CN104296912A - 双折臂双工作臂船用多功能机械手的力矩测量及限制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双折臂双工作臂船用多功能机械手的力矩测量及限制系统，四个角度传感器分别安装在主臂、回转塔身、起重臂、多功能臂上；两个油压传感器分别安装于主臂变幅油缸的两腔，用来测量主臂变幅油缸有杆腔和无杆腔的压力；显示及力矩限制单元接收角度传感器和油压传感器的测量信号，输出力和力矩限制信号给双折臂、双工作臂船用多功能机械手。本发明以最优化的方式准确的检测出了双折臂、双工作臂船用多功能机械手的作业力及力矩状态，避免了双工作臂重复取力且受自重随角度变化的影响，大大简化了传感器的布置及数量，对起重臂和多功能臂均能够通过角度折算和油压检测的方式计算出相应的力和力矩的状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种力矩测量及限制系统，尤其是一种适用于双折臂、双工作臂船用多功能机械手的力矩测量及限制系统。
背景技术
双折臂、双工作臂船用多功能机械手适用于三用途工作船、救助船、打捞船、远洋渔业船等工程船舶。其特有的抓取装置多功能化，为各种复杂的作业工况提供了设备保障。双折臂、双工作臂船用多功能机械手是甲板安全作业系统的核心设备之一，并集成传统甲板设备锚机、拖缆机、鲨鱼钳、绞盘等形成的完整的作业系统。双折臂、双工作臂船用多功能机械手突破了传统的甲板作业的工作模式，同时支持舷外作业、双机协调作业，满足海上特种作业的需求。对于双折臂、双工作臂船用多功能机械手来说，由于作业工况复杂，执行机构众多，故设备作业时的安全性亦变得由为重要。
（1）Rolls-Royce公司开发的安全甲板操作系统（Safe Deck Operation System）主要安装于海洋工程船舶上，用于起重、抓锚链、抓钢丝绳、钩缆绳等锚作业。该系统的核心是一对可在船艉部作业区域行走的自行式液压双折臂吊，其中一个工作臂带有多功能头，具有抓锚链、抓钢丝绳的功能，另一个工作臂具有起重和钩缆绳的功能。 该设备起重臂采用的力矩限制系统的原理是在钢丝绳上设置轴销传感器，配合在工作臂油缸和主臂油缸上设置的角度传感器来计算出多功能机械手的力和力矩状态的。由于该位置的轴销传感器只能通过钢丝绳测力，在多功能臂上因无测力元件，无法获得多功能臂上的力和力矩状态；对整个设备在船上的倾斜角度也无法检测，更没有判断设备所处的海况等级的措施。
（2）为了提高甲板作业安全，麦基嘉集团开发的系统称之为甲板作业机械手系统（deck handling manipulator system －DHMS），该系统中的核心设备也是自行式液压折臂吊。因只有一个工作臂，功能相对单一，主要为起重使用。该设备的力和力矩的测量方式是在钢丝绳上设置三滑轮传感器来测得设备吊重的实际重量，配合在角度传感器来计算出设备的力和力矩状态。
发明内容
本发明是要提供一种适用于双折臂、双工作臂船用多功能机械手最优化的力矩测量及限制系统，区别于传统的力矩测量方式，对于双折臂、双工作臂船用多功能机械手，免去了对两个臂架分别测力，使整个力矩检测系统得到最大的优化，减少了传感器的布置，大大提高了力和力矩检测的可靠性和准确性。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种双折臂双工作臂船用多功能机械手的力矩测量及限制系统，由角度传感器、油压传感器、显示及力矩限制单元组成，其特点是：四个角度传感器分别安装在主臂、回转塔身、起重臂、多功能臂上，其中：主臂角度传感器以水平面为基准面来测量主臂变幅的角度变化，多功能臂角度传感器和起重臂角度传感器均以主臂下表面为基准面分别测量多功能臂和起重臂变幅的角度变化，塔身角度传感器以水平面为基准面来测量整个设备倾斜角度；两个油压传感器分别安装于主臂变幅油缸的两腔，用来测量主臂变幅油缸有杆腔和无杆腔的压力；显示及力矩限制单元接收角度传感器和油压传感器的测量信号，输出控制输出力和力矩限制信号给双折臂、双工作臂船用多功能机械手。
