天津市滨海新区特种设备检测技术中心 天津市 300451
摘要：近几年，随着科技的进步，我国机械设备的发展越来越快。针对塔式起重机吊点定位精度不良的问题，结合塔式起重机的工作特点和技术缺陷，研制出了一套定点吊自动控制系统。在该系统中，通过多圈绝对值编码器获得了塔式起重机的幅度和高度，通过电子罗盘获得了大臂的水平绝对角度值，将上述数据通过MCU进行了解包和效验，从而建立了吊钩的三维空间坐标；在MCU中，通过自适应算法和模糊神经算法，将定点坐标与当前吊钩坐标数据进行了对比，计算出了最佳定点位置数据；设定了塔式起重机的高度、幅度及角度的定点，利用高精度全站仪对上述参数进行了测量，进而对系统进行了测试。研究结果表明：该系统具有定位精度高、准确可靠、重复性好等优点，并且随着自学习的深入以及测试次数的增加，系统的定位精度逐步提高。
关键词：塔式起重机；绝对值编码器；吊点定位控制技术
引言
随着我国装备制造业和运输业的快速发展，物料输送和搬运机械被现代工业企业广泛使用以降低工人劳动强度、节约生产搬运成本、加快物流周转、提高生产效率和经济效益。桥门式起重机作为一种典型的物料搬运机械，主要用来进行起重、运输、装卸货物以及安装设备等作业，被大量应用于车站货物装卸、港集装箱码放、车间物料搬运以及林区木材调运等工作中。桥门式起重机的作业效率对企业生产有着至关重要的影响，据统计，装备制造业的生产工时大部分被物料的调运所占用。以东风汽车为例，汽车的生产制造总工时巾，零部件的加工工时仅占，其他的工时用在储存和搬运的过程中。平均每生产吨产品要进行吨次的物料提升，生产吨铸件要进行吨次的物料搬运。提高起重机的作业效率就是使货物快速准确地被调运到目标位置。起重机在小车与吊重之间采用钢丝绳柔性连接，这种连接方式一方面减小了起升和搬运时的冲击载荷，另一方面也使得重在大小车加减速时产生偏摆，小车运动状态的变化是引起吊重偏摆的根木原因。此外，司机的驾驶能力、风阻力、运行阻力等因素也都会引起吊重的偏摆，这些因素都影响了小车的运行，降低了起重机的作业效率。以林区木场内的原木装车过程为例，起重机要将原木捆平稳准确地出运至汽车或火车车厢内，整个过程既要满足使原木捆到达指定装车位置，又要使得原木捆被运达指定位置后摆动消除，否则会木捆不能及时落位，费时费力，对负责原木装卸的工人也存在安全威胁。
1研究意义
在工业技术不断发展，生产力水平不断提高，世界经济快速增长的大环境下，起重机械的作用早已超出了辅助设备的范畴，成为装备制造业的生产作业流水线巾的重要组成部分。针对传统的起重机械存在的问题，世界上各国的制造商和学者们都在不断改进起重机械产品的性能以提高生产效率。随着自动控制理论和计算机技术已渗透于各行各业，起重机吊重偏摆与定位的控制也向着自动化、安全性、可靠性以及精确性的方向发展，对偏摆与定位系统进行动力学分析并提出控制方案是十分必要的，对起重机的优化设计和提高起重机作业效率都具有理论价值和实际意义。
2塔式起重机吊点定位控制技术
2.1电子罗盘测量水平绝对角技术
定点吊自动控制系统采用基于磁阻效应传感器的平面电子罗盘测量起重臂的旋转角度数据。磁阻式传感器是根据磁性材料的磁阻效应制作而成的测量用传感器。其磁阻效应原理如图1所示。图1磁阻效应原理图1中，在平行于合金平面但垂直于电流方向施加一外磁场E的作用下，合金薄膜平行于电流流向的内磁场E1旋转一个角度A，进而使得合金的电阻Ｒ发生变化，其函数关系为：Ｒ=Ｒ0+ΔＲ0cos2θ（1）式中：Ｒ0—合金薄膜在未施加外磁场时具有的电阻值；ΔＲ0—合金薄膜材料的阻值绝对变化量；θ—合金薄膜内磁场与电流夹角。