CN101891109B - 一种双自由度调节自动水平式吊具及调节方法 - Google Patents

Abstract

一种双自由度调节自动水平式吊具及调节方法，通过倾角传感器判断当前水平度，利用电机驱动主吊滑块在水平面内移动，从而调整被吊物体姿态的自动式吊具。吊具使用无线手持器对吊具进行控制操作，具有手动和自动两种控制方式，操作者可根据实际吊装情况选用。姿态调整操作结束，吊具可自动测量并计算出被吊物品的重量及质心位置，并将该信息与吊具当前的状态信息显示在手持器上。该吊具主要用于大型装备总装过程中的精确垂直对接吊装操作，避免由于被吊物体质心不明，起吊后姿态不满足要求而造成的反复调整和起吊，减少了复杂操作过程所带来的安全隐患，同时提高了吊装操作效率。

Description

一种双自由度调节自动水平式吊具及调节方法

技术领域

本发明涉及一种双自由度调节自动水平式吊具及调节方法，适用于大型装备总装过程中的精确垂直对接吊装操作，属于机械技术领域。

背景技术

在大型装备的总装过程中，经常会出现两个大型结构件进行吊装垂直对接的操作，该操作对吊装结构姿态要求高，两个对接面要求在一定的水平度范围内，才能保证安装的精度。传统吊具在使用的过程中通过改变吊绳的方式来调整被吊物体的姿态，通常情况下被吊物体的质心位置未知，操作者需要借助经验来判断四条吊绳调整长度，通过反复起吊操作最终实现姿态的改变。另外在对接面水平度的判断方面主要靠目测来判断，判断误差大，经常会导致姿态调整的反复。这种吊装方式不仅效率低，而且反复起吊增加了操作风险和安全隐患，对操作者的操作熟练程度要求高。

现有的具有调平功能的吊具主要是单梁形式，利用气动或者液压的方式实现调平，结构复杂，容易出现泄露问题，不适用于对洁净度要求较高的场所，另外单梁形式的吊具只能在一个方向上实现调平，并不能实现安装面的调平。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可自动判断被吊物体质心，在操作者的控制之下，自动实现被吊物体姿态调整从而一次性的完成两个大型结构件对接的自动化吊具。

本发明的技术解决方案是：

一种双自由度调节自动水平式吊具，包括主吊滑块、滑动框架、两台直流电机、两个固定梁、两个调节梁、四个悬挂滑块、四个移动支撑轮、第一滚珠丝杠副、第二滚珠丝杠副、控制机箱、两个连接梁、倾角传感器、第一组直线导轨、第二组直线导轨和四个花篮螺丝；

两个固定梁与两个调节梁呈井字形连接，调节梁可沿着固定梁移动，连接梁两端分别安装在两个固定梁上方，用于结构加强并为控制机箱提供安装接口；四个移动支撑轮安装在固定梁下方，用于吊具在地面的停放和移动，同时限制调节梁的移动距离；第一组直线导轨安装在两个固定梁上方，第二滚珠丝杠副安装在两个连接梁之间，滑动框架两端安装在第一组直线导轨上，在第二滚珠丝杠副的作用下沿第一组直线导轨移动；第二组直线导轨安装在滑动框架上方，方向与第一组直线导轨垂直；移动框架内部安装第一滚珠丝杠副，主吊滑块安装在第二组直线导轨上方并在第一滚珠丝杠副作用下沿该导轨移动；上述第一滚珠丝杠副与第二滚珠丝杠副的主动端分别安装直流电机；倾角传感器安装在控制机箱内部，用于测量吊具的倾斜角度；控制机箱安装在两个固定梁的内侧，控制机箱接收倾角传感器的信号，并根据该信号控制直流电机驱动主吊滑块移动，以调整吊具姿态；四个花篮螺丝通过悬挂滑块分别与调节梁连接并可沿着调节梁移动，使得该吊具可以适合不同尺寸被吊物体的吊装操作。

控制机箱内包括倾角传感器、充电器、工控机、电池组、配重块和无线通讯模块；工控机用来处理接收到的信号以及控制直流电机工作，电池组用来给吊具的各部分供电，充电器用来给电池组充电，无线通讯模块用来实现吊具和手持遥控器之间的无线通信，配重块用来保证吊具系统自身重量的配平，电池组为锂电池组。

第一滚珠丝杠副与第二滚珠丝杠副的从动端还分别安装用于保证安全的角位移传感器，所述角位移传感器采集主吊滑块的移动数据并发送给控制机箱，由控制机箱根据公式

S＝L×(s1/s2)

