CN103101838A - 一种塔臂随动控制设备、方法、系统及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔臂随动控制设备、方法、系统及包含该系统的工程机械，该塔臂随动控制设备包括：接收装置，用于接收塔臂与主臂之间的夹角；以及控制装置，用于在主臂伸缩过程中，在所述塔臂与主臂之间的夹角与塔臂与主臂之间的初始夹角之间的角度偏差大于一预定角度时，根据该角度偏差，计算施加至卷扬机构的卷扬泵的电流，并施加该电流至卷扬机构的卷扬泵，从而控制所述卷扬机构收绳或放绳，以使得所述角度偏差不超过最大跟随偏差角。通过上述技术方案，可实时根据塔臂与主臂之间的夹角变化，调整卷扬机构收绳或放绳，以满足所述角度偏差不超过最大跟随偏差角，从而避免发生倾翻或向后砸落。

Description

一种塔臂随动控制设备、方法、系统及工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种塔臂随动控制设备、方法、系统及包含该系统的工程机械。

背景技术

图1为起重机的结构示意图。如图1所示，在主臂1伸缩过程中，需要对卷扬机构3进行收放绳的操作，来保证塔臂2与主臂1之间的夹角保持在安全范围内，从而保证不会因为塔臂前倾过多而起重机使力矩超限，引发倾翻，也不会因为塔臂后倾过多，无法靠重力维持自身姿态而向后砸落引发事故。

目前塔臂伸缩的控制主要是由操作者通过肉眼观察，判断主臂伸缩过程中主臂与塔臂之间的夹角是否在安全范围内，进而操纵卷扬手柄，控制卷扬泵得电，放出或收回卷扬钢丝绳，使得塔臂与主臂的夹角始终处于安全范围内，不出现塔臂前倾、后倾的危险。

然而，上述操作过程中，操作者需要同时执行主臂伸缩和塔式卷扬的收放绳操作，且同时需观察主臂臂长、伸缩速度、主臂与塔臂之间的夹角，操作复杂，压力大。

发明内容

本发明的目的是提供一种塔臂随动控制设备、方法、系统及包含该系统的工程机械。

为了实现上述目的，本发明提供一种塔臂随动控制设备，该设备包括：接收装置，用于接收塔臂与主臂之间的夹角；以及控制装置，用于在主臂伸缩过程中，在所述塔臂与主臂之间的夹角与塔臂与主臂之间的初始夹角之间的角度偏差大于一预定角度时，根据该角度偏差，计算施加至卷扬机构的卷扬泵的电流，并施加该电流至卷扬机构的卷扬泵，从而控制所述卷扬机构收绳或放绳，以使得所述角度偏差不超过最大跟随偏差角。

相应地，本发明还提供一种塔臂随动控制系统，该系统包括：夹角检测装置，用于检测塔臂与主臂之间的夹角；以及上述塔臂随动控制设备。

相应地，本发明还提供一种工程机械，该工程机械包括上述塔臂随动控制系统。

相应地，本发明还提供一种塔臂随动控制方法，该方法包括：接收塔臂与主臂之间的夹角；以及在主臂伸缩过程中，在所述塔臂与主臂之间的夹角与塔臂与主臂之间的初始夹角之间的角度偏差大于一预定角度时，根据该角度偏差，计算施加至卷扬机构的卷扬泵的电流，并施加该电流至卷扬机构的卷扬泵，从而控制所述卷扬机构收绳或放绳，以使得所述角度偏差不超过最大跟随偏差角。

通过上述技术方案，可实时根据塔臂与主臂之间的夹角变化，调整卷扬机构收绳或放绳，以满足所述角度偏差不超过最大跟随偏差角，从而避免发生倾翻或向后砸落。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为起重机的结构示意图；

图2为本发明提供的塔臂随动控制系统的结构框图；

图3为本发明提供的塔臂随动控制系统的一实施方式的结构框图；

图4为本发明提供的塔臂随动控制系统于起重机上的布置情况的示意图；以及

图5为本发明提供的塔臂随动控制方法的流程图。

附图标记说明

1     主臂                     2      塔臂

3     卷扬机构                 11     塔臂角度检测装置

12    主臂角度检测装置         13     伸缩手柄

14    卷扬手柄                 15     卷扬机构转动圈数检测装置

20    接收装置                 30     控制装置

41    卷扬泵                   42     伸缩比例阀

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在对本发明的具体实施方式进行介绍之前，首先描述一下本发明的基本理念。通过几何分析，在主臂伸缩速度与塔臂的放绳/收绳速度满足某一条件的情况下，将基本维持主臂与塔臂之间的夹角不变。下表为某起重机的具体数据。主臂带塔臂伸缩时，主臂的角度固定在83度；塔臂与主臂的夹角允许的变化范围为15°-40°，主臂伸缩中的臂长变化范围为17米-75米。对两个极端主臂长度：17米、75米下的主、塔臂两个极限角度：15度、40度进行分析。其表示了在主臂臂长变化175mm且维持初始夹角不变时，塔臂绳长的变化。

