數記憶位置。在參考點以前,是不能保證位置的準確性的。為此,就有每次操作先找參考點,開機找零等方法。

型旋轉光電編碼器,因其每一個位置、抗干擾、無需掉電記憶,已經越來越廣泛地應用于各種工業系統中的角度、長度測量和定位控制。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的,它不受停電、干擾的影響。編碼器由機械位置決定的每個位置的性,它無需記憶,無需找參考點,而且不用一直計數,什么時候需要知道位置,什么時候就去讀取它的位置。這樣,編碼器的抗干擾特性、數據的可靠性大大提高了。多圈式編碼器在長度定位方面的優勢明顯,已經越來越多地應用于工控定位中。

拉線盒式編碼器是由機械式拉線盒和增量型或決對型旋轉編碼器組合而成,用來精確測量直線距離的傳感器統。

直線的位移通過拉線盒內轉動鼓轉化為旋轉的運動,然后通過連接在其上的旋轉編碼器將直線距離測量出來。拉線盒式編碼器的分辨率達0.025mm,測量距離可到50m。因橋、門式起重機的起升機構采用柔性體調運荷載,直接采用旋轉式編碼器檢測高度,測量精度難以保證,采用拉線盒式編碼器就能大為提高測量精度,但因拉線盒式編碼器需拉線在張緊狀態下使用,這就對使用場合受一定的限制。

目前值編碼器的價格大約是增量型編碼器的4倍以上,國內市場上70%的應用是價格相對經濟的增量型編碼器。

2.2激光測距

激光測距是利用激光對目標的距離進行準確測定。激光測距在工作時向目標射出一束很細的激光,由光電元件接收目標反射的激光束,計時器測定激光束從發射到接收的時間,計算出從觀測者到目標的距離。

激光測距是光波測距中的一種方式,為非接觸測量,在保證1mm重復精度的情況下測距范圍可從30m到300m。

該技術應用于橋式起重機大、小車上具有如下特點:所得到的數據為精確的位置信號,可以實時確定大、小車的位置。易于實時監控,采用認址方式,可靠性更高。所得到的是高頻數字信號,精度高,且和上位機通信方便。將獲得的距離信息進行簡單轉換,得到起重機小車當前運行的準確速度,便于調速和精確定位。

但該技術在智能起重機上的應用需注意以下事項;一般激光測距儀不具防水功能,所以大都使用在室內;起重機運行中,大小車運行機構會產生偏斜或震動,激光反射距離會發生變化,測量精度會產生影響,這就需要對起重機的大小車偏斜進行控制;激光器是強度很高的光源輻射器件,所以激光對人體,特別是人眼有嚴重傷害,使用時需注意安全。

2.3條碼定位和激光測距

條碼定位系統(BPS)主要部件是條碼帶和讀取頭,大測距范圍可達10000m。該系統將條碼讀取頭安裝在行走的起重機大、小車上,條碼帶全程安裝在大、小車行走軌道側，由于條碼定位系統合了激光測距與旋轉編碼器的優點,當大、小車在軌道上行走時,安裝在大車上的條碼讀取頭實時掃描當前的條碼,通過讀取行進路線上的條碼確定準確方位

,然后經內置的解碼器輸出起重機大、小車當前的位置信息，可以有效地實現認址。

編碼器由于受機械結構和易產生積累誤差的限制,也不能完全滿足高精度、高準確性的定位要求。條形碼定位系統很好地解決了上述問題。基于條形碼定位系統自身的特點近年來該技術已廣泛應用在自動化立體倉庫中堆垛機的水平和垂直方向定位。

2.4GPS(全球定位系統)在起重機上的應用

GPS(全球定位系統)現主要用于集裝箱輪胎龍門起重機上,集裝箱輪胎龍門起重機因其沒有固定軌道,無法用傳統的編碼器來檢測其相對于堆場的位置,從而使碼頭管理軟件無法得知當前集裝箱的堆放位置,因而不利于實現箱位自動管理。將GPS(全球定位系統)技術的應用解決了以上難題。

整個系統配備一個GPS基準站,包括一個GPS雙頻接收器和一個調制無線發射電臺,用于提供基準位置信號給起重機上的GPS移動站,起重機上配置一個GPS移動站硬件包括兩個GPS接收器和一個公共無線接收電臺,用于檢測當前起重機所處位置并接收基準站差分信號,從而獲得厘米級的檢測精度。位置信號將在主機運算后送至機上PLC,進一步進行箱位管理和自動糾偏等處理。

GPS在起重機上應用的定位精度已達到小于1.5cm。應用中需注意到兩個因素的影響:堆場周圍不能有阻擋視線的建筑物,如高樓和大山等,否則會影響GPS能夠接收的衛星數量;二是無線電信號,GPS的差分電臺有較固定的頻率,不能受到頻繁干擾,否則GPS需要取樣重新計算,故在配置GPS時應對周圍無線電頻率進行研究考察。

