李安辉
中山市劦力重型起重机械有限公司
摘要：基于桥式起重机的基本工作原理，设计了桥式起重机高精度起升高度显控系统。整个系统的设计包括3个部分：编码器信号和脉冲整形采集系统，旋转方向的判断和脉冲输出系统，脉冲计数、高度计算和继电器输出系统。该系统设计科学合理，可以有效减少桥式起重机械因高度检测控制问题而在生产作业中发生的人身伤亡事故以及设备损坏事故，大大提高起重机的工作效率。
关键词：桥式起重机；高精度起升高度显控器；设计
引言
起重设备经常给人留下粗重的印象，但用于精细装配或民用核电起重等领域的起重机同样要求具有很高的定位精度，以部分核电起重机为例，其综合定位精度要求为±5mm，为达到此要求，单个方向的定位精度须控制在±3mm以内。
1导向装置
起重机要精确定位，前提是起重机运行的轨迹首先必须是高重复精度的，导向装置因此而设计。其实常规起重机也含有导向装置，最简单的就是车轮的轮缘，对于轨距（跨度）相对于轮距较大的起重机还会设置水平导向轮。但这些导向装置的初衷仅是为了防止起重机脱轨、卡轨；在常规导向装置的限制之下，起重机水平方向的运行作的是微小的蛇形运动。在设计高定位精度的起重机时，对导向装置进行了改进，使起重机近似直线运行，可以说导向装置是提高起重机定位精度的基矗首先对采购回来的成品轨道进行加工，起重机轨道中一根作为导向轨，导向轨和水平导向轮配合作为起重机运行的导向，导向轨顶面和二个侧面进行机械加工，另一根运行轨（非导向轨），仅顶面经机械加工。加工后轨道本身的直线度和平面度大大改善。然后严格要求轨道的安装精度，轨道安装采用可调压板安装，导向轨经调整可以达到直线度每米±0.2mm，全长0.5mm。运行轨经调整可达直线度全长±2mm；与导向轨的平行度要求为：两轨道间距离最大偏差[2]为±2mm。此外，要求轨道安装接头处的高低差≦0.3mm，并将高处打磨，使过渡平滑；导向轨接头处的侧向错位≦0.2mm，凸出处打磨，过渡平滑；非导向轨接头处的侧向错位≦1mm；轨道安装接头处的间隙≤1mm。同一截面两根轨道的高度最大偏差为2mm。最后通过控制水平轮与轨道的间隙确保起重机近似直线运行，导向轨侧端梁的两端各设置一组水平导向轮，每个水平轮相对于轨道中心线的最大调整值为±1.5mm。调整时，通过偏心轴的转动，调整水平轮与轨道间的间隙，根据起重机运行情况，将总间隙调整为0.2～0.4mm，保证起重机全行程平稳、无卡滞的运行。起重机在全行程上最大的水平位移小于1mm，对某个固定位置水平位移的重复精度小于0.5mm。
2系统设计
桥式起重机主要包括以下3个系统：编码器信号和脉冲整形采集系统、旋转方向的判断和脉冲输出系统以及脉冲计数、高度计算和继电器输出系统。该系统的特点如下：第一，让起升高度更准确和直观的显示出来，并且起升高度控制更准确方便，节省地面的指挥资源。第二，本系统可替代常用机械限位，且系统精度高、量程广，精度为0.01m，范围为-99~327.66m，可以任意设置4组限位值，并给出最大电流为5A的干结点输出，能替代常用机械限位的所有功能。第三，本设备体积小巧功耗低，输入为AC220V电源。自带编码器电源，继电器输出，与外部电路隔离安全性高，安装替换方便。第四，本设备面板简洁、按键少、显示直观，通过数码管显示以及辅助发光二极管指示。该设备设置简单，突然断电也不会丢失数据。
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2.1编码器信号和脉冲整形采集系统