由该表可以看出，通过几何关系，可以获得一补偿系数，在主臂伸缩速度与塔臂的放绳/收绳速度满足该补偿系数的情况下，将基本维持主臂与塔臂之间的夹角不变。

可根据起重机的布置参数，将主臂长度分为i等份，主臂塔臂之间的夹角分为k等份，求解维持主臂、塔臂夹角不变，主臂长度变化S和塔臂绳长变化S_{i_k}之间的对应关系。

将上表参数化，并加以细分，得到下表。该表表示了在主臂初始L_i及塔臂与主臂之间的初始夹角A_k下，在主臂臂长变化S及塔臂绳长变化S_{i_k}满足表中所示关系的情况下，可保持塔臂与主臂之间的夹角不变。在此需要说明的是，在塔式起重机架设完成之后，该主臂角度就固定了，一般为三种角度，例如83°、78°或73°，故在此仅需对主臂长度及主臂与塔臂之间的初始夹角进行细分即可，无需考虑主臂角度。

通过上表，可得到多种不同初始状态的补偿系数。在具体应用时，需采用与当前初始状态相对应的补偿系数，具体计算方法如下：

假设在当前初始状态下，主臂长度=L，主臂与塔臂之间的夹角=A，且满足：L_i-1<L≤L_i A_k-1<A≤A_k

首先，按臂长L进行插值计算：

在A_k-1的角度下，K_k-1=(L-L_i-1)/(L_i-L_i-1)*(K_{i_k-1}-K_{i-1_k-1})+K_{i-1_k-1}

在A_k的角度下，K_k=(L-L_i-1)/(L_i-L_i-1)*(K_{i_k}-K_{i-1_k-})+K_{i-1_k}

之后，再按角度进行插值计算：

K=(A-A_k-1)/(A_k-A_k-1)*(K_k-K_k-1)+K_k-1

通过上述计算，可得到与当前初始状态（即，主臂长度=L，主臂与塔臂之间的夹角=A）相对应的补偿系数K。

图2为本发明提供的塔臂随动控制系统的结构框图。如图2所示，本发明提供了塔臂随动控制系统，该系统包括：夹角检测装置，用于检测塔臂与主臂之间的夹角；接收装置20，用于接收塔臂与主臂之间的夹角；以及控制装置30，用于在主臂伸缩过程中，在所述塔臂与主臂之间的夹角与塔臂与主臂之间的初始夹角之间的角度偏差大于一预定角度时，根据该角度偏差，计算施加至卷扬机构的卷扬泵41的电流，并施加该电流至卷扬机构的卷扬泵41，从而控制所述卷扬机构收绳或放绳，以使得所述角度偏差不超过最大跟随偏差角（该最大跟随偏差角可根据具体的起重机进行设置，所述角度偏差大于该最大跟随偏差角可能会使起重机发生倾翻）。藉此，可实时根据塔臂与主臂之间的夹角变化，调整卷扬机构收绳或放绳，以满足所述角度偏差不超过最大跟随偏差角，从而避免发生倾翻或向后砸落。

其中，所述初始夹角为主臂伸缩之前主臂与塔臂之间的夹角，其处于起重机所允许的一安全夹角范围内，且针对塔臂跟随过程中的角度偏差，留有一余量，即，即使主臂与塔臂之间的夹角等于初始夹角加上或减去所述最大跟随偏差角，起重机也不会发生倾翻。