2.5基于圖像處理技術的檢測系統

目前基于圖像處理技術的目標位置定位系統現主要用于集裝箱的裝卸定位系統中。系統包括攝像頭、圖像采集卡、電腦和顯示板等。攝像頭安裝在小車下部或運輸車輛車道旁,通過攝像機實時拍攝集裝箱與運輸車的位置圖像,運用圖像處理技術進行圖像預處理,濾波處理等將圖像信息轉化成數字信號,已獲取集裝箱位置和姿態信息,檢測精度可達到士50mm。但該檢測方法在太陽強烈照射下,目標邊緣的反光較大,模糊了目標邊緣的特征,檢測精度會受到影響。另外在夜晚燈光的情況下性能也較差。

國內外廠家在集裝箱起重機的集裝箱位置檢測方法及裝置、集裝箱著地控制方法等技術進行了長期深人研究,并已運用于實際,這對為我們其他用途起重機自動化設計提供了參考。

3起重機靜態剛性對定位精度的影響

起重機設計中結構剛性的計算非常重要。起重機彈性結構在外載荷的作用下將產生彈性變形或振動,過大變形和振動將影響機械的正常工作。起重機定位精度、靜態剛性、控制系統完善程度的相關性需充分考慮。

4起升機構防搖控制

起重機在運輸過程中,由于大車、小車的加(減)速和調運荷載的提升動作,以及風、摩擦引起的擾動等會引起集裝箱在大車和小車兩個運行方向不同程度的搖擺,這樣既降低了系統的工作效率,對起重機的自動化控制產生很大影響，防搖擺技術的研究就極為重要,也成為起重機作為現

代物流裝備所必需的子系統之一。

集裝箱門式起重機伸縮式剛性導桿防搖裝置,固定節剛性固定于小車的上,下表定節內的伸縮節也無水平方向的擺動余量,由于內套于固定節的多節伸縮節,工作時可根據需要向小車下方伸出較大長度,其可適用于起升高度較大的集裝箱門式起重機的提升防搖,并且起吊工作可靠、平穩,對位準確快速,作業效率高。

集裝箱起重機的模糊防搖控制:利用模糊控制防搖的主要原理是模仿司機的操作經驗,開始用中等驅動力驅動小車運行,根據集裝箱的搖擺程度調節小車驅動力的大小,使集裝箱重物的位置略落后于小車;當集裝箱接近目標時,減少驅動力,使集裝箱稍前于車頭;當集裝箱離目的地很近時,增大驅動力,使集裝箱正好懸于目標位置上,且當不搖擺時,電機停車。

基于倒三角形懸掛固有防搖機理的八繩雙向防搖系統已普遍應用于集裝箱起重機,在其他用途的起重機上也有應用實例。

5水平輪組應用

起重機的大、小車車輪輪緣應與軌道保持一定的聞隙,一般規定大車車輪踏面比軌道頂面寬30~40mm。小車車輪輪緣比軌道道頂面寬20~30mm。起重機大、小車運行中車輪會有橫向滑動產生。車輪在軌道面上的滑動就會對起重機的定位精度產生影響。簡單的辦法是在起重機的大、小車運行機構的一側上設置兩個水平車輪組,每個水平輪與軌道側面的間隙通過水平輪的偏心軸調整,以達到起重機定位精度要求。但采用水平輪組需考慮水平側向力對起重機結構和廠房結構的影響。

6大車糾偏控制

橋、門式起重機由于其跨度大、水平剛度低,傳動視構的制造安裝精度的影響,特別是運行頻繁的起重機,其傳動機構的積累誤差更大,導致橋、門式起重機都有不同程度的大車跑偏或啃軌現象。這極大地威脅著起重機的安全運行,對起重機的定位精度也產生很大影響,這就需要對大車運行自動檢測糾偏。大車糾偏控制技術主要在檢測兩側結構的偏斜量,當偏斜量超到定位精度要求時,通過PLC控制兩側車輪轉速來解決大車糾偏問題。

7大車高速運行狀態下的輸配電問題

軌道吊的大車運行速度通常較高,高速運行對整機的輸配電系統提出了較高要求。軌道吊采用電纜卷筒供電,高速運行時大車與電纜卷筒須有較好的同步性。傳統的磁滯式電纜卷筒不能滿足這一要求,因此需采用由專門PLC控制的電纜卷筒。

8結束語

自動化控制起重機應用前景將非常廣闊,其關鍵技術的研究與應用在我國已到快速發展階段。設計人員在起重機的設計中應充分考慮使用場合對定位精度的要求,選用性價比合理的自動化控制技術,增加市場的競爭力。隨著高新技術產品的不斷發展,將加速自動化控制起重機向計算機、微電子、自動控制、通訊等領域的縱深發展,終達到和于國外水平。

------------豪鋼起重機械（上海)有限公司韓亞軍