计算主吊滑块的移动距离，即被吊物体的水平质心位置，控制机箱根据计算得出的主吊滑块的移动距离控制主吊滑块的移动在直线导轨的范围之内，以保证吊装设备时的安全性；其中L是丝杠旋转一圈轴向移动距离，s1是角位旋转距离，s2是角位单圈旋转距离。

倾角传感器采用双轴倾角传感器，精度为0.1°，测量范围在±75°之间。

一种双自由度调节自动水平式吊具调节方法，步骤如下：

(a)根据被吊物体的大小调整悬挂滑块的位置，可通过吊具上的标尺进行位置参考，还可调整花篮螺丝的长度，保证吊具的基准水平度与被吊物体对接面的水平度大体一致；

(b)将主吊滑块与吊装设备的吊钩相连接，接通吊具和手持遥控器电源开关，由控制机箱进行初始化和自检，判断吊具自身的电力状态，主吊滑块位置归零，检测系统各部分是否处于正常状态，并将检测信息显示在手持遥控器上；

(c)吊装设备将吊具连同被吊物体吊起，在起吊的过程中，由于质心的偏移，吊具自身开始发生倾斜，此时倾角传感器采集吊具的倾斜姿态信息，并实时的将信号通过串行接口反馈给控制机箱；

(d)控制机箱根据步骤(c)中得到的倾角传感器采集的倾斜姿态信息控制相应的直流电机工作，使主吊滑块沿着两组直线导轨的方向分别移动；操作者可根据工况选择手动和自动两种控制方式，选用手动控制时，操作者通过手持遥控器上显示的倾角信息控制主吊滑块的移动方向和移动距离，从而控制吊具的姿态，直至满足被吊物体水平姿态要求，进而调整结束；在进行自动控制时，控制机箱根据倾角传感器采集的倾斜姿态信息控制相应的直流电机工作，不断调整吊具的姿态，当两个倾角传感器测量到的角度值均为零时，吊具以及被吊物体处于水平状态，调整过程结束。

步骤(d)中完成被吊物体水平状态调节过程的同时，跟据角位移传感器采集到的信号，控制机箱根据公式

S＝L×(s1/s2)

计算主吊滑块移动距离，即被吊物体的水平质心位置，控制机箱根据计算得出的主吊滑块的移动距离控制主吊滑块的移动在直线导轨的范围之内，以保证吊装设备时的安全性；其中L是丝杠旋转一圈轴向移动距离，s1是

角位旋转距离，s2是角位单圈旋转距离

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明可自动判断被吊物体的质心位置，自动完成吊具姿态的调整，能够自动实现对接面的调平，且一次起吊即可完成被吊设备的水平调整，克服了传统吊具需要反复起吊而带来的操作风险和安全隐患，优化了操作流程，提高了操作效率；采用直流电动驱动主吊点移动的方式进行吊具的姿态调平，吊具结构简单，自重轻，操作简单有效，彻底避免泄漏问题，使用过程无污染，能够应用在对洁净度要求较高的场所；

(2)本发明实现一次性吊装的同时，利用角位移传感器采集主吊滑块的移动信息可计算出主吊滑块的移动距离，控制机箱会将主吊滑块的移动距离控制在直线导轨的范围之内，以保证在自动调节主吊滑块位置的过程中不会出现主吊滑块超出直线导轨范围的现象，保证吊装过程中的安全性；

(3)本发明使用锂电池组进行供电，减少了连接电缆，并且采用低压供电，吊装过程中的用电安全性得到保证；此外，锂电池相比铅酸蓄电池具有重量轻、体积小、启动电流大、不含电解液无污染等优点，更适合应用在吊具类产品上；

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明驱动机构剖视图；

图3为本发明控制机箱剖视图；；

图4为本发明操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1和图2所示，本发明包括主吊滑块1、滑动框架2、两台直流电机3、两个固定梁4、两个调节梁5、四个悬挂滑块6、四个移动支撑轮(7)、第一滚珠丝杠副8、第二滚珠丝杠副16、控制机箱9、两个连接梁10、倾角传感器12、第一组直线导轨13、第二组直线导轨14和四个花篮螺丝15；