具体的，图3为本发明提供的塔臂随动控制系统的一实施方式的结构框图，图4为本发明提供的塔臂随动控制系统于起重机上的布置情况的示意图。如图3及图4所示，操作者可操纵伸缩手柄13及卷扬手柄14，控制装置根据伸缩手柄13及卷扬手柄14的状态，控制施加至伸缩比例阀42及卷扬泵41的电流，从而控制主臂1伸缩及卷扬泵41收放绳。在此期间，控制装置可接收塔臂角度检测装置所检测的塔臂角度以及主臂角度检测装置所检测的主臂角度，计算两者之差以得到塔臂与主臂之间的夹角，并在该夹角与塔臂与主臂之间的初始夹角之间的角度偏差大于一预定角度时，通过控制施加至卷扬机构的卷扬泵的电流而控制所述卷扬机构收绳或放绳，以使得塔臂跟随者主臂的伸缩而动作，保持所述角度偏差不超过最大跟随偏差角，避免发生倾翻。在计算施加至卷扬机构的卷扬泵的电流时，控制装置还可接收主臂长度检测装置16所检测的主臂长度，并计算与该主臂长度及所述塔臂与主臂之间的夹角（即，当前初始状态）相对应的补偿系数K，根据该补偿系数K计算施加至卷扬机构的卷扬泵的电流。

卷扬机构绕线层数对卷扬出绳、收绳的线速度影响较大，优选地，所述控制装置根据所述卷扬机构的绕线层数（该绕线层数可通过卷扬机构转动圈数检测装置15的检测结果得到）计算与该绕线层数相对应的变比例系数，并根据该变比例系数计算施加至所述卷扬泵的电流大小。藉此，根据卷扬绕线层数的不同而得到变比例系数，进而对角度偏差进行控制，可有效提高控制精度。

以下介绍该变比例系数的计算方式。

首先对公式中涉及的参数所代表的含义作以下说明：

V1_dmax——主臂最高伸缩速度，主臂伸臂时，其值为正，主臂缩臂时，其值为负。

V_dmax——修正后的主臂最高伸缩速度，主臂伸臂时，其值为正，主臂缩臂时，其值为负，V_dmax=K*V1_dmax。

N——卷扬机构的卷扬倍率，由卷扬机构的滑轮组的具体设置情况而定。

θ_max——主臂与塔臂之间的最大跟随偏差角，其值为正。

V_jnmax——卷扬机构的第n层的最大收放绳速度，放绳时，其值为负，收绳上，其值为正。具体计算公式为V_jnmax=ω*(R+c*r)，其中ω为卷扬机构的最高角速度，顺时针时，其值为正，逆时针时，其值为负；R为卷扬卷筒的半径；r为卷扬机构两层钢丝绳之间的距离；c为卷扬机构的绕线层数。

P_n——卷扬机构第n层的比例系数。

需要说明的是，V_jnmax及P_n下标中的n为自然数=1，2，3，…，分别表示钢丝绳在卷扬机构的第1层，第2层，第3层…。

本发明需要达到该目的，即，当角度偏差达到θ_max时，卷扬机构的收绳或放绳的速度与吊臂的最高的缩臂、伸臂速度相等，使角度偏差始终小于θ_max，因此可得到下式：

$\frac{P_n\&times;{\mathrm{\&theta;}}_{\max }\&times;\left|V_{\mathrm{jn}\max }\right|}{N}=\left|V_{d\max }\right|$

另外，卷扬机构的收绳、放绳速度不可能超过|V_jnmax|，故可以得到下式：

P_n×θ_max≤1

综上，可得出， $P_n=\mathrm{Min}(\frac{\left|V_{d\max }\right|\&times;N}{V_{\mathrm{jn}\max }\&times;{\mathrm{\&theta;}}_{\max }},\frac{1}{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}),$ 即，P_n为

与

中的较小者。

通过上述变比例系数的计算方式，可在理论上确保塔臂跟随过程中的角度偏差一旦达到θ_max，便不会再变大。

其中，在所述角度偏差大于一预定角度时，控制施加至卷扬泵的电流控制施加至卷扬泵的电流大小满足以下公式：

I=I_min+P_n×|θ₀-θ|×(I_max-I_min)

其中，I为施加至卷扬泵的电流大小；I_min为所述卷扬泵支持的最小电流；I_max为所述卷扬泵支持的最大电流；θ₀为塔臂与主臂之间的初始夹角；θ为塔臂跟随主臂过程中两者之间的实际夹角；P_n为所述变比例系数。通过施加该电流大小的电流至卷扬泵，可确保所述角度偏差小于θ_max，防止起重机发生倾翻。

