CN102621935A - 四轴运动控制搭载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四轴运动控制搭载装置，其特征是该装置能将物体通过搭载装置在一定空间范围内自由移动，并由控制台控制速度和方位，实现搭载物体快速、精确的移动，所述的搭载设备由四个彼此独立的伺服电机通过钢丝绳悬吊起来，利用四轴数控运动控制系统实现联合运动，所述的控制台设有两个模拟量操纵杆，将控制信号传递给四台伺服控制器，实现伺服电机的速度和方位的改变，从而实现搭载装置的定向移动，本装置结构简单，使用方便，安装容易，可用于且不限于货物的装卸、搬运及各种设备的搭载使用，适合用于空间跨度大而无法安装起重设备的货物频繁移动领域。

Description

四轴运动控制搭载装置

技术领域

本发明涉及一种利用数控运动控制产品和工业自动化产品共同开发的运动装置，其特征是移动搭载装置通过钢丝绳与四个方向上的伺服电机相连，利用智能控制器将人的操作指令传输给伺服运动控制器，控制四个运动电机轴的收放，实现装置的移动，利用钢丝绳的长度，可以实现大范围跨度的搭载设备移动的目的。

背景技术

目前，传统的吊装设备均为由三相异步电机或液压设备做为动力，运动方式单一，只能水平或垂直方向运动，不能在立体空间中任意方向运动，并且设备笨重，需要有较高的厂房安装，且安装方式为永久固定，空间跨度非常有限，针对这些吊装设备的缺陷，我们发明了一种利用工业伺服电机为动力、具有跨度范围大(最大范围可有：长300m X宽300m X高30m)、安装简单、操作灵便、可在安装空间内任意运动，并且能精确位置停车的运动控制搭载装置。

发明内容

为了克服现有的起重吊装设备不能拆装和不能在超大空间安装的不足，本发明提供一种新型的四轴移动吊运装置，利用数控运动控制产品和工业自动化产品共同开发的运动装置，其特征是利用智能控制器将人的操作指令传输给伺服运动控制器，控制四个卷扬的收放，利用钢丝绳的长度，可以实现大范围跨度的搭载设备移动的目的。可以不按传统的直线方式运行，通过控制四台数控伺服电机的方向和速度，可以实现搭载物体在空间中进行任意运动，并以最短距离移动到目的地。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用数控运动控制产品上的精确性和快速性好的特征，将伺服电机做为卷扬装置的动力，安装在四边形的四个角上，在其上方相同高度各固定一个定滑轮，卷扬上的钢丝绳通过上方的定滑轮后，汇集在搭载设备平台上，搭载设备再悬挂被移动的物体，操作人员通过操纵杆控制搭载装置的移动方向，操作指令传输给智能控制器后，经过速度和位移的运算，再将控制信号通过网络传递给四台伺服控制器，驱动四个伺服电机以各不相同的速度运行，从而实现搭载装置的定向移动，通过操作人员的控制，搭载装置可做直线、曲线、斜线等任意方向上的运动，实现物体的立体空间运动中的任意运动。

本装置主要是由一套智能控制器和四套伺服控制器组成，彼此独立成分布式结构，智能控制器安装在操作台，四台伺服安装在四个卷扬柜中，为保证控制指令的同时性，本装置选择由一套智能控制器完成指令计算，智能控制器与四个伺服控制器之间通过工业总线网络PROFIBUS实现通信，使得四个伺服控制器能同时接受到运行指令，保证四个伺服电机能同时启动，同时停止，也减少了设备之间的电缆连线。

本发明设有一个操作台，上面有两个操纵杆，每个操纵杆都具有四个方向上的控制，操纵杆还能够顺时针方向旋转，以此可以改变设备的移动速度。左边的操作杆控制设备的运行的高度，右边的操纵杆控制设备的前后左右运动，两个操纵杆配合动作，可让装置按照操作人员的指令做任意方向上的运动，或直线运行，或曲线运行，或螺旋上升运行，都能实现，人员随意操作，便按操作方向运动。

搭载装置平台由两个金属框架构成，具有陀螺仪的平衡功能，使得被搭载的物体在移动过程中保持垂直向下，增加物体的动态平衡性。使被移动物体不容易晃动，利用该特性可以搬运没有密封的液体，或搭载人员移动。

