CN102259792B - 一种改进型正交式水平自动调节吊具及其水平调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进型正交式水平自动调节吊具及其水平调节方法，包括上吊梁、下吊梁、分段梁和水平翼梁；上吊梁顶面设置有一个吊耳；上吊梁与下吊梁在其中间位置相互正交放置，上吊梁底面安装有分段梁、分段梁的底面与下吊梁的底面相平；相互正交放置的下吊梁和分段梁之间形成四个端点，每相邻的下吊梁和分段梁的两个端点之间安装有一个水平翼梁，共安装有一对相互平行的水平翼梁，每个水平翼梁的两端分别固接在下吊梁和分段梁的底面，并分别与下吊梁和分段梁成水平45度角；每个水平翼梁底面上对称设置有一对吊钩。本发明克服了以往吊具结构质量过重的缺点，同时也克服了传统装卸方法在调节载荷水平时的费时、危险以及精度不高等缺点。

Description

一种改进型正交式水平自动调节吊具及其水平调节方法

技术领域

本发明涉及一种改进型正交式水平自动调节吊具及其水平调节方法，属于装卸吊运装置领域。

背景技术

在工业生产或国防建设中，常常需要进行载荷的装卸。

由于载荷昂贵及高精密性等原因，现场对装卸过程的水平度要求很高，并且需要进行精确定位，以避免点点接触、碰撞导致所装配的产品发生变形而遭到破坏。例如，在卫星装卸时为保证密封性和安全性，卫星下表面(即对接面)与底座之间应保证面面接触，同时避免碰撞；飞机、直升机的装配、吊运也应保证机体结构安全，不受损坏。

但是，通常情况下这些载荷的重心往往不居中，而是偏心于某一侧，因此在装卸时如果不进行重心补偿，使其保持水平，将很容易造成倾斜，势必影响装卸效率，甚至损坏产品。

另外，由于这些载荷体积和重量通常较大，传统的调节方式不但费时、精度不高，而且又由于吊索的柔性、自由度过大等原因会造成重物摆动不停，难以定位，危险性大，生产效率低。

传统的水平调节方法有很多种。比如通过目测并调节四根吊绳的长度来进行水平调节，这种人工操作的方式精度不高，而且完全凭着工作人员的经验和熟练程度进行试探和摸索，费时且不容易成功，同时由于有人员的现场参与，又存在着安全隐患。

又如通过移动天车在吊梁上的吊点位置来进行水平调节，虽然采用的是重心补偿的方法，这种方法既改变了载荷的力臂长度，同时又改变了配重块的力臂长度，它所引起的弯矩变化大，因而角度变化也剧烈。调节幅度虽然不大，但是容易造成摆动。而且由于整个载荷的重量都作用于吊点上，通过电机来移动吊点位置，必须要克服大摩擦力，这对电机的功率提出了很高的要求，相应地电机成本也会变得很高，尤其当载荷比较重时更是如此。

同等情况下采用移动配重块来进行重心补偿的方法，它仅仅通过改变配重块的力臂长度以改变配重力矩，所引起的水平倾角变化平稳。因而对驱动电机的要求和成本相比之下都较低。

另外，专利“一种正交式水平自动调节吊具及方法”提出了一种高稳定、高精度、高时效的调节吊具及方法，但该吊具结构中只有下吊梁承力，承力较大，导致该梁的设计质量相对较大。另外，每个翼梁只有中间端承力，承力方式不合理，承力力臂太大，导致翼梁的设计质量也会相对较大。