两个固定梁4与两个调节梁5通过螺栓呈井字形连接，调节梁5通过燕尾槽连接件可沿着固定梁4移动，连接梁10两端通过螺栓分别安装在两个固定梁4上方，用于结构加强并为控制机箱9提供安装接口；四个移动支撑轮7通过螺栓安装在固定梁4下方，用于吊具在地面的停放和移动，同时限制调节梁5的移动距离；第一组直线导轨13通过螺钉安装在两个固定梁4上方，第二滚珠丝杠副16通过轴承支座安装在两个连接梁10之间，滑动框架2两端通过螺钉安装在第一组直线导轨13上，在第二滚珠丝杠副16的作用下沿第一组直线导轨13移动；第二组直线导轨14通过螺钉安装在滑动框架2上方，方向与第一组直线导轨13垂直；移动框架2内部通过轴承座安装第一滚珠丝杠副8，主吊滑块1通过螺钉安装在第二组直线导轨14上方并在第一滚珠丝杠副8作用下沿该导轨移动；上述第一滚珠丝杠副8与第二滚珠丝杠副16的主动端分别安装直流电机3；倾角传感器12安装在控制机箱9内部，用于测量吊具的倾斜角度；控制机箱9安装在两个固定梁4的内侧，控制机箱9接收倾角传感器12的信号，并根据该信号控制直流电机3驱动主吊滑块1移动，以调整吊具姿态；四个花篮螺丝15通过悬挂滑块6分别与调节梁5连接并可沿着调节梁5移动，使得该吊具可以适合不同尺寸被吊物体的吊装操作。

如图3所示，控制机箱9分为两个部分，分别安装在两个固定梁4的内侧，控制机箱9内包括倾角传感器12、充电器17、工控机18、电池组19、配重块20和无线通讯模块21；工控机18用来处理接收到的信号以及控制直流电机工作，电池组19用来给吊具的各部分供电，充电器17用来给电池组充电，无线通讯模块21用来实现吊具和手持遥控器之间的无线通信，配重块20用来保证吊具系统自身重量的配平，控制机箱9内部的这些部件可以按照图3所示位置安装固定，也可以按照其他位置、其他方式安装固定，配重块的数量和位置灵活掌握，只需要最终保证吊具系统自身重量的平衡即可。

第一滚珠丝杠副8与第二滚珠丝杠副16的从动端还分别安装用于保证安全的角位移传感器11，所述角位移传感器11采集主吊滑块1的移动数据并发送给控制机箱9。

如图4所示，本发明的操作步骤如下：

(1)根据被吊产品吊点位置调整悬挂吊点之间的距离，可通过吊具上的标尺进行位置参考，还可调整吊具花篮螺丝的长度，保证吊具的基准水平度与被吊物体的对接面一致；

(2)将吊具主吊滑块与吊装设备的吊钩相连接，吊点滑块与被吊物体吊点连接，接通吊具和手持器电源开关，吊具控制系统进行初始化和自检，吊具判断自身的电力状态，主吊滑块位置归零，检测系统各部分是否处于正常状态，并将检测信息显示在手持器上；

(3)吊装设备将吊具连同被吊物体吊起，在起吊的过程中，由于质心的偏移，吊具自身开始发生倾斜，此时倾角传感器采集吊具的姿态信息，倾角传感器主要分为单轴和双轴两种，根据本产品的功能需求，选用了精度为0.1°，测量范围在±75°之间的双轴倾角传感器。倾角传感器可用于实时测量吊具当前的水平状态值，并将信号实时通过串行接口反馈给控制机箱，当X轴与Y轴均为零时，判定此时吊具水平，X轴与Y轴即为两组直线导轨的方向；

(4)操作者可根据工况选择手动和自动两种控制方式，选用手动控制时，操作者可直接根据手持器上显示的倾角信息和提示信息，控制吊具主吊滑块的移动方向和移动距离，从而控制吊具的姿态，直至满足被吊物体姿态要求，调整结束。在进行自动控制时，吊具根据倾角传感器采集的信息自动判断吊具主吊点滑块的移动方向和距离，当X轴与Y轴测量的角度值均为零时，判定此时吊具水平，调整结束，X轴与Y轴即为两组直线导轨指向的方向，夹角90度；

(5)完成后续的吊装任务，吊装操作结束。

本发明的控制和质心、质量测量原理如下：

整个控制系统除手持遥控器外都是由锂电池组供电来维持系统的稳定运行，同时配有充电器在其不工作的状态下为其充电，充电接口设置在吊具的状态控制面板上。其中由控制机箱来控制和监测吊具上各分系统的状态：

(1)控制机箱通过串行接口给模拟、数字输出模块传送指令，使模块产生0～5V电压信号(控制电机转速)和开关量电平信号(控制电机转向)，信号发送给电机驱动器，驱动器根据不同信号驱动电机工作，电机带动主吊滑块运动，以达到调整整个吊具姿态。

