CN103365254A - 四轴运动控制搭载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轴运动控制搭载装置，包括智能控制器、伺服电机、伺服控制器、控制台、卷扬柜、搭载装置、卷扬装置，所述智能控制器与伺服控制器之间通过工业总线网络PROFIBUS连接，四台伺服电机位于施工场地的四角，在其上方相同高度位置各固定安装一个定滑轮，卷扬装置上的钢丝绳通过定滑轮后，汇集在搭载装置平台上；采用的这种结构设计的四轴运动控制搭载装置，整体结构紧凑、不受场地的大小和安装空间的约束，特别适合用于空间跨度大而无法安装起重设备的领域，能实现搭载物体的立体空间的精确运动，本发明技术构思新颖，达到了技术方案科学合理的发明目的。

Description

四轴运动控制搭载装置

技术领域

本发明涉及机电一体化技术领域，尤其是涉及一种利用数控技术控制的吊装设备，具体来说是涉及一种四轴运动控制搭载装置。

背景技术

目前，起重机、吊运机等各种工程机械被广泛地用于建筑、交通、矿山、石油等重要的国民经济部门之中。而传统的吊装设备一般由三相异步电机或液压设备作为动力，动力结构的传统与陈旧，决定了它们运动方式的单一，传统的吊装设备只能在水平或垂直方向运动，不能在立体施工空间中作任意方向运动，从而限制了传统的吊装设备施工的灵活性和精准性。并且由于传统的吊装设备笨重，安装使用需要有较高的厂房配套，并且厂房配套是永久固定的，因此可知施工操作空间跨度会非常有限。设备的局限决定了施工应用的局限，采用这种传统的吊装设备，自动化程度低，人工操作存在随意性，动作切换早了会造成吊装设备工作不到位，动作切换迟了会造成机械碰撞力的产生，并由此引发吊装设备损坏或人员伤害等安全事故。

所以，为了增加传统的吊装设备施工的灵活性和精准性，人们要求能准确、及时、高效地对吊装设备进行控制，这是目前施工现场的当务之急。也正是基于上述原因，促使申请人产生发明一种利用数控技术控制的吊装设备，这也是本发明的设计初衷。

发明内容

本发明的目的是提供一种四轴运动控制搭载装置，用以解决上述现有技术缺陷，从而向社会提供性能可靠、价格低廉、适应性强的吊装产品。

为了达到上述目的，本发明实施例的技术方案是：四轴运动控制搭载装置，包括有智能控制器、伺服电机、伺服控制器、控制台、卷扬柜、搭载装置平台、卷扬装置；所述智能控制器安装在控制台，有四个伺服控制器位于四个卷扬柜中，所述智能控制器与四个伺服控制器之间通过工业总线网络PROFIBUS连接，所述伺服电机作为卷扬装置的动力，位于施工场地四边的四个角，在其上方相同高度位置各固定安装一个定滑轮，卷扬装置上的钢丝绳通过所述定滑轮后，汇集在搭载装置平台上，搭载装置平台上悬挂被移动的吊装货物。

进一步的，所述的四轴运动控制搭载装置中，还包括控制台，所述的控制台包括有两个操纵杆，通过控制台上的左操作杆和右操作杆，发出运行指令，左操作杆控制吊装货物的上下运动，右操作杆控制吊装货物的左右前后的移动，当左操作杆和右操作杆同时动作时，吊装货物按照两方向上的运动进行叠加，并且吊装货物会按照操作者的操作随时做出调整。所述的控制台还包括有复位按钮和急停按钮，复位按钮用于四轴运动控制搭载装置重新启动，让四轴运动控制搭载装置回到初始状态。急停按钮为在紧急情况下，进行停止并抱闸时使用。

进一步的，所述的四轴运动控制搭载装置中，还包括PLC智能控制器、伺服控制器，通过控制台上的左操作杆和右操作杆，将运行指令传递给PLC智能控制器的接收模块，然后PLC智能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，经空间立体几何关系式和物体运动方程式的综合应用，建立四个电机的空间运动方程，通过实时计算吊装货物的位置、高度、角度，来计算得出每台伺服电机所需要的速度和方向两个参数，同时根据吊装货物的实际位置随时计算出下一瞬时速度和方向大小所需调整的量，PLC智能控制器再将这些信号通过PROFIBUS网络，同步发送到四台伺服控制器，四台伺服控制器再驱动四台伺服电机进行加速或减速，正向或反向运行，驱动卷扬装置进行吊装货物移动，伺服电机内装的绝对值编码器将位置信号反馈给伺服控制器，以便于下一步的计算用。