总之，现在装卸行业对新型、高效、安全的装卸吊运装置的需求十分迫切，传统的水平调节方法亟待改进，以上这些问题已引起相关科研机构的高度重视。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种改进型正交式水平自动调节吊具及其水平调节方法，它克服了以往吊具结构质量过重的缺点，同时也克服了传统装卸方法在调节载荷水平时的费时、危险以及精度不高等缺点。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种改进型正交式水平自动调节吊具，所述吊具包括上吊梁、下吊梁、分段梁和一对水平翼梁；上吊梁顶面的中间位置设置有一个吊耳；吊耳用来与天车吊钩或吊索相连；上吊梁与下吊梁在其中间位置相互正交放置、形成对称的“十”字型结构，上吊梁的底面与下吊梁的顶面固定连接、上吊梁底面被下吊梁分割为两段、每段均安装有一段分段梁、分段梁的底面与下吊梁的底面相平；相互正交放置的下吊梁和分段梁之间形成四个端点，每相邻的下吊梁和分段梁的两个端点之间安装有一个水平翼梁，共安装有一对相互平行的水平翼梁，每个水平翼梁的两端分别固接在下吊梁和分段梁的底面，并分别与下吊梁和分段梁成水平45度角；每个水平翼梁底面上对称设置有一对吊钩。四个吊钩可与吊绳连接，用来吊挂载荷。

本发明中，上吊梁和下吊梁均为由一对“E”型钢材连接而成的中空吊梁；每对E型钢材的中间突出部位形成一组相互平行的滑轨，每个中空吊梁内平行于滑轨设置有一个丝杆；每个中空吊梁内各设置有一个配重块，每个配重块两侧设置有凹槽、中心设置有螺纹孔，配重块的两侧凹槽与其所在的相应中空吊梁中的一组滑轨形成相互滑动连接关系；配重块的螺纹孔与丝杆螺纹连接；滑轨用于承受配重块的重量，同时将配重块的重量传递到上吊梁和下吊梁上；丝杠与滑轨平行并带动配重块沿滑轨移动。

本发明中，上吊梁和下吊梁中的丝杠的一端通过轴承与吊梁相连接，丝杠的另一端连接到减速箱的输出轴上、通过减速箱和伺服电机相连接，所述伺服电机安装于吊梁的一端。

本发明中，上吊梁和下吊梁的另一端分别设置有一个和伺服电机及减速箱质量相当的平衡块，用来抵消伺服电机及减速箱的质量引起的自身不平衡。

本发明中，上吊梁和下吊梁的内部中心位置分别设置有一个定位用复位开关。

本发明中，上吊梁上对称安装有两个倾角传感器，用来测量上吊梁的水平倾角和下吊梁的水平倾角。

本发明中，上吊梁上安装有一个控制器，用于接收倾角传感器传来的数据，并控制伺服电机。

本发明所述的改进型正交式水平自动调节吊具的水平调节方法步骤和原理解释如下：

步骤1：驱动两伺服电机，将两配重块分别移动到上吊梁、下吊梁的零点位置处，此状态为系统初始状态，以初始时刻的伺服电机的编码器角度为参考零度角；

步骤2：驱动上吊梁的伺服电机，将上吊梁的配重块移动到指定位置，而保持下吊梁的配重块的位置不变，仍然在零点位置上；

步骤3：系统稳定后，将倾角传感器所测得的上吊梁、下吊梁的水平倾角传递给控制器，并建立关于配重块位置和吊梁水平倾角的两个数学方程；

步骤4：驱动下吊梁的伺服电机，将下吊梁的配重块移动到另一指定位置，同时保持上吊梁的配重块位置不变；

步骤5：稳定后，再次将倾角传感器测得的吊梁水平倾角传递给控制器，从而又建立关于配重块位置和吊梁水平倾角的两个数学方程；

步骤6：联立这四个方程中的任意三个，计算出载荷质心的偏心位置参数，从而建立起配重块位置与吊梁水平倾角的数学模型；

步骤7：由该数学模型及求得的载荷质心的偏心位置参数，可以直接计算出使吊梁水平倾角为零时的配重块的目标位置；

步骤8：根据目标位置进行分布调节，从而保证调节过程的稳定和调节结果的精度。

本发明通过移动配重块位置来实现载荷水平的自动调节，具有快速、安全和高效的特性，解决了传统方法在调节载荷水平时的费时、危险等问题；而且通过丝杆可以精确控制配重块的位置，水平调节精度可达0.2度。