显示及力矩限制单元包括显示屏、控制器，控制器安装于回转塔身内部，控制器分别接收主臂角度传感器、多功能臂角度传感器、起重臂角度传感器、塔身角度传感器、有杆腔油压传感器、无杆腔油压传感器的测量信号后，计算出双折臂、双工作臂船用多功能机械手的实时力和力矩状态，输出经过修正、拟合的输出力和力矩限制信号。
本发明的有益效果：
本发明与国外相似设备相比，双折臂、双工作臂船用多功能机械手的力矩测量及限制系统的优势尤为突出，主要有以下几点：
1. 通过塔身角度传感器，可以检测出整个设备倾斜角度，以此倾斜角度可以用来判断设备所处的海况等级，根据相应的海况等级自动限定不同的力和力矩值，最大范围的使双折臂、双工作臂船用多功能机械手的工作能力得以发挥，同时也保证了高海况作业下人员及设备的安全。
2. 采用主臂油缸油压传感器测力的方式，能够计算出两个工作臂的力和力矩状态。减少了传感器布置的数量，大大提高了力和力矩测量的可靠性和准确性。
3.采用油缸测压的方式，避免了使用三滑轮传感器等从钢丝绳直接取力的方式，消除了传感器对钢丝绳因磨损而造成的隐患，延长了设备零部件的使用年限。本发明实现了双折臂、双工作臂船用多功能机械手的力矩测量及限制，区别于对每个工作臂分别测量力和力矩的方式，使双折臂、双工作臂的船用多功能机械手的力和力矩检测系统得到最大的优化，减少了传感器的数量，大大提高了力和力矩检测的可靠性和准确性。
本发明的双折臂、双工作臂船用多功能机械手的力矩测量及限制系统，不仅能够准确的检测出起重臂和多功能臂的起升载荷状态，还能够根据塔身角度传感器信号值，测量出船舶受风浪影响的摆动角度值，根据此摆动角度确定当前海况对作业的影响。在不同的海况下自动限制不同力矩大小，最大范围的使行走式多功能机械手的工作能力得以发挥，同时也保证了高海况作业下人员及设备的安全。
附图说明
图1是本发明的系统原理框图；
图2是角度传感器结构主视图；
图3是图2的左视图；
图4是油压传感器结构主视图；
图5是图4的俯视图；
图6是显示及力矩限制单元平面图；
图7是显示屏显示参数图；
图8是双折臂、双工作臂船用多功能机械手的力矩测量及限制系统控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图8所示，本发明的适用于双折臂、双工作臂船用多功能机械手的力矩测量及限制系统，由角度传感器、油压传感器、显示及力矩限制单元组成。
如图1所示，角度传感器包括主臂角度传感器4、多功能臂角度传感器8、起重臂角度传感器2、塔身角度传感器7，主臂角度传感器4安装在主臂3尾端，以水平面为基准面来测量主臂3变幅的角度变化，多功能臂角度传感器8安装在多功能臂9尾端，起重臂角度传感器2安装在起重臂1尾端，均以主臂3下表面为基准面分别测量多功能臂9和起重臂1变幅的角度变化，塔身角度传感器7安装在回转塔身6上，以水平面为基准面来测量整个设备倾斜角度；油压传感器包括主臂变幅油缸10的有杆腔油压传感器11、无杆腔油压传感器12，用于检测主臂变幅油缸10的压力，从而实现测量双折臂、双工作臂船用多功能机械手起重臂1或多功能臂9起升载荷；显示及力矩限制单元包括显示屏、控制器5，显示屏和控制器5安装于回转塔身6内部，控制器5分别接收主臂角度传感器4信号、多功能臂角度传感器8信号、起重臂角度传感器2信号、塔身角度传感器7信号、主臂变幅油缸10的有杆腔油压传感器11信号和无杆腔油压传感器12信号。通过控制器5计算出双折臂、双工作臂船用多功能机械手的实时力和力矩状态，通过程序设定的参数对各个传感器的数据进行修正、拟合，最终输出力和力矩限制信号。
如图2，3所示，角度传感器可实现臂架变幅角度的精确测量，铸铝合金壳体密封性强，可确保不受温度、湿度及其他外因的影响，技术参数如下：
1. 供电电压：DC 9～36V
2. 输出信号：电流型 4～20mA
3. 线性误差：<±0.2°
4. 滞后误差：<±0.1°
5. 工作温度：-40℃～+85℃
6. 存储温度：-40℃～+85℃
7. 防护等级：IP67
如图4，5所示，油压传感器可在恶劣环境下测量液体的动态压力，在压力波动较大的条件下依然能保持测量精度，油压传感器采用G1/4A标准螺纹接口，技术参数如下：
1. 工作电压： DC 8～32V
2. 输出信号：电流型 4～20mA
3. 线形误差：< 0.15%
4. 滞后误差：<±0.1%