由此可见：电阻与磁场间是非线性关系，磁阻效应是一个角度效应，非常适合于角度参数的测量。磁阻效应传感器是由4个连接成惠期通电桥的合金电阻组成。在被测磁场作用下，电桥中位于相对位置的两个电阻阻值增大，另外两个电阻的阻值减小。在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场成正比。塔式起重机做回转运动时，起重臂与地球磁场之间形成一个变化的夹角，通过测量磁阻效应传感器的输出量，进而确定塔式起重机起重臂的水平绝对角度。本研究安装了电子罗盘的塔式起重机，起重臂回转至与地球磁场形成夹角，电子罗盘内的信号处理系统根据此时磁阻效应传感器输出的模拟量，经过信号放大、模数转换后，得出的数据与地球磁场的数据修正值进行对比，最终确定起重臂的水平绝对角度。电子罗盘安装在塔式起重机的平衡臂上的专用非铁磁性平台支架上，其测量平面与水平面尽可能保持平行，存在一定倾角的情况下不影响测量结果。平台设置的目的是避免电子罗盘受到塔机上易磁化材料的微弱磁场干扰。
定点吊控制系统采用高度、幅度、角度传感器测量起重机吊钩坐标位置，用户可以将吊钩任意位置设置为定点，并通过系统将定点存储到MCU（微控器）。在用户指定要去的吊点后，MCU调出该吊点的坐标数据并与运行的吊钩位置实时进行比较，当吊钩坐标接近吊点坐标时，定点吊系统控制减速继电器实现运行减速，吊钩达到吊点后停止起重机动作。塔式起重机定点吊控制系统的整体安装布局方案如图3所示。在塔式起重机作回转、起升、变幅过程中，分别由电子罗盘、两个多圈绝对值编码器采集塔式起重机起重臂的水平角度、吊钩垂直高度、小车水平幅度的数据，并通过MCU中央信号处理器进行解包和效验，建立当前吊钩的三维空间位置，同时将三维空间位置的坐标数据实时显示在操作界面上。系统工作时，司机操作吊钩至指定位置，按下定点按键取得定点位置坐标，MCU中央信号处理器自动将定点位置坐标存储并将定点显示操作界面上，当需要将重物吊运至指定位置时，司机通过操作界面按钮选择定点位置，MCU中央信号处理器调出该点的定位数据，并显示在操作界面上，同时MCU通过自适应算法和模糊神经算法将定点坐标与当前吊钩坐标数据进行对比，计算出最佳定点位置数据，并以动态的进度条图型的形式显示定点与吊钩的距离。塔式起重机运行时，幅度、高度、角度的数值和进度条连续变化显示吊钩的实时位置；同时采用人工智能技术的声光辅助定位电路（即人机交互声光电路），即以声光方式提醒司机当前位置坐标与定点位置的距离。吊钩当前的幅度值、高度值、角度值3项中任意一个接近定点的坐标值时，定点吊控制系统自动对相应的控制继电器发出减速指令，控制变幅，起升或回转的电机实现预减速；到达定点坐标位置后，系统发出停止指令，通过继电器控制相应电机断电、制动器制动。
图3 控制系统安装示意图
结语
现场实验验证了吊点控制系统的定位精度、可靠性及重复性，并且该系统具有自学习功能，随着测试次数的增加，定位精度会逐步提高；系统可根据定点的使用频率，将使用频率高的定点优先置于显示屏前供操作人员选择使用。
参考文献：
[1]黄矩源，王黎明，吴尚．自动化集装箱码头桥式起重机大车定位系统［J］．水运工程，2016，42（9）：111-115．
[2]叶恭宇．桥式起重机定位控制研究［J］．工业C，2016，8（4）：167-168．
论文作者:李悦
论文发表刊物:《防护工程》2018年第34期
论文发表时间:2019/3/22
标签：吊钩论文; 位置论文; 重臂论文; 磁阻论文; 坐标论文; 磁场论文; 起重机论文; 《防护工程》2018年第34期论文;