附图说明

图1是本发明改进型正交式自动水平调节吊具的整体结构示意图。

图2是本发明中空吊梁的结构及中空吊梁与配重块配合的结构示意图。

图3是本发明控制器、倾角传感器的装配位置示意图(去除了吊耳)。

图4是本发明水平翼梁和伺服电机、减速箱的空间位置示意图。

图5是载荷的重心位置示意图。

图6是本发明丝杠和中空吊梁以及配重块的空间位置示意图。

其中附图标记说明如下：

10、上吊梁；11、滑轨；12、连接件；13、定位用复位开关；14、分段梁；20、下吊梁；30、水平翼梁；31、水平翼梁上的吊钩；40、吊耳；51、伺服电机；52、减速箱；53、平衡块：60、控制器；70、倾角传感器；80、配重块；90、丝杠。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4和图6所示，本发明提供了一种改进型正交式水平自动调节吊具，所述吊具包括上吊梁10、下吊梁20、分段梁14和一对水平翼梁30；上吊梁顶面的中间位置设置有一个吊耳40；吊耳用来与天车吊钩或吊索相连；上吊梁与下吊梁在其中间位置相互正交放置、形成对称的“十”字型结构，上吊梁的底面与下吊梁的顶面固定连接、上吊梁底面被下吊梁分割为两段、每段均安装有一段分段梁、分段梁的底面与下吊梁的底面相平；相互正交放置的下吊梁和分段梁之间形成四个端点，每相邻的下吊梁和分段梁的两个端点之间安装有一个水平翼梁，共安装有一对相互平行的水平翼梁，每个水平翼梁的两端分别固接在下吊梁和分段梁的底面，并分别与下吊梁和分段梁成水平45度角；每个水平翼梁底面上对称设置有一对吊钩31。四个吊钩可与吊绳连接，用来吊挂载荷。

本发明中，上吊梁和下吊梁均为由一对“E”型钢材通过连接件12连接而成的中空吊梁；每对E型钢材的中间突出部位形成一组相互平行的滑轨11，每个中空吊梁内平行于滑轨设置有一个丝杆90；每个中空吊梁内各设置有一个配重块80，每个配重块两侧设置有凹槽、中心设置有螺纹孔，配重块的两侧凹槽与其所在的相应中空吊梁中的一组滑轨形成相互滑动连接关系；配重块的螺纹孔与丝杆螺纹连接；滑轨用于承受配重块的重量，同时将配重块的重量传递到上吊梁和下吊梁上；丝杠与滑轨平行并带动配重块沿滑轨移动。

本发明中，上吊梁和下吊梁中的丝杠的一端通过轴承与吊梁相连接，丝杠的另一端连接到减速箱52的输出轴上、通过减速箱和伺服电机51相连接，所述伺服电机安装于吊梁的一端。

本发明中，上吊梁和下吊梁的另一端分别设置有一个和伺服电机及减速箱质量相当的平衡块53，用来抵消伺服电机及减速箱的质量引起的自身不平衡。

本发明中，上吊梁和下吊梁的内部中心位置分别设置有一个定位用复位开关13。

本发明中，上吊梁上对称安装有两个倾角传感器70，所述倾角传感器可以是二维倾角传感器，用来测量上吊梁的水平倾角和下吊梁的水平倾角。

本发明中，上吊梁上安装有一个控制器60，用于接收倾角传感器传来的数据，并控制伺服电机。

本发明的水平调节方法原理为：

设定上吊梁和下吊梁的有效长度(即配重块能够从吊梁的一端移动到吊梁的另一端的距离)分别为L₁、L₂，通过机械设计，使上吊梁和下吊梁的有效长度的中点分别位于各自的中间位置。沿伺服电机指向对应平衡块的方向为正方向，设上吊梁和下吊梁中间位置为各自的零点位置。

首先，通过定位用复位开关，调节两伺服电机移动两配重块到达各自吊梁上的零点位置处，此状态为系统初始状态，以初始时刻的电机编码器角度为参考零度角。

然后，调节上吊梁的伺服电机驱动配重块使之移动到+L₁/4位置，而保持下吊梁的配重块的位置不变，仍然在零点位置上，+L₁/4和零点这两个位置信息便以直角坐标(+L₁/4，0)的形式表示出了两配重块的位置，并传递给控制器，而倾角传感器所测得的上吊梁、下吊梁的水平倾角也同时传递给了控制器，从而可以根据力学平衡与几何约束条件，建立关于配重位置和吊梁水平倾角的数学方程，如下式，共两个：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Mz}\sin {\mathrm{\θ}}_1+[m_{x}X+\mathrm{Mr}\cos \mathrm{\α}]\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}=0\\ \mathrm{Mz}{\sin \mathrm{\θ}}_2+[m_{y}Y+\mathrm{Mr}\sin \mathrm{\α}]\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}=0\end{array}\right.$