电机和卷扬装置连接使用减速机相联，同时卷扬上设计有自动排线器，可根据减速机齿轮的旋转，带动排线器的螺杆旋转，带动排线器的左右移动，实现自动排线。

搭载装置在运动过程中，具有设定最大行程范围保护，当运行过程超过设定值时，系统会自动停机，只能向其他方向运动，便于设备进行自我保护。该功能是通过预先设置好空间边界的尺寸，伺服电机实时将信号反馈给控制器，当移动的位置等于或大于设置边界尺寸时，系统将自动停止该方向上的继续运动，实现保护功能。

我们选择的伺服电机具有自动抱闸装置，电机一停止旋转，抱闸装置启动，将电机轴进行抱闸制动，即能实现精确停车，又能防止电机溜车，因此，移动装置可以长时间的悬停在空中。抱闸装置是集成在电机内部，安装在电机轴上的电气自动抱闸装置，当电机有运行信号时，抱闸自动打开，当有停车信号时，又会自动抱闸，防止电机出现自由旋转或溜车现象。

为保证设备的安全性，当有一根钢丝绳出现断线时，系统将自动由其他两根钢丝绳承担负载的重量，搭载装置依然能在空中保持平衡，可继续控制其运行至安全检修位置，设备选型时按两个电机能承担所允许的最大负荷设计。

操作台上还设有一个故障复位按钮和一个急停按钮，设备出现故障时，按故障复位按钮进行故障复位，紧急情况下按下急停按钮，可实现自动快速停车。

解决的技术难点是，如何让四台伺服电机合理有效果的控制一个设备的空间运动，保证设备的稳定的运动，我们针对本系统的特性自主设计了空间运动控制算法程序，通过空间立体几何关系式和物体运动方程式的综合应用，建立起四个电机的空间运动方程式。通过实时计算物体的位置、高度、角度，来计算每台电机所需要的运动方向和速度的大小，从而实现四个电机的运动控制，最终实现四个伺服电机来控制一个物体的空间运动。

本发明的有益效果是，可以在任意空间大小中安装使用，不受场地的大小和安装空间的约束，本装置结构简单，使用方便，安装容易，可用于且不限于货物的装卸、搬运及各种设备的搭载使用，适合用于空间跨度大而无法安装起重设备的领域，实现搭载物体的立体空间的精确运动。

附图说明

下面结合附图和实施对本发明做进一步的说明。

图1是四轴运动控制搭载装置的工作原理图

图2是四轴运动控制搭载装置的工作流程理图

图3是伺服电机及卷扬设备的连接图

图4是卷扬和排线器连接图

图5是伺服控制器的安装示意图

图6是卷扬柜的柜内安装侧示图

图7是搭载装置悬吊装置整体示意图

图8是搭载装置承重框架结构图

图9是搭载装置水平框架示意图

图10是搭载装置水平框架结构图

图11是操作台控制面板图

图12是操作台柜内PLC安装图

图13是伺服电源模块原理图

图14是伺服控制模块原理图

图15是PLC模拟量信号输入模块原理图

如图1所示，被移动的物体由四根绳索悬吊，四根绳索通过定滑轮后，缠绕在四个卷扬机上，并由伺服电机作动力带动卷扬，使物体按照操作人员的操作方向进行运动。物体可以在这一区间内，可以做上下左右前后或斜线、曲线等运动，四个电机可以实现快速换向、快速启动和快速停车。四个伺服电机的速度大小和方向由智能控制器给出，做为控制和运算中心，实现各种运算指令的控制。

图1中，各部设备的名称为：1.1号定滑轮，2.2号定滑轮，3.3号定滑轮，4.4号定滑轮，5.排线器，6.卷扬，7.伺服电机，8.搭载装置，9.货物，10.钢丝绳，11.操作台，12.操纵杆，13.PLC智能控制器

图2是本系统的工作流程图

如图2所示，为进一步说明系统的组成和工作情况，我们将系统的工作分成以下几部分，控制台、PLC控制器、伺服控制单元，工作流程为：操作人员通过操作杆，将运行指令传递给PLC控制器的接收模块，然后PLC控制器根据接收到的运动控制信号，进行四个方向上的矢量运算，得出每台伺服电机所需要的速度和方向两个参数，同时根据物体的实际位置随时计算出下一瞬时速度和方向大小的调整。PLC再将这些信号通过PROFIBUS网络，同步发送到四台伺服控制器，伺服控制器再驱动四台伺服电机进行加速或减速运行，正向或反向运行，驱动卷扬进行物体移动。同时，伺服电机上的绝对值编码器又将位置信号反馈给伺服控制器，以便于下一步的计算用。

