CN103231989A - 起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统及方法，属于六自由度柔索并联机构监测系统及方法。监测系统包括感知单元、信号处理单元和控制中心三大部分；在柔索并联构型装备运行时，感知单元通过信号调理电路、模/数转换电路与信号处理单元的ARM处理器连接，信号处理单元的ARM处理器通过无线收发模块与控制中心的主控制ARM处理器连接，主控制ARM处理器一方面通过通信装置与负责故障处理的ARM处理器相连，另一方面与人机交互设备和报警电路相连，从而快速完成装备的故障检测、分析、报警和处理。本发明可以实时监测起重吊装协作柔索并联构型装备的运行状态，有效快速地排除装备运行中的常见故障，提高装备运行的可靠性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间六自由度柔索并联机构的故障监测系统，特别是一种起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统及方法。
背景技术
柔索并联机构具有刚度大、承载能力强、动力性能好、易于控制等一系列特点，近年来，在工件对接装配、加工制造、医疗康复等领域得到了广泛应用。在专利申请号为201210199533.8的专利文献中，公开了《空间六自由度大型重载起重吊装协作柔索并联构型装备》，该发明将柔索并联机构引入到传统起重设备中，创新出了能应用于大型重载物料吊装的柔索并联构型装备。该装备继承了柔索并联机构大柔性输出、工作空间大、效率高等优点，并兼容了传统起重设备承载能力大的特点，弥补了单台起重设备协调能力差、负载能力和工作空间小等缺陷。在专利申请号201210199532.3的专利文献中，公开了《六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置及方法》，该发明完善了该柔索并联构型装备协作起重吊装过程中，物体运动的灵活性、稳定性和精确性，提供了一种六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置及方法。该控制装置及方法虽然解决了协作吊装过程中，并联构型装备系统惯性大、非线性，物体运动易受外界干扰等问题，但在工程实践中仍然出现负荷超限、运动间断、液压系统压力不足等故障，同时，也未能对设备运行状态进行实时监控，限制了该装备的高效率工作，制约了设备的稳定性和可靠性，降低了设备的使用寿命，给安全生产留下了隐患。
发明内容
本发明的目的是要提供一种起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统及方法，解决柔索并联构型装备在工程实践中出现的负荷超限、运动间断、液压系统压力不足等问题，完成柔索并联构型装备运行参数和状态的实时监测，实现起重吊装协作柔索并联构型装备运行的自动化、智能化、可视化和人性化。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统由感知单元、信号处理单元和控制中心三大部分构成；所述的感知单元包括并联构型装备外部感知单元和内部感知单元两部分，其中装备外部感知单元由超声波传感器组成；装备内部感知单元包括光电编码器、位移传感器、加速度传感器、断丝检测传感器、测力传感器和温度传感器；所述的信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和处理ARM处理器；所述的控制中心包括主控制ARM处理器、故障处理ARM处理器、人机交互设备、声光报警电路和数据存储设备。
所述的并联构型装备外部感知单元由超声波传感器组成；超声波传感器有多个，按照节点布置分别安装在并联构型装备的每台起重吊装设备和重物上，在装备工作时对每台起重吊装设备、重物和障碍物进行测距和定位。
所述的并联构型装备内部感知单元包括光电编码器、位移传感器、三轴加速度传感器、断丝检测器、测力传感器和温度传感器；光电编码器有多个，分别安装在各起重吊装设备的起升马达和回转马达上，测量马达的转角和转速；3个位移传感器，分别安装在各起重吊装设备变幅装置的油缸上，测量油缸的位移和速度；1个三轴加速度传感器安装在所吊装的重物上，测量重物在吊装过程中的姿态；3个断丝检测器和3个测力传感器分别安装在三根柔索上，每一组结构相同，分别监测柔索的断丝情况和测量柔索的拉力；温度传感器有多个，分别安装在每台起重吊装设备的液压系统中，监测液压系统温度。