其中，M为载荷的质量；z，r，α表示载荷质心的偏心位置的三个参数(如图5所示)；m_x，m_y，X，Y分别为两配重块的质量及在两吊梁上的坐标位置；θ₁，θ₂分别为两吊梁的水平倾角。

上述方程表示了两配重块的位置与两吊梁的水平倾角的数学模型。但在该模型中，载荷质心的偏心位置的三个参数z，r，α都是未知的，需要先确定这三个参数。

因此驱动下吊梁的伺服电机，带动丝杠转动，从而将下吊梁的配重块移动到+L₂/4处，同时保持上吊梁的配重块位置仍为+L₁/4，即两配重块的坐标为(+L₁/4，+L₂/4)，稳定后又可以根据倾角传感器测得水平倾角θ₁，θ₂，从而又建立起关于配重位置和水平倾角θ₁，θ₂的两个数学方程。

这样，联立这四个方程中的任意三个，便可以计算出载荷质心的偏心位置的三个参数z，r，α。如果需要进一步提高精度，可以将四个方程中的任意三个分别联立，共四次，将所得质心偏心位置坐标取平均值。

这样，在确定了载荷质心的偏心位置之后，上述数学模型即确定了配重块位置与吊梁水平倾角之间的对应关系。因此，由该数学模型及求得的载荷质心的偏心位置参数，可以直接计算出使吊梁水平倾角为零时的两配重块的目标位置。

为保证水平调节过程的稳定性，可以分两步调节：首先通过上吊梁的伺服电机，调节上吊梁的配重块到达相应的目标位置，使得上吊梁先达到水平状态，这样系统的合成重心将出现在下吊梁上；然后调节下吊梁的伺服电机，进一步调节下吊梁的配重块，使其达到其目标位置，实现下吊梁的水平，从而保证吊梁表面的水平。

如果载荷质量不太大，以至于吊挂载荷所用的四根吊绳的伸长量相差不大，则可以近似认为当吊梁表面水平时，载荷的对接面也处于水平位置。

如果载荷质量很大，使得四根吊绳的伸长量很大且各不相同，那么会导致当两吊梁表面均水平时，载荷的对接面并不水平。这种情况下，由于吊绳长度的变化，使得系统的几何约束关系变得更为复杂，必须在吊绳上安装力传感器来实时检测吊绳张力，以便建立起配重块位置和载荷对接面水平倾角之间的数学模型。

建立的方法是：如果可以在载荷对接面上直接安装倾角传感器或者测距仪，则可以通过倾角传感器或者测距仪获得或计算出载荷对接面与水平面的倾角；如果不允许在载荷对接面上安装传感器，则可以在目标对接台的附近安装测距仪，通过距离的差值计算出载荷对接面的水平倾角。由于这种情况下，四根吊绳的长度可以根据各自的力传感器计算出来，因而可以根据上述的调节方法，首先将配重块移动到(+L₁/4，0)处，检测平衡后的倾角传感器的水平倾角，并根据力学平衡及几何约束条件，建立配重块位置与载荷对接面水平倾角的关系方程，共两个；然后将配重块移动到(+L₁/4，+L₂/4)处，再次得出两个方程，联立其中任意三个方程并联立求解。如果需要进一步提高精度的话，可以将四个方程中的任意三个分别联立，共四次，将所得质心偏心位置参数取平均值。这样，便可以确立配重块位置和载荷对接面水平倾角之间的数学模型。由该数学模型，便可计算出使载荷对接面水平的配重块目标位置。随后，移动配重块到该目标位置，即可以将载荷对接面调节到水平状态。