具体实施方式

具体实施中，我们根据实施案例分成以下两部分：

1、机械设备

机械设备包括卷扬设备、固定支架、电缆绳索等设备，经过我们的设计和计算，选择德国西门子1FK系列伺服电机做为我们的系统中的动力元件，根据计算，不同的重量选择不同的电机功率大小已经钢丝绳的大小。本说明书为小型研发设备，今后还将按照本系统的模式开发和设计大型系列设备，因此本系统不仅局限于一种规格尺寸。

图3是本系统的伺服电机及卷扬设备连接图

根据伺服电机的大小和受力物体的大小，我们设计了电机及卷扬设备柜体，长X宽X高940X510X800mm，运动控制系统中的机械结构由四台完全相同的传动装置组成，以其中的一台为例，由一台伺服电机(1)和卷扬设备(2)组成，卷扬上有同步旋转的排线器(3)，和卷扬同步旋转，伺服电机和卷扬进行机械轴硬连接，中间不使用减速机。卷扬滚筒直径为300mm。

图4是卷扬和排线器连接图，卷扬(2)上方的排线器(1)，通过链条轮和电机传动。排线器的作用是将绳索有序排列在滚轮上，使之不重复缠绕在一起，便于快速的收线和放线。伺服电机内有内置的抱闸装置和位置编码器装置，电机一停止旋转，抱闸装置启动抱闸，防止电机自由滑行，伺服电机定货时自带动力线和编码器信号线，和电机所使用的功率相配套，位置编码器可以随时将电机的旋转位置实时传递给PLC，作为位置反馈，以便PLC随时计算出物体的位置和速度的大小，再次发送给伺服控制器。

图5是本系统的伺服控制器的安装图，，每套伺服控制器安装在相应的卷扬柜的背面，既减少控制柜的数量，又减少电机的连接线的长度，使之能够快速的控制电机运动，大大降低电缆中谐波的产生，控制信号通过PROFIBUS电缆线(远距离可改为光纤电缆)发送，这种分布式控制，减少控制信号电缆线的布置，只有总线网线与之相连，使得变换安装空间和场地的要求变的简单易行。

图5中，各设备的名称为：1.进行开关，2.伺服电源模块，3.伺服控制模块，4.通信模块及电源模块，5.接线端子排。

图6是卷扬柜的柜内安装侧示图，卷扬(2)和伺服控制器(1)在柜内的安装关系。

图7是搭载装置悬吊装置整体示意图，搭载设备设计成带陀螺仪平衡器的框架，保证被悬吊的物体的平衡型，具有陀螺仪的功能，陀螺仪是根据地球引力，使悬挂其内部物体不论如何陀螺仪如何摆动，都将使内部物体重心保持垂直向下的一种设备。根据这一原理，我们的框架设计成可以围绕X轴和Y轴方向的旋转框架。将四根绳子固定在内部的X活动轴和Y活动轴上，即可实现平衡移动，保证物体不会被倾斜，对被移动的物体起到平衡稳定的作用，对搬运液体或人物时，具有非常好的稳定运动效果。

图8是搭载装置承重框架结构图，下方是悬挂吊钩。

图9是搭载装置水平框架示意图，上面呈十字分布两根垂直的固定架，固定架上面有钢丝绳索的吊环，可以固定四根钢丝绳用。水平框架可以围绕中间的两个固定点旋转。

图10是搭载装置水平框架结构图，中间的十字架可以围绕两个固定点旋转。这样就能实现围绕两个不同方向上的旋转。

图11是本系统的操作台面板布置图，操作人员通过操作台上的操作杆(1)左操作杆和(2)右操作杆，发出运行指令，左手控制移动物体的上下运动，右手控制物体的左右前后的移动，当两个操作杆同时有动作时，物体按照两方向上的运动进行叠加，并且物体会按照操作者的方向变化随时做出调整，和操作方向保持一致。复位按钮(3)为当设备需要重新启动时所用，让设备回到初始状态。急停按钮(4)为在紧急情况下，进行停止并抱闸时使用，使用起来非常的简便明了，操作性强。

2、自动化与运动控制设备

自动化控制设备包括西门子PLC控制器、伺服放大器、伺服电机等组成。

图12是操作台柜内布置图，图中有一套PLC安装图，PLC选择西门子SIMATIC S7-300系列产品，CPU为带PROFIBUS网络接口的CPU315-2DP模块，再选择一个数字量输入、一个模拟量输入，已经一个以太网通信模块，方便和计算机进行通信，模拟量输入模块的信号来自于操作台的两个操纵拨杆，数字量信号来自于急停按钮和复位按钮。

图15是PLC模拟量信号输入模块原理图，模拟量输入模块负责将操作台上的操作杆信号接收到PLC中，PLC再根据控制指令，计算出每台伺服电机所需要旋转的方向和速度的大小。