进一步的，所述的四轴运动控制搭载装置中，还包括搭载装置，搭载装置平台由两个金属框架构成，一个是承重框架，承重框架下方是悬挂吊钩，另一个是水平框架，水平框架里装有十字分布的两根垂直固定架，固定架上面有钢丝绳的吊环，可用于固定四根钢丝绳，水平框架可以围绕中间的两个固定点旋转。 

进一步的，所述的搭载装置，具有设定最大行程范围保护功能，当超过设定值时，搭载装置会自动停机，或向其他方向运动，实现搭载装置自我保护。该功能是通过程序预先设置好空间边界的尺寸，伺服电机实时将信号反馈给PLC智能控制器，当移动吊装货物的位置等于或大于设置的边界尺寸时，搭载装置将自动停止该方向上的继续运动，实现保护功能。

进一步的，所述的四轴运动控制搭载装置中，还包括伺服电机和卷扬装置，所述的卷扬装置上装有自动排线器，且卷扬装置与一减速机相连接，通过减速机齿轮的旋转，带动自动排线器的螺杆旋转，自动排线器和卷扬装置同步旋转，实现自动排线器的左右移动，完成自动排线，所述的伺服电机和卷扬装置经机械轴硬连接，中间不连接减速机。

进一步的，所述的四轴运动控制搭载装置中，还包括伺服电机，所述的伺服电机装有自动抱闸装置，所述的抱闸装置是集成在伺服电机内部，安装在伺服电机轴上，当伺服电机接收到PLC智能控制器运行信号时，抱闸自动打开，当伺服电机接收到PLC智能控制器停车信号时，自动抱闸，伺服电机一停止旋转，抱闸装置启动，将伺服电机轴进行抱闸制动，即能实现精确停车，又能防止伺服电机溜车，因此，搭载装置可以长时间的悬停在空中。

进一步的，所述的钢丝绳某根出现断线时，搭载装置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。

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。

采用的这种结构设计的四轴运动控制搭载装置，整体结构紧凑、技术构思新颖，达到了技术方案科学合理的发明目的。                

附图说明

图1是四轴运动控制搭载装置的工作原理示意图；

图2是四轴运动控制搭载装置的程序流程示意图；

图3是伺服电机及卷扬装置的连接示意图；

图4是卷扬装置和排线器连接示意图；

图5是搭载装置的结构示意图；

图6是搭载装置承重框架结构示意图；

图7是搭载装置水平框架示意图；

图8是控制台控制面板示意图；

图9是控制台柜内PLC智能控制器安装图；

图10是伺服电源模块原理图；

图11是伺服控制器原理图；

图12是PLC智能控制器模拟量信号输入模块原理图；

其中：1、定滑轮,  2、排线器, 3、卷扬装置, 3-1、卷扬柜，4、伺服电机, 4-1、伺服控制器，5、搭载装置, 5-1、悬挂吊钩，5-2、承重框架，5-3、水平框架，6、吊装货物, 7、钢丝绳, 8、控制台, 8-1、左操作杆， 8-2、右操作杆， 8-3、复位按钮，8-4、急停按钮， 9、PLC智能控制器

具体实施方式

为供进一步了解本发明的构造特征、运用的技术手段及所预期达成的功效，现结合一个具体实施例加以叙述如下，下面结合附图说明本发明实施例的具体实施方式：

如图1所示，所述伺服电机4作为卷扬装置3的动力，位于施工场地四边的四个角，在其上方相同高度位置各固定安装一个定滑轮1，卷扬装置3上的钢丝绳7通过定滑轮1后，汇集在搭载装置5平台上，搭载装置5平台上悬挂被移动的吊装货物6。被移动的吊装货物6由四根钢丝绳7悬吊，四根钢丝绳7通过定滑轮1后，缠绕在四个卷扬装置3上，并由伺服电机4作动力带动卷扬装置3，使吊装货物6按照操作人员的操作方向进行运动。吊装货物6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，四个伺服电机4可以实现快速换向、快速启动和快速停车。有四个伺服控制器4-1位于四个卷扬柜3-1中，所述PLC智能控制器9与四个伺服控制器4-1之间通过工业总线网络PROFIBUS连接，四个伺服电机4的速度大小和方向由PLC智能控制器9给出，作为控制和运算中心，实现各种运算指令的控制。