所述的信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和处理ARM处理器、无线收发模块、看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；其中，所述的信号调理电路输出端接入模/数转换电路，模/数转换电路输出端接入信号采集和处理ARM处理器，信号采集和处理ARM处理器接有无线收发模块，用以与控制中心的主控制ARM处理器进行通信，同时还接有看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口。
所述的控制中心包括主控制ARM处理器、故障处理ARM处理器、无线收发模块、人机交互设备、声光报警电路和数据存储设备；其中，所述的无线收发模块与信号处理单元的无线收发模块配套，并与主控制ARM处理器连接，主控制ARM处理器还分别与人机交互设备、声光报警电路和数据存储设备连接，故障处理ARM处理器通过通信装置与主控制ARM处理器相连。
所述的故障监测方法如下：
1、起重吊装协作柔索并联构型装备开始吊装重物时，故障监测系统初始化，载入预先设定的故障检测指标和阀值；
2、故障监测系统运行时，安装在设备上的内部感知单元和外部感知单元开启，对设备进行监测，采集到的信号经过信号调理电路和模/数转换后，传送给信号采集和处理ARM处理器；
3、信号采集和处理ARM处理器得到信号后，进行预处理，采用内置算法对信号进行分析后作出初步判断，若有故障发生，则将判断结果和相应的监测信号经无线收发模块传送给控制中心的主控制ARM控制器；
4、主控制ARM控制器对接收到的判断结果和信号进行更详尽的分析和处理，若确定有故障发生，则一方面控制声光报警电路进行报警，另一方面分析出故障发生点和故障发生原因等信息，通过人机交互设备提供给现场工程人员查看，同时存储在数据存储设备中，并传送相应故障处理控制信号给故障处理ARM处理器；若无故障发生，主控制ARM控制器则将设备运行状态通过人机交互设备提供给现场工程人员查看；
5、故障处理ARM处理器根据接收到的信号，依照预先内置的故障处理算法，对柔索并联构型装备进行控制系统解算，得到反馈控制信号，并将信号传送至起重吊装协作柔索并联构型装备的控制系统中进行反馈控制，以达到快速处理故障的目的。
有益效果：由于采用了上述方案，安装有故障监测系统的起重吊装协作柔索并联构型装备能够及时检测故障、分析故障和排除故障，并能实时显示设备运行状态，实现了装备运行的自动化、智能化、可视化和人性化。起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统以高性能传感器和ARM处理器为核心，综合了传感器抗干扰能力强、可靠性高和ARM处理器体积小、功耗低、数据处理能力强、执行效率高的特点；采用两级故障检测结构，分别在信号处理单元和控制中心对监测信号进行判断，减少了故障误报率，提高了故障监测系统的可靠性和智能化程度；运用多种传感器，针对不同工况，设定不同监测指标和报警临界值，可使系统能够快速检测故障；数据处理单元和控制中心之间采用无线通信技术，灵活性高，成本低，可靠性高；人机交互设备实时显示设备运行状态和故障信息，使工程人员能够及时直观掌握现场状况，提高了故障监测系统的人性化。解决了柔索并联构型装备在工程实践中出现的负荷超限、运动间断、液压系统压力不足等问题，完成柔索并联构型装备运行参数和状态的实时监测，实现起重吊装协作柔索并联构型装备运行的自动化、智能化、可视化和人性化，达到了本发明的目的。
本发明的优点：该起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统及方法采用两级故障检测结构来提高故障监测的可靠性和智能化程度，同时复合使用多传感器，及时有效排除故障，并通过人机交互设备实时显示现场工况和故障信息。整套系统能够有效、快速、可靠地排除柔索并联构型装备的常见故障，并能实时显示现场状况。
附图说明
图1为本发明所述的起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统基本结构图。
图2为本发明所述的起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统示意框图。
图3为本发明所述的起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测方法总流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：图1中，此实例主要以空间六自由度大型重载起重吊装协作柔索并联构型装备为平台展现所述监测系统的主要结构。
本实例中，所述空间六自由度大型重载起重吊装协作柔索并联构型装备主要由成三角形分布起吊重物的三台结构相同的起重吊装设备1和吊装重物2构成，其中每台起重吊装设备均包括变幅装置、回转装置和卷扬装置。
本实例中，超声波传感器A有多个，按照节点布置安装在并联构型装备的每台起重吊装设备1和重物2上；