本发明通过移动配重块位置来实现载荷水平的自动调节，具有快速、安全和高效的特性，解决了传统方法在调节载荷水平时的费时、危险等问题；而且通过丝杆可以精确控制配重块的位置，水平调节精度可达0.2度。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种改进型正交式水平自动调节吊具，其特征在于：所述吊具包括上吊梁、下吊梁、分段梁和一对水平翼梁；上吊梁顶面的中间位置设置有一个吊耳；上吊梁与下吊梁在其中间位置相互正交放置、上吊梁的底面与下吊梁的顶面固定连接、形成对称的“十”字型结构；上吊梁底面被下吊梁分割为两段、每段均安装有一段分段梁、分段梁的底面与下吊梁的底面相平；相互正交放置的下吊梁和分段梁之间形成四个端点，相邻的下吊梁和分段梁的两个端点之间安装有一个水平翼梁、共安装有一对相互平行的水平翼梁，每个水平翼梁的两端分别固接在下吊梁和分段梁的底面、分别与下吊梁和分段梁成水平45度角；每个水平翼梁底面、靠近水平翼梁的端部对称设置有一对吊钩。

2.如权利要求1所述的改进型正交式水平自动调节吊具，其特征在于：上吊梁和下吊梁均为由一对相向安装的“E”型钢材连接而成的中空吊梁；每对E型钢材的中间突出部位在中空吊梁内形成一组相互平行的滑轨，每个中空吊梁内平行于滑轨设置有一个丝杆；每个中空吊梁内各设置有一个配重块，每个配重块两侧设置有凹槽、中心设置有螺纹孔，配重块的两侧凹槽与其所在的相应中空吊梁中的一组滑轨形成相互滑动连接关系；配重块的螺纹孔与丝杆螺纹连接。

3.如权利要求2所述的改进型正交式水平自动调节吊具，其特征在于：上吊梁和下吊梁中的丝杆的一端通过轴承与吊梁相连接，丝杆的另一端连接到减速箱的输出轴上、通过减速箱和伺服电机相连接，所述伺服电机安装于吊梁的一端。

4.如权利要求3所述的改进型正交式水平自动调节吊具，其特征在于：上吊梁和下吊梁的另一端分别设置有一个和伺服电机及减速箱质量相当的平衡块，用来抵消伺服电机及减速箱的质量引起的自身不平衡。

5.如权利要求4所述的改进型正交式水平自动调节吊具，其特征在于：上吊梁和下吊梁的内部中心位置分别设置有一个定位用复位开关。　

6.如权利要求5所述的改进型正交式水平自动调节吊具，其特征在于：上吊梁上对称安装有两个倾角传感器，用来测量上吊梁的水平倾角和下吊梁的水平倾角。

7.如权利要求6所述的改进型正交式水平自动调节吊具，其特征在于：上吊梁上安装有一个控制器，用于接收倾角传感器传来的数据，并控制伺服电机。　

8.权利要求1-7之任一所述的改进型正交式水平自动调节吊具的水平调节方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤1：驱动两伺服电机，将两配重块分别移动到上吊梁、下吊梁的零点位置处，此状态为系统初始状态，以初始时刻的伺服电机的编码器角度为参考零度角；

步骤2：驱动上吊梁的伺服电机，将上吊梁的配重块移动到指定位置，而保持下吊梁的配重块的位置不变，仍然在零点位置上；

步骤3：系统稳定后，将倾角传感器所测得的上吊梁、下吊梁的水平倾角传递给控制器，并建立关于配重块位置和吊梁水平倾角的两个数学方程；

步骤4：驱动下吊梁的伺服电机，将下吊梁的配重块移动到另一指定位置，同时保持上吊梁的配重块位置不变；

步骤5：稳定后，再次将倾角传感器测得的吊梁水平倾角传递给控制器，从而又建立关于配重块位置和吊梁水平倾角的两个数学方程；

步骤6：联立这四个方程中的任意三个，计算出载荷质心的偏心位置参数，从而建立起配重块位置与吊梁水平倾角的数学模型；

步骤7：由该数学模型及求得的载荷质心的偏心位置参数，可以直接计算出使吊梁水平倾角为零时的配重块的目标位置；

步骤8：根据目标位置进行分布调节，从而保证调节过程的稳定和调节结果的精度。

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