PLC选型为：

电源模块220V/24V：6ES7307-1EA00

中央控制单元CPU：6ES7315-2AG14

存储卡512K：6ES7953-8LG11

模拟量输入模块：6ES7331-7KF02

数字量输入模块：6ES7321-1BH01

数字量输出模块：6ES7322-1BH01

以太网模块：6GK7343-1EX11

DP网络接头：6ES7972-0BA41

图13是伺服电源模块原理图，伺服电源模块的型号为：6SN1146-1AB00-0AB1，主要功能是为伺服及电机提供动力电源的，该模块的作用是将三相电整流成可调节的逆变交流电源，用于控制伺服电机的速度

图14是伺服控制器模块接线图，伺服控制模块的型号为：6SN1118-1NH01-0AA1，实现将PLC发出的控制指令，分解成电机脉冲控制信号，发出电机的运行指令和速度大小指令，同时接收电机的位置或速度的反馈信号，形成闭环控制系统，该模块上有通信模块PFOFIBUS控制卡：6SN1114-0NB01-0AA1，实现与PLC的远距离通信，保证控制指令的同步性。

西门子伺服控制器选型(4套)，以下为一套的详细配置清单：

100W伺服电机：1FK7015-5AK71-1JH3

单轴功率单元：6SN1123-1AA00-0HA2

611U控制主板：6SN1118-1NH01-0AA1

PFOFIBUS控制卡：6SN1114-0NB01-0AA1

整流单元模块：6SN1146-1AB00-0AB1

伺服电机线：6FX5002-5DA30-1AF0

编码器信号线：6FX5002-2EQ20-1AF0

西门子可编程控制器(PLC)选型(1套)

本系统的核心是我们的控制算法，并将该算法编译成PLC控制程序，经过我们的深入研究与计算，以空间三角函数关系式和物体运动中位置与速度的关系为基础，专门编写了一套应用于本系统的算法，可以根据物体空间位置，给出运动方向，自动计算出不同方位的电机所需要的矢量速度和方向，使得每台电机所承受的速度和拉力平衡，保持物体空间运动的一致性。

Claims (8)

1.一种以四轴运动控制搭载装置，其特征是：搭载装置由四根钢丝绳与四台伺服电机上的卷扬连接，通过操纵杆将移动指令发送给智能控制器，智能控制器经过计算后，以网络通讯的方式向四个伺服控制器发出速度和位置运行信号，驱动伺服电机运行，实现搭载设备在空间中任意方向上的移动。

2.根据权利要求1所述的四轴运动控制搭载装置，其特征是：本装置主要是由一套智能控制器和四套伺服控制器组成，彼此独立成分布式结构，智能控制器安装在操作台，四台伺服安装在四个卷扬柜中，智能控制器完成指令计算后，通过工业总线网络与四个伺服控制器之间通信，使得四个伺服控制器能同时接受到运行指令。

3.根据权利要求1所述的四轴运动控制搭载装置，其特征是：两个操纵杆都具有四个方向上的控制，操纵杆还能够旋转，以此改变移动速度大小，通过操纵杆的方向控制，搭载装置不但能做水平或垂直方向上的运动，而且还能在空间中做曲线、抛物线等任意方向上的运动。

4.根据权利要求1所述的四轴运动控制搭载装置，其特征是：搭载装置平台由两个金属框架构成，具有陀螺仪的平衡功能，使得被搭载的物体在移动过程中保持垂直向下，增加物体的动态平衡性。

5.根据权利要求1所述的四轴运动控制搭载装置，其特征是：卷扬装置上设计有自动排线器，可根据减速机齿轮的旋转，带动排线器的螺杆旋转，带动排线器的左右移动，实现自动排线。

6.根据权利要求1所述的四轴运动控制搭载装置，其特征是：搭载装置在运动过程中，具有设定最大行程范围保护，当运行过程超过设定值时，系统会自动停机，只能向其他方向运动，便于设备进行自我保护。

7.根据权利要求1所述的四轴运动控制搭载装置，其特征是：伺服电机选择具有自动抱闸装置，电机一停止旋转，抱闸装置启动，将电机轴进行抱闸制动，防止电机溜车，因此，移动装置可以长时间的悬停在空中。

8.根据权利要求1所述的四轴运动控制搭载装置，其特征是：当有一根钢丝绳出现断线时，系统将自动由其他三根钢丝绳承担负载的重量，搭载装置依然能在空中保持平衡，可继续控制其运行至安全检修位置。

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