(2)吊具在x轴和y轴分别配备了一个角位移传感器，通过角位移传感器对主吊滑块的运动状态进行数据采集，并实时通过串行接口反馈给控制机箱。再由控制机箱根据：

a.移动距离(S)＝丝杠旋转一圈轴向移动距离(L)×丝杠旋转圈数(N)

b.丝杠旋转圈数(N)＝角位旋转距离(s1)/角位单圈旋转距离(s2)

由机械特性可以知道丝杠旋转一圈轴向移动距离。故此推算出主吊滑块所在位置：S＝L×(s1/s2)，通过该位置可判断被吊物体的水平质心位置，即主吊滑块的移动距离。

角位移传感器分为电感式：例如旋转变压器；光感式：例如光栅编码器；电磁式：感应同步器等类型。现在市面上有多种型号的角位移传感器：有北京磁通伟业的WYH-3、武汉康宇通达的RVIT-15-120I、北京飞博尔的FB-900C等等；本发明选用的是北京飞博尔的FB-900C。角位移传感器可测量出主吊滑块的移动距离，控制机箱会将主吊滑块的移动距离控制在规定的范围之内，保证吊装过程中的安全性，因为根据被吊设备形状、质心的不同，有可能当直流电机驱动主吊滑块移动已经达到直线导轨边缘的时候，整体还没有达到调平标准，这个时候如果没有控制，就会发生危险，所以根据角位移传感器能够推算出主吊滑块的移动距离，以达到控制主吊滑块的移动范围的目的，进而保证起吊调平过程中的安全。控制机箱可以根据移动距离与倾斜角度的关系调整电机运行状态，使得一次起吊即可平稳完成被吊设备的水平调整。

(3)倾角传感器是调平系统最重要的部分，它将吊点调节机构的倾斜状态反馈给控制机箱，得以实现整个控制系统的完整运行。

(4)称重传感器用来测量被吊物体的重量，再通过串口将数据反馈给控制机箱。控制机箱再根据得到的重量来执行相应的调节移动策略。

(5)吊点调节机构的运动是由限位装置进行限制保护，限位开关分为机械式限位开关、光感式限位开关、电感式限位开关、电容式限位开关等。由于被吊物体的质量大，并且价格昂贵，所以使用可靠性最高的机械式行程开关。限位开关把位置限位状态反馈给串行接口。当达到限位状态后，电机自动停止工作，且只能相反方向移动。

(6)控制机箱通过串口通讯与手持遥控器进行一对一的信息交互，控制机箱将根据收集传感器的数据，推导出目前吊具的状态，再将状态的数据信息通过无线通讯模块传递给手持遥控器，手持遥控器接收数据后将数据显示在屏幕上供操作者参考，并等待操作者的指令，将指令回传给控制机箱。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种双自由度调节自动水平式吊具，其特征在于：包括主吊滑块(1)、滑动框架(2)、两台直流电机(3)、两个固定梁(4)、两个调节梁(5)、四个悬挂滑块(6)、四个移动支撑轮(7)、第一滚珠丝杠副(8)、第二滚珠丝杠副(16)、控制机箱(9)、两个连接梁(10)、倾角传感器(12)、第一组直线导轨(13)、第二组直线导轨(14)和四个花篮螺丝(15)；

两个固定梁(4)与两个调节梁(5)呈井字形连接，调节梁(5)可沿着固定梁(4)移动，连接梁(10)两端分别安装在两个固定梁(4)上方，用于结构加强并为控制机箱(9)提供安装接口；四个移动支撑轮(7)安装在固定梁(4)下方，用于吊具在地面的停放和移动，同时限制调节梁(5)的移动距离；第一组直线导轨(13)安装在两个固定梁(4)上方，第二滚珠丝杠副(16)安装在两个连接梁(10)之间，滑动框架(2)两端安装在第一组直线导轨(13)上，在第二滚珠丝杠副(16)的作用下沿第一组直线导轨(13)移动；第二组直线导轨(14)安装在滑动框架(2)上方，方向与第一组直线导轨(13)垂直；滑动框架(2)内部安装第一滚珠丝杠副(8)，主吊滑块(1)安装在第二组直线导轨(14)上方并在第一滚珠丝杠副(8)作用下沿该导轨移动；上述第一滚珠丝杠副(8)与第二滚珠丝杠副(16)的主动端分别安装直流电机(3)；倾角传感器(12)安装在控制机箱(9)内部，用于测量吊具的倾斜角度；控制机箱(9)安装在两个固定梁(4)的内侧，控制机箱(9)接收倾角传感器(12)的信号，并根据该信号控制直流电机(3)驱动主吊滑块(1)移动，以调整吊具姿态；两个花篮螺丝(15)分别通过各自的悬挂滑块(6)与一个调节梁(5)连接并可沿着该调节梁(5)移动，而另两个花篮螺丝(15)也分别通过各自的悬挂滑块(6)与另一个调节梁(5)连接并可沿着该另一个调节梁(5)移动，使得该吊具可以适合不同尺寸被吊物体的吊装操作。