在图2的四轴运动控制搭载装置的程序流程示意图中，我们将四轴运动控制搭载装置的工作分成以下几部分，控制台8、PLC智能控制器9、伺服控制器4-1，工作程序流程为：操作人员通过操作杆8-1和8-2，将运行指令传递给PLC智能控制器9的接收模块，然后PLC智能控制器9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4所需要的速度和方向两个参数，同时根据吊装货物6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智能控制器9再将这些信号通过PROFIBUS网络，同步发送到四台伺服控制器4-1，伺服控制器4-1再驱动四台伺服电机4进行加速或减速运行，正向或反向运行，驱动卷扬装置3进行吊装货物6移动。同时，伺服电机4上的绝对值编码器又将位置信号反馈给伺服控制器4-1，以便于下一步的计算用。

图3是伺服电机及卷扬装置连接图，四轴运动控制搭载装置控制系统的机械结构由四台完全相同装置组成，以其中的一台为例，由一台伺服电机4和卷扬装置3组成，卷扬装置3上装有同步旋转的排线器2，和卷扬装置3同步旋转，伺服电机4和卷扬装置3进行机械轴硬连接，中间不使用减速机。

图4是卷扬装置和排线器连接图，卷扬装置3上方的排线器2，通过链条轮和伺服电机4传动。排线器2的作用是将钢丝绳7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4装有内置的抱闸装置和位置编码器装置，伺服电机4一停止旋转，抱闸装置启动抱闸，防止伺服电机4自由滑行，位置编码器可以随时将伺服电机4的旋转位置实时传递给PLC智能控制器9,作为位置反馈，以便PLC智能控制器9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4-1。

综合图5、图6、图7，详细描述了本发明的搭载装置，图5是搭载装置的结构示意图，搭载装置5设计成带陀螺仪平衡器的框架，保证被悬吊的物体的平衡性，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，框架设计成可以围绕X轴和Y轴方向的旋转框架。将四根钢丝绳固定在内部的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，具有非常好的稳定运动效果。搭载装置5平台由两个金属框架构成，一个是承重框架5-2，另一个是水平框架5-3。

图6是搭载装置承重框架结构图，承重框架5-2的下方装有悬挂吊钩5-1。

图7是搭载装置水平框架示意图，水平框架5-3上面呈十字分布两根垂直的固定架5-3-1，垂直固定架5-3-1上面有钢丝绳的吊环5-3-2，可以固定四根钢丝绳用7，水平框架5-3可以围绕中间的两个固定点旋转，这样就能实现围绕两个不同方向上的旋转。

图8是控制台控制面板示意图，操作人员通过控制台8上的左操作杆8-1和右操作杆8-2，发出运行指令，左操作杆8-1控制吊装货物6的上下运动，右操作杆8-2控制吊装货物6的左右前后的移动，当左操作杆8-1和右操作杆8-2同时有动作时，吊装货物6按照两方向上的运动进行叠加，并且吊装货物6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8-3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8-4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，可操作性强。

图9是控制台柜内PLC智能控制器安装图，按照PLC智能控制器9的安装图所示，PLC选择西门子SIMATIC S7-300系列产品，CPU为带PROFIBUS网络接口的CPU315-2DP，选择一个数字量输入、一个模拟量输入，一个以太网通信模块，模拟量输入的信号来自于控制台8的左操作杆8-1和右操作杆8-2，数字量信号来自于急停按钮8-4和复位按钮8-3。

图10是伺服电源模块原理图，伺服电源模块的型号为：6SN1146-1AB00-0AB1，主要功能是为伺服电机4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4的速度。

图11是伺服控制器的接线图，伺服控制器4-1的型号为：6SN1118-1NH01-0AA1，实现将PLC智能控制器9发出的控制指令，分解成伺服电机4的脉冲控制信号，发出伺服电机4的运行指令和速度大小指令，同时接收伺服电机4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：

90W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）

图12是PLC智能控制器9模拟量信号输入模块原理图，模拟量输入模块负责将控制台8上的左操作杆8-1和右操作杆8-2信号接收到PLC智能控制器9中，PLC智能控制器9再根据控制指令，计算出每台伺服电机4所需要旋转的方向和速度的大小。