优选地，如图5所示，所述控制装置在以下情况根据以下公式计算施加至卷扬泵的电流大小：

（1）当|θ₀-θ|≤θ_t时，I=0；

（2）当θ_t<|θ₀-θ|≤θ_q时，若当前电流I=0，则维持I=0，否则I=I_min+P_n×|θ₀-θ|×(I_max-I_min)；

（3）当θ_q<|θ₀-θ|<θ_max时，I=I_min+P_n×|θ₀-θ|×(I_max-I_min)；以及

（4）当|θ₀-θ|≥θ_max时，I=I_max，

其中，θ_t为死区停止角度偏差；θ_q为死区启动角度偏差；θ_t<θ_q<θ_max。当θ₀-θ>0时，表示角度偏差为正，此时施加至卷扬泵的电流为放绳电流；当θ₀-θ<0时，表示角度偏差为负，此时施加至卷扬泵的电流为收绳电流。

通过该方式，角度偏差处于上述范围[θ_t,θ_q]内时，起重机处于安全状态，不需要对塔臂角度进行调整；当角度偏差发生变化且不处于上述范围时才需要对塔臂角度进行调整。具体为，当角度偏差超过θ_q时，需要启动塔臂随动控制（即，施加电流至卷扬泵），控制一段时间后，角度偏差达到θ_t时，则可以停止塔臂随动控制。通过该方式，可避免卷扬机构启动停止过于频繁，发生震荡。

通过本发明的方案，可在主臂根据伸缩手柄伸缩的过程中，实时检测主臂角度、塔臂角度和卷扬机构转动圈数，基于所检测的上述内容、最大跟随偏差角及卷扬倍率，计算与绕线层数相对应的变比例系数，之后，在以主臂与塔臂之间的初始夹角为控制目标，根据所述变比例系数计算施加至卷扬泵的电流大小，从而控制卷扬机构的收绳、放绳的速度，使主臂与塔臂之间的夹角控制在的安全范围（即，[θ₀-θ_max,θ₀+θ_max]）内。本发明可实现主臂伸缩过程中卷扬机构的自动收放绳，提高了操作的便利性，减少了因疏忽及误操作而导致危险发生的概率。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (14)

1.一种塔臂随动控制设备，其特征在于，该设备包括：

接收装置，用于接收塔臂与主臂之间的夹角；以及

控制装置，用于在主臂伸缩过程中，在所述塔臂与主臂之间的夹角与塔臂与主臂之间的初始夹角之间的角度偏差大于一预定角度时，根据该角度偏差，计算施加至卷扬机构的卷扬泵的电流，并施加该电流至卷扬机构的卷扬泵，从而控制所述卷扬机构收绳或放绳，以使得所述角度偏差不超过最大跟随偏差角。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制装置根据所述卷扬机构的绕线层数计算与该绕线层数相对应的变比例系数P_n，并根据该变比例系数P_n计算施加至所述卷扬泵的电流大小。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，控制施加至卷扬泵的电流大小满足以下公式：

I=I_min+P_n×|θ₀-θ|×(I_max-I_min)

其中，I为施加至卷扬泵的电流大小；I_min为所述卷扬泵支持的最小电流；I_max为所述卷扬泵支持的最大电流；θ₀为塔臂与主臂之间的初始夹角；θ为塔臂跟随主臂过程中该塔臂与主臂之间的实际夹角。

4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控制装置在以下情况根据以下公式计算施加至卷扬泵的电流大小：

当|θ₀-θ|≤θ_t时，I=0；

当θ_t<|θ₀-θ|≤θ_q时，若当前电流I=0，则维持I=0，否则I=I_min+P_n×|θ₀-θ|×(I_max-I_min)；

当θ_q<|θ₀-θ|<θ_max时，I=I_min+P_n×|θ₀-θ|×(I_max-I_min)；以及

当|θ₀-θ|≥θ_max时，I=I_max，

其中，I为施加至卷扬泵的电流大小；I_min为所述卷扬泵支持的最小电流；I_max为所述卷扬泵支持的最大电流；θ₀为塔臂与主臂之间的初始夹角；θ为塔臂跟随主臂过程中该塔臂与主臂之间的实际夹角；θ_t为死区停止角度偏差；θ_q为死区启动角度偏差；θ_t<θ_q<θ_max。

5.根据权利要求2-4中任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述变比例系数P_n满足以下公式：

$P_n=\mathrm{Min}(\frac{\left|V_{d\max }\right|\&times;N}{V_{\mathrm{jn}\max }\&times;{\mathrm{\&theta;}}_{\max }},\frac{1}{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}),$