编码器信号采集处理电路，其包括顺序电性连接的电平自动转换电路、施密特整形电路、信号放大电路、信号转换电路，电平自动转换电路由4个二极管DA1，DA2，DA3，DA4组成桥式电路；桥式电路的两端分别接入一比较电源VCC1，将该桥式电路的输入端分别与编码器信号输入端相连。并且该桥式电路的输入端与编码器信号输入端之间还设计有一上拉电阻R5和R7，以适应集电极输出类型编码器。本电路可以有效的滤除现场产生的高感应电压和其他谐波干扰，而且在高频脉冲传输时保护效果好，输入信号不会发生畸变。本系统IC1带施密特整形功能，抗干扰能力强。常见编码器的电源电压在5~30V之间，且常见输出形式有推挽式和集电极开路两种，本系统的R1和R2是应对集电极开路的编码器而设计，且对推挽式编码器使用无任何影响。所以此电路适用于常见所有增量编码器。整形部分采用新型的施密特整形电路的输入端与桥式电路的输入端相连，且该施密特整形电路包括两组相互分别并联在桥式电路的输入端处的反相器组，其中，反相器组包括3个相互串联的反相器CD40106和两个CD4049。当信号经过CD40106之后，再通过CD4049反相器进行逻辑电平转换并用以驱动高速光耦工作，这种方式对于输入脉冲信号有形变和畸形的具有很好的整形处理能力及输出驱动力，使本系统采集到的信号更接近真实的方波信号，使后级处理更迅速准确。
2.2旋转方向的判断和脉冲输出系统
当脉冲信号经过施密特整形校正电路处理后驱动高速光耦工作，作一个电平的转换，以适应各种电压等级不同的编码器，当脉冲信号输入至高速光耦时，驱动内部发光二极管发光，进而导致光耦内部的光敏三极管导通，高速光耦供电与CD4013为同一路供电电源，光耦输出的最大幅值接近其供电电压。
3驱动装置
有了导向装置，我们确保了起重机的直线运行；有了定位装置，系统知道了设备现在处在什么位置；最后我们还要有精确的驱动机构，让起重机停在需要的位置。要声明的是，具有了导向装置和定位装置，传统的起重机驱动机构就已经可以满足定位要求。常规起重机变频调速的运行机构可以靠制动来满足定位要求，通过测试制动后的偏移量，采用提前制动的方法将起重机停在需要的位置。本套驱动装置采用的是伺服驱动系统，与常规变频调速相比伺服驱动具有恒扭矩、调速范围大、额定速度高、精度高的优势，理论上其精度可以精确到伺服电机转轴转动±1°的量。根据我们实际使用情况，控制电机转轴精确到±45°完全没有问题。以大车运行机构为例，车轮直径为380mm，最大运行速度15m/min，对应车轮转速12.57rpm。采用伺服电机驱动，减速器速比为201（伺服电机额定转速3000rpm，实际最高运转速度为2527rpm），伺服电机精度可控制在转动45°，对应车轮运行0.72mm；而对应的变频调速系统，传动系统减速器速比111.37（4级电机额定速度1400rpm），电动机可控制在一圈，对应车轮运行10.7mm。伺服系统的运行精度远远高于变频控制系统。通过伺服电机及伺服驱动的使用，彻底解决了驱动机构的精度问题，可以做到通过驱动装置直接停车到位，然后制动器才抱闸。
结语
通过多年的实践证明，工作人员在操作桥式起重机的过程中，还要不断加强桥式起重机设备的点检、维护、润滑管理，加强操作人员的责任意识和安全意识，不断加强学习和管理，加强对常见事故的预防能力，才能最大限度的避免安全事故的发生。
参考文献
[1]沈琛林.桥式起重机模拟器系统构建及关键技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.
[2]金文成.基于西门子PLC的桥式起重机安全监控管理系统[D].大连：大连理工大学，2014.
论文作者:李安辉
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
标签：起重机论文; 导向论文; 编码器论文; 电路论文; 脉冲论文; 精度论文; 施密特论文; 《中国西部科技》2019年第21期论文;