PLC智能控制器选型为：

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

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种四轴运动控制搭载装置，包括有智能控制器、伺服电机、伺服控制器、控制台、卷扬柜、搭载装置平台、卷扬装置，其特征在于：所述智能控制器安装在控制台，有四个伺服控制器位于四个卷扬柜中，所述智能控制器与四个伺服控制器之间通过工业总线网络PROFIBUS连接，所述伺服电机作为卷扬装置的动力，位于施工场地四边的四个角，在其上方相同高度位置各固定安装一个定滑轮，卷扬装置上的钢丝绳通过所述定滑轮后，汇集在搭载装置平台上，搭载装置平台上悬挂被移动的吊装货物。

2.根据权利要求1所述的四轴运动控制搭载装置，其特征在于：所述的控制台包括有两个操纵杆，通过控制台上的左操作杆和右操作杆，发出运行指令，左操作杆控制吊装货物的上下运动，右操作杆控制吊装货物的左右前后的移动，当左操作杆和右操作杆同时动作时，吊装货物按照两方向上的运动进行叠加，并且吊装货物会按照操作者的操作随时做出调整；所述的控制台还包括有复位按钮和急停按钮，复位按钮用于四轴运动控制搭载装置重新启动，让四轴运动控制搭载装置回到初始状态急停按钮为在紧急情况下，进行停止并抱闸时使用。

3.根据权利要求1所述的四轴运动控制搭载装置，其特征在于：所述的四轴运动控制搭载装置中，还包括PLC智能控制器、伺服控制器，通过控制台上的左操作杆和右操作杆，将运行指令传递给PLC智能控制器的接收模块，然后PLC智能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，经空间立体几何关系式和物体运动方程式的综合应用，建立四个电机的空间运动方程，通过实时计算吊装货物的位置、高度、角度，来计算得出每台伺服电机所需要的速度和方向两个参数，同时根据吊装货物的实际位置随时计算出下一瞬时速度和方向大小所需调整的量，PLC智能控制器再将这些信号通过PROFIBUS网络，同步发送到四台伺服控制器，四台伺服控制器再驱动四台伺服电机进行加速或减速，正向或反向运行，驱动卷扬装置进行吊装货物移动，伺服电机内装的绝对值编码器将位置信号反馈给伺服控制器，以便于下一步的计算用。

4.根据权利要求1所述的四轴运动控制搭载装置，其特征在于：所述的四轴运动控制搭载装置中，还包括搭载装置，搭载装置平台由两个金属框架构成，一个是承重框架，承重框架下方是悬挂吊钩，另一个是水平框架，水平框架里装有十字分布的两根垂直固定架，固定架上面有钢丝绳的吊环，可用于固定四根钢丝绳，水平框架可以围绕中间的两个固定点旋转。

5.根据权利要求1所述的四轴运动控制搭载装置，其特征在于：所述的搭载装置，具有设定最大行程范围保护功能，当超过设定值时，搭载装置会自动停机，或向其他方向运动，实现搭载装置自我保护，该功能是通过程序预先设置好空间边界的尺寸，伺服电机实时将信号反馈给PLC智能控制器，当移动吊装货物的位置等于或大于设置的边界尺寸时，搭载装置将自动停止该方向上的继续运动，实现保护功能。

6.根据权利要求1所述的四轴运动控制搭载装置，其特征在于：所述的四轴运动控制搭载装置中，还包括伺服电机和卷扬装置，所述的卷扬装置上装有自动排线器，且卷扬装置与一减速机相连接，通过减速机齿轮的旋转，带动自动排线器的螺杆旋转，自动排线器和卷扬装置同步旋转，实现自动排线器的左右移动，完成自动排线，所述的伺服电机和卷扬装置经机械轴硬连接，中间不连接减速机。

7.根据权利要求1所述的四轴运动控制搭载装置，其特征在于：所述的四轴运动控制搭载装置中，还包括伺服电机，所述的伺服电机装有自动抱闸装置，所述的抱闸装置是集成在伺服电机内部，安装在伺服电机轴上，当伺服电机接收到PLC智能控制器运行信号时，抱闸自动打开，当伺服电机接收到PLC智能控制器停车信号时，自动抱闸，伺服电机一停止旋转，抱闸装置启动，将伺服电机轴进行抱闸制动，即能实现精确停车，又能防止伺服电机溜车，因此，搭载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，其特征在于：所述的钢丝绳某根出现断线时，搭载装置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。

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