光电编码器B有多个，选用高分辨率增量式光电编码器，分别安装在各起重吊装设备的起升马达3和回转马达4上；
位移传感器C有3个，选用磁致伸缩位移传感器，分别安装在各起重吊装设备变幅装置的油缸5上；
1个三轴加速度传感器D安装在所吊装的重物上；
3个断丝检测器E和3个应变片式测力传感器F分别安装在三根柔索L1、L2、L3上。
图2中，本发明所述的故障监测系统主要包括感知单元、信号处理单元和控制中心三大部分。所述的感知单元包括并联构型装备外部感知单元和内部感知单元两部分，其中装备外部感知单元由超声波传感器组成；装备内部感知单元包括光电编码器、位移传感器、加速度传感器、断丝检测传感器、测力传感器和温度传感器；所述的信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和处理ARM处理器；所述的控制中心包括主控制ARM处理器、故障处理ARM处理器、人机交互设备、声光报警电路和数据存储设备。
所述的并联构型装备外部感知单元由超声波传感器组成。超声波传感器有多个，按照节点布置分别安装在并联构型装备的每台起重吊装设备和重物上，在装备工作时对每台起重吊装设备、重物和障碍物进行测距和定位。
所述的并联构型装备内部感知单元包括光电编码器、位移传感器、三轴加速度传感器、断丝检测器、测力传感器和温度传感器。光电编码器有多个，分别安装在各起重吊装设备的起升马达和回转马达上，测量马达的转角和转速；3个位移传感器，分别安装在各起重吊装设备变幅装置的油缸上，测量油缸的位移和速度；1个三轴加速度传感器安装在所吊装的重物上，测量重物在吊装过程中的姿态；3个断丝检测器和3个测力传感器分别安装在三根柔索上，每一组结构相同，分别监测柔索的断丝情况和测量柔索的拉力；温度传感器有多个，分别安装在每台起重吊装设备的液压系统中，监测液压系统温度。
所述的信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和处理ARM处理器、无线收发模块、看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口。其中，所述的信号调理电路输出端接入模/数转换电路，模/数转换电路输出端接入信号采集和处理ARM处理器，ARM处理器接有无线收发模块，用以与控制中心的主控制ARM处理器进行通信，同时还接有看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口。
所述的控制中心包括主控制ARM处理器、故障处理ARM处理器、无线收发模块、人机交互设备、声光报警电路和数据存储设备。其中，所述的无线收发模块与信号处理单元的无线收发模块配套，并与主控制ARM处理器连接，主控制ARM处理器还分别与人机交互设备、声光报警电路和数据存储设备连接，故障处理ARM处理器通过通信装置与主控制ARM处理器相连。
本实例中，所述的三种ARM处理器的核心芯片均选用AT91SAM9263；
所述的无线收发模块均采用无线收发芯片NRF905。
图3中，所述的监测方法，起重吊装协作柔索并联构型装备开始吊装重物时，故障监测系统开始工作。故障监测系统完成初始化，载入预先设定的故障监测指标和危险阀值；安装在设备上的内部感知单元和外部感知单元开启，对设备、起吊重物、障碍物相对位置、吊物空中姿态、马达转速、油缸伸缩速度、液压系统温度、柔索拉力和断丝情况等进行实时监测；感知单元采集到的信号经过信号调理电路和模/数转换电路处理后，转换为ARM处理器可以接收的数字信号，传送给信号采集和处理ARM处理器；信号采集和处理ARM处理器得到信号后，进行初步分析和判断，并将信号处理为可无线发射的信号。
如果信号采集和处理ARM处理器判断有故障发生，则将判断结果和经过处理的相应检测信号经无线收发模块NRF905传送给控制中心的主控制ARM控制器；主控制ARM控制器对接收到的判断结果和信号进行更详尽的分析和处理，做如下处理：（1）如果确定有故障发生，控制声光报警电路进行报警；分析出故障发生点和故障发生原因等信息，通过人机交互设备提供给现场工程人员查看；传送相应故障处理控制信号给故障处理ARM处理器，故障处理ARM处理器根据接收到的信号，依照预先内置的故障处理算法，对柔索并联构型装备进行控制系统解算，得到反馈控制信号，并将信号传送至起重吊装协作柔索并联构型装备的控制系统中进行反馈控制，进行故障处理；主控制ARM处理器连接的数据存储设备存储故障信息，以便事后查看和分析；（2）如果没有故障发生，则由人机交互设备实时显示感知单元监测的起重吊装协作柔索并联构型装备各种状态，如设备、起吊重物、障碍物相对位置、吊物空中姿态、马达转速、油缸伸缩速度、液压系统温度、柔索拉力和断丝情况等。
Claims (6)