其中，V_dmax为修正后的主臂最高伸缩速度；V_jnmax为卷扬机构第n层的最大收放绳速度；θ_max为最大跟随偏差角；N为卷扬倍率。

6.根据权利要求5所述的的设备，其特征在于，所述V_dmax满足以下公式：

V_dmax=K*V1_dmax，

其中，V1_dmax为主臂最高伸缩速度；K为与所述主臂及塔臂的当前初始状态相对应的补偿系数，该补偿系数通过以下步骤获得：

测量所述主臂及塔臂处于一初始状态下，满足主臂与塔臂之间的夹角保持不变这一条件的主臂长度变化及塔臂绳长变化；

计算塔臂绳长变化与主臂长度变化之比，以作为与所述初始状态相对应的补偿系数；

重复上述操作，得到多种不同初始状态的补偿系数；

根据所述多种不同初始状态的补偿系数以及所述当前初始状态，通过插值法得到与该当前初始状态相对应的补偿系数。

7.一种塔臂随动控制系统，其特征在于，该系统包括：

夹角检测装置，用于检测塔臂与主臂之间的夹角；以及

根据权利要求1-6中任一项权利要求所述的塔臂随动控制设备。

8.一种工程机械，其特征在于，该工程机械包括根据权利要求6所述的塔臂随动控制系统。

9.一种塔臂随动控制方法，其特征在于，该方法包括：

接收塔臂与主臂之间的夹角；以及

在主臂伸缩过程中，在所述塔臂与主臂之间的夹角与塔臂与主臂之间的初始夹角之间的角度偏差大于一预定角度时，根据该角度偏差，计算施加至卷扬机构的卷扬泵的电流，并施加该电流至卷扬机构的卷扬泵，从而控制所述卷扬机构收绳或放绳，以使得所述角度偏差不超过最大跟随偏差角。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据所述卷扬机构的绕线层数计算与该绕线层数相对应的变比例系数P_n，并根据该变比例系数P_n计算施加至所述卷扬泵的电流大小。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，控制施加至卷扬泵的电流大小满足以下公式：

I=I_min+P_n×|θ₀-θ|×(I_max-I_min)

其中，I为施加至卷扬泵的电流大小；I_min为所述卷扬泵支持的最小电流；I_max为所述卷扬泵支持的最大电流；θ₀为塔臂与主臂之间的初始夹角；θ为塔臂跟随主臂过程中塔臂与主臂之间的实际夹角。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在以下情况根据以下公式计算施加至卷扬泵的电流大小：

当|θ₀-θ|≤θ_t时，I=0；

当θ_t<|θ₀-θ|≤θ_q时，若当前电流I=0，则维持I=0，否则I=I_min+P_n×|θ₀-θ|×(I_max-I_min)；

当θ_q<|θ₀-θ|<θ_max时，I=I_min+P_n×|θ₀-θ|×(I_max-I_min)；以及

当|θ₀-θ|≥θ_max时，I=I_max，

其中，I为施加至卷扬泵的电流大小；I_min为所述卷扬泵支持的最小电流；I_max为所述卷扬泵支持的最大电流；θ₀为塔臂与主臂之间的初始夹角；θ为塔臂跟随主臂过程中该塔臂与主臂之间的实际夹角；θ_t为死区停止角度偏差；θ_q为死区启动角度偏差；θ_t<θ_q<θ_max。

13.根据权利要求10-12中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述变比例系数P_n满足以下公式：

$P_n=\mathrm{Min}(\frac{\left|V_{d\max }\right|\&times;N}{V_{\mathrm{jn}\max }\&times;{\mathrm{\&theta;}}_{\max }},\frac{1}{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}),$

其中，V_dmax为修正后的主臂最高伸缩速度；V_jnmax为卷扬机构第n层的最大收放绳速度；θ_max为最大跟随偏差角；N为卷扬倍率。

14.根据权利要求13所述的的方法，其特征在于，所述V_dmax满足以下公式：

V_dmax=K*V1_dmax，

其中，V1_dmax为主臂最高伸缩速度；K为与所述主臂及塔臂的当前初始状态相对应的补偿系数，该补偿系数通过以下步骤获得：

测量所述主臂及塔臂处于一初始状态下，满足主臂与塔臂之间的夹角保持不变这一条件的主臂长度变化及塔臂绳长变化；

计算塔臂绳长变化与主臂长度变化之比，以作为与所述初始状态相对应的补偿系数；

重复上述操作，得到多种不同初始状态的补偿系数；

根据所述多种不同初始状态的补偿系数以及所述当前初始状态，通过插值法得到与该当前初始状态相对应的补偿系数。

Images