2.根据权利要求1所述的一种双自由度调节自动水平式吊具，其特征在于所述控制机箱(9)内包括倾角传感器(12)、充电器(17)、工控机(18) 、电池组(19)、配重块(20)和无线通讯模块(21)；工控机(18)用来处理接收到的信号以及控制直流电机工作，电池组(19)用来给吊具的各部分供电，充电器(17)用来给电池组充电，无线通讯模块(21)用来实现吊具和手持遥控器之间的无线通信，配重块(20)用来保证吊具系统自身重量的配平。

3.根据权利要求2所述的一种双自由度调节自动水平式吊具，其特征在于所述电池组(19)为锂电池组。

4.根据权利要求1所述的一种双自由度调节自动水平式吊具，其特征在于所述第一滚珠丝杠副(8)与第二滚珠丝杠副(16)的从动端还分别安装用于保证安全的角位移传感器(11)，所述角位移传感器(11)采集主吊滑块(1)的移动数据并发送给控制机箱(9)，由控制机箱(9)根据公式

S＝L×(s1/s2)

计算主吊滑块(1)的移动距离，即被吊物体的水平质心位置，控制机箱(9)根据计算得出的主吊滑块(1)的移动距离控制主吊滑块(1)的移动在直线导轨的范围之内，以保证吊装设备时的安全性；其中L是丝杠旋转一圈轴向移动距离，s1是角位旋转距离，s2是角位单圈旋转距离。

5.根据权利要求1所述的一种双自由度调节自动水平式吊具，其特征在于所述倾角传感器(12)采用双轴倾角传感器，精度为0.1°，测量范围在±75°之间。

6.一种基于权利要求4所述的双自由度调节自动水平式吊具的调节方法，其特征在于步骤如下：

(a)根据被吊物体的大小调整悬挂滑块的位置，可通过吊具上的标尺进行位置参考，还可调整花篮螺丝的长度，保证吊具的基准水平度与被吊物体对接面的水平度大体一致；

(b)将主吊滑块与吊装设备的吊钩相连接，接通吊具和手持遥控器电源开关，由控制机箱进行初始化和自检，判断吊具自身的电力状态，主吊滑块位置归零，检测系统各部分是否处于正常状态，并将检测信息显示在手持遥控器上；

(c)吊装设备将吊具连同被吊物体吊起，在起吊的过程中，由于质心的偏移，吊具自身开始发生倾斜，此时倾角传感器采集吊具的倾斜姿态信息，并实时的将信号通过串行接口反馈给控制机箱；

(d)控制机箱根据步骤(c)中得到的倾角传感器采集的倾斜姿态信息控制相应的直流电机工作，使主吊滑块沿着两组直线导轨的方向分别移动；操作者可根据工况选择手动和自动两种控制方式，选用手动控制时，操作者通过手持遥控器上显示的倾角信息控制主吊滑块的移动方向和移动距离，从而控制吊具的姿态，直至满足被吊物体水平姿态要求，进而调整结束；在进行自动控制时，控制机箱根据倾角传感器采集的倾斜姿态信息控制相应的直流电机工作，不断调整吊具的姿态，当两个倾角传感器测量到的角度值均为零时，吊具以及被吊物体处于水平状态，调整过程结束。

7.根据权利要求6所述的一种双自由度调节自动水平式吊具调节方法，其特征在于：所述步骤(d)中完成被吊物体水平状态调节过程的同时，跟据角位移传感器采集到的信号，控制机箱根据公式

S＝L×(s1/s2)

计算主吊滑块移动距离，即被吊物体的水平质心位置，控制机箱根据计算得出的主吊滑块的移动距离控制主吊滑块的移动在直线导轨的范围之内，以保证吊装设备时的安全性；其中L是丝杠旋转一圈轴向移动距离，s1是角位旋转距离，s2是角位单圈旋转距离。 

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