1.一种起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统，其特征是：监测系统包括感知单元、信号处理单元和控制中心三大部分；所述的感知单元包括并联构型装备外部感知单元和内部感知单元两部分，其中装备外部感知单元由超声波传感器组成；装备内部感知单元包括光电编码器、位移传感器、加速度传感器、断丝检测传感器、测力传感器和温度传感器；所述的信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和处理ARM处理器；所述的控制中心包括主控制ARM处理器、故障处理ARM处理器、人机交互设备、声光报警电路和数据存储设备。
2.根据权利要求1所述的起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统，其特征是：所述的并联构型装备外部感知单元由超声波传感器组成；其中超声波传感器有多个，按照节点布置分别安装在并联构型装备的每台起重吊装设备和重物上，在装备工作时对每台起重吊装设备、重物和障碍物进行测距和定位。
3.根据权利要求1所述的起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统，其特征是：所述的并联构型装备内部感知单元包括光电编码器、位移传感器、三轴加速度传感器、断丝检测器、测力传感器和温度传感器；光电编码器有多个，分别安装在各起重吊装设备的起升马达和回转马达上，测量马达的转角和转速；位移传感器有多个，分别安装在各起重吊装设备变幅装置的油缸上，测量油缸的位移和速度；1个三轴加速度传感器安装在所吊装的重物上，测量重物在吊装过程中的姿态；3个断丝检测器和3个测力传感器分别安装在三根柔索上，每一组结构相同，分别监测柔索的断丝情况和测量柔索的拉力；温度传感器有多个，分别安装在每台起重吊装设备的液压系统中，监测液压系统温度。
4.根据权利要求1所述的起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统，其特征是：所述的信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和处理ARM处理器、无线收发模块、看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；其中，所述的信号调理电路输出端接入模/数转换电路，模/数转换电路输出端接入信号采集和处理ARM处理器，信号采集和处理ARM处理器接有无线收发模块，用以与控制中心的主控制ARM处理器进行通信，同时还接有看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口。
5.根据权利要求1所述的起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测系统，其特征是：所述的控制中心包括主控制ARM处理器、故障处理ARM处理器、无线收发模块、人机交互设备、声光报警电路和数据存储设备；其中，所述的无线收发模块与信号处理单元的无线收发模块配套，并与主控制ARM处理器连接，主控制ARM处理器还分别与人机交互设备、声光报警电路和数据存储设备连接，故障处理ARM处理器通过通信装置与主控制ARM处理器相连。
6.一种起重吊装协作柔索并联构型装备实时故障监测方法，其特征是：所述故障监测方法步骤如下：
（1）、起重吊装协作柔索并联构型装备开始吊装重物时，故障监测系统初始化，载入预先设定的故障监测指标和阀值；
（2）、故障监测系统运行时，安装在设备上的内部感知单元和外部感知单元开启，对设备进行监测，采集到的信号经过信号调理电路和模/数转换后，传送给信号采集和处理ARM处理器；
（3）、信号采集和处理ARM处理器得到信号后，进行预处理，采用内置算法对信号进行分析后作出初步判断，若有故障发生，则将判断结果和相应的监测信号经无线收发模块传送给控制中心的主控制ARM控制器；
（4）、主控制ARM控制器对接收到的判断结果和信号进行更详尽的分析和处理，若确定有故障发生，则一方面控制声光报警电路进行报警，另一方面分析出故障发生点和故障发生原因等信息，通过人机交互设备提供给现场工程人员查看，同时存储在数据存储设备中，并传送相应故障处理控制信号给故障处理ARM处理器；若无故障发生，主控制ARM控制器则将设备运行状态通过人机交互设备提供给现场工程人员查看。
（5）、故障处理ARM处理器根据接收到的信号，依照预先内置的故障处理算法，对柔索并联构型装备进行控制系统解算，得到反馈控制信号，并将信号传送至起重吊装协作柔索并联构型装备的控制系统中进行反馈控制，以达到快速处理故障的目的。
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