5. 工作温度： -40℃～+85℃
6. 存储温度： -40℃～+100℃
7. 防护等级： IP67
如图6所示，显示及力矩限制单元可同时完成显示屏信息显示、力及力矩计算、限制的功能。能够直观地图形化显示双折臂、双工作臂船用多功能机械手的各种作业参数，具有预警、力矩超限报警及报警信号输出功能，可通过串口进行数据的上传和下载，具有数据记录功能。技术参数如下：
1. 工作电压： DC 11～36V
2. 通讯接口：CANOPEN 2.0B 、RS232
3. 显示屏尺寸：5.7英寸
4. 模拟量输入：6路（4～20mA）
5. 数字量输入：6路
6. 数字量输出：6路（2A）
7. 工作温度： -20℃～+70℃
8. 存储温度： -30℃～+80℃
9. 防护等级： IP66
如图7所示，显示屏上显示起重臂1、多功能臂9与主臂3的夹角13，主臂3与水平面夹角14，回转塔身6与水平面夹角15，臂展距离16，力和力矩限制预警信号17，力和力矩限制超限信号18，时间19，力矩百分比20，实际重量21，额定重量22。
双折臂、双工作臂船用多功能机械手装置本身为多转臂系统，并且在特定情况下受到摩擦力及设备基座的倾斜对力矩计算的影响，模型的建立比较复杂。
主臂3和工作臂的臂长不变，但随着油缸的变幅伸缩，力臂会发生改变。采用主臂角度传感器4、起重臂角度传感器2、多功能臂角度传感器8就是为了换算力臂以及测量各部件重心位置。塔身角度传感器7则是用来测量整个设备倾斜角度，从而修正力臂。结合受力基点即主臂变幅油缸10的有杆腔和无杆腔，分别配备有油压传感器进行压力测量，计算得到起吊重物的力和力矩。
传统的测量均为在臂架上直接取力，对于双工作臂的多功能机械手而言，直接取力模型过于复杂。采用测量主臂变幅油缸10的油压和工作臂变幅角度折算组合的技术进行系统力及力矩测量，不仅简化了双臂测量系统，而且可以根据产品系列要求进行力学模型参数调整与修正，达到一体化设计要求。
如图8所示，双折臂、双工作臂船用多功能机械手的力矩测量及限制系统控制流程图。系统上电后，首先控制器5和各传感器进行自检，若有故障存在，则将有问题的传感器及故障类型代码传送至显示屏上，待故障消除后，系统方可回复正常；正常工作时，系统先通过塔身传感器4的信号值判断设备所处的海况等级，通过海况等级设定相对应的力和力矩最大值；通过臂架上的三个角度传感器进行重心和力臂计算，结合主臂变幅油缸10上的油压传感器最终计算出设备的负载力和负载力矩；当负载力或负载力矩处于限定最大值的90%～100%时，发出力和力矩限制预警信号17；当负载力或负载力矩大于等于限定最大值，发出力和力矩限制超限信号18，并且当强制动作开关没有被激活时，系统自动屏蔽使力或力矩增大方向的动作。
Claims (2)
1.一种双折臂双工作臂船用多功能机械手的力矩测量及限制系统，由角度传感器、油压传感器、显示及力矩限制单元组成，其特征在于：四个角度传感器分别安装在主臂（3）、回转塔身（6）、起重臂（1）、多功能臂（9）上，其中：主臂角度传感器（4）以水平面为基准面来测量主臂变幅的角度变化，多功能臂角度传感器（8）和起重臂角度传感器（2）均以主臂下表面为基准面分别测量多功能臂和起重臂变幅的角度变化，塔身角度传感器（7）以水平面为基准面来测量整个设备倾斜角度；两个油压传感器分别安装于主臂变幅油缸（10）的两腔，用来测量主臂变幅油缸有杆腔和无杆腔的压力；显示及力矩限制单元接收角度传感器和油压传感器的测量信号，输出力和力矩限制信号给双折臂、双工作臂船用多功能机械手。
2.根据权利要求书1所述的双折臂双工作臂船用多功能机械手的力矩测量及限制系统，其特征在于：所述显示及力矩限制单元包括显示屏、控制器（5），控制器（5）安装于回转塔身（6）内部，控制器（5）分别接收主臂角度传感器（4）、多功能臂角度传感器（8）、起重臂角度传感器（2）、塔身角度传感器（7）、有杆腔油压传感器（11）、无杆腔油压传感器（12）的测量信号后，计算出双折臂、双工作臂船用多功能机械手的实时力和力矩状态，输出经过修正、拟合的输出力和力矩限制信号，并在显示屏上显示。
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