CN104692250B - 起重机及其力矩测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重机及其力矩测量系统与方法，其中，该起重机力矩测量系统包括：投影设备，安装在起重机的起重臂内，用于将结构光投射至起重臂的臂顶；光学传感器，安装在所述起重机的起重臂内，用于感测经所述起重臂的臂顶反射后的结构光；控制装置，与所述光学传感器信号连接，所述控制装置用于根据所述光学传感器的感测结果，确定所述起重臂的轴线变形后的曲线，并根据所述曲线计算得到所述起重机的实际力矩值。本发明提供的起重机及其力矩测量系统及系统精度高，抗干扰强，直接可得到力矩大小，误差累积少。

Description

起重机及其力矩测量系统与方法

技术领域

本发明涉及起重机领域，特别涉及一种起重机及其力矩测量系统与方法。

背景技术

起重机作为特种安全设备，其安全性极为重要。当起重机的倾覆力矩大于其稳定力矩时，就会发生倾翻事故。起重机通过测量实际力矩与额定力矩的比值大小，设定报警范围。

现有测量力矩是通过以主臂下铰点建立力矩平衡的数据模型，同时利用力传感器、长度传感器、角度传感器、工作幅度、倍率值等的测量，计算实际吊重量和力矩百分比。但是，当起重机使用一段时间后，液压系统泄露等问题，造成实际力矩测量不准，计算误差较大。

因此，如何提供一种能有效提高起重机实际力矩测量准确率的方案是亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种起重机力矩测量系统与方法，能有效提高起重机实际力矩测量准确率。

一方面，本发明提供了一种起重机力矩测量系统，包括：投影设备，安装在起重机的起重臂内，用于将结构光投射至起重臂的臂顶；光学传感器，安装在所述起重机的起重臂内，用于感测经所述起重臂的臂顶反射后的结构光；控制装置，与所述光学传感器信号连接，用于根据所述光学传感器的感测结果，确定所述起重臂的轴线变形后的曲线，并根据所述曲线计算得到所述起重机的实际力矩值。

进一步地，所述控制装置包括：

第一处理单元，用于根据所述光学传感器的感测结果，确定所述起重臂的横截面变形后相对于未变形时转过的角度为θ，所述横截面中心变形后沿坐标轴y方向的位移为v；所述起重臂的轴线变形后的曲线表征为：其中，x为横坐标；第二处理单元，用于根据所述第一处理单元确定的曲线，以及公式(d²v)/(dx²)＝M/EI计算得到所述起重机的实际力矩值；其中，I为所述起重臂的惯性矩；E为所述起重臂弹性模量。

进一步地，所述光学传感器为CCD(电荷藕合器件图像，Charge CoupledDevice)传感器。

进一步地，所述CCD传感器安装在所述起重机的大臂内。

进一步地，所述投影设备为结构光投影仪，用于发出条状结构光；所述结构光投影仪安装在所述起重机的大臂内。

进一步地，所述结构光投影仪与所述CCD传感器安装在所述起重机的大臂的两侧，且对称设置。

另一方面，本发明提供了一种起重机，设置所述的起重机力矩测量系统。

进一步地，所述起重机力矩测量系统的控制装置集成设置在所述起重机的中央控制器内。

再一方面，本发明提供了一种起重机力矩测量方法，包括：将结构光投射至起重臂的臂顶；感测经所述起重臂的臂顶反射后的结构光；根据感测结果，确定所述起重臂的轴线变形后的曲线，并根据所述曲线计算得到所述起重机的实际力矩值。

进一步地，所述根据感测结果，确定所述起重臂的轴线变形后的曲线，并根据所述曲线计算得到所述起重机的实际力矩值的步骤包括：根据所述光学传感器的感测结果，确定所述起重臂的横截面变形后相对于未变形时转过的角度为θ，所述横截面中心变形后沿坐标轴y方向的位移为v；所述起重臂的轴线变形后的曲线表征为：其中，x为横坐标；根据所述第一处理单元确定的曲线，以及公式(d²v)/(dx²)＝M/EI计算得到所述起重机的实际力矩值；其中，I为所述起重臂的惯性矩；E为所述起重臂弹性模量。

本发明提供的起重机力矩测量系统与方法通过结构光测量起重臂的弯曲变形，得出臂所受的力矩，精度高，直接可得到起重臂的实际力矩大小，误差累积少，能有效提高起重臂的力矩测量精度。

上述起重机由于包括该起重机力矩测量系统，也就有相应的技术效果，不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的起重机力矩测量系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的起重机力矩测量系统中投影设备与光学传感器的安装示意图；

图3为本发明实施例提供的起重机力矩测量系统中光学传感器感测得到的结构光曲线的示意图，为便于理解还示出了大臂上表面的示意图；

图4为本发明实施例提供的起重臂的轴线变形后的曲线示意图；

图5为本发明实施例提供的起重臂实际力矩的求解示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

系统实施例

图1为本发明实施例提供的起重机力矩测量系统的结构框图；如图1所示，该起重机力矩测量系统可以包括：投影设备，安装在起重机的起重臂内，用于将结构光(结构光是指为具有一定形状特征的光线投影)投射至起重臂的臂顶；光学传感器，安装在所述起重机的起重臂内，用于感测经所述起重臂的臂顶反射后的结构光；控制装置，与所述光学传感器信号连接，所述控制装置用于根据所述光学传感器的感测结果，确定所述起重臂的轴线变形后的曲线，并根据所述曲线计算得到所述起重机的实际力矩值。

如图2所示，具体地，所述光学传感器可以为CCD传感器20。所述CCD传感器20可以安装在所述起重机的大臂30内。所述投影设备可以为结构光投影仪10，用于发出条状结构光，所述结构光投影仪10安装在所述起重机的大臂30内。优选地，为了提高感测精度，所述结构光投影仪10与所述CCD传感器20可以安装在所述起重机的大臂30的两侧，且(左右)对称设置。

具体操作时，结构光投射仪10将条状结构光投射到臂顶，结构光的形状与大臂变形后的形状一致，即得到结构光的形状11就可得到大臂变形后的形状31，具体如图3所示。结构光曲线即挠曲线，也即起重臂的轴线变形后的曲线，如图4所示，其中，挠度用V表示，其含义是起重臂横截面中心沿y方向的位移，转角用θ表示，其含义是：变形后，起重臂横截面相对其原来位置转过的角度。具体操作时，可以设置转角θ以逆时针为正。转角即为挠曲线在该点的切线与x轴的夹角。相应地，根据图4可以得到挠曲线方程为：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dx}}---\left(1\right)$

即： $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dx}}\right)---\left(2\right)$

一般在纯弯曲情况下，弯矩M(即力矩)与曲率的关系为：

1/ρ＝M/EI (3)

其中，ρ为曲率；I为起重臂的惯性矩；E为起重臂的弹性模量，为常数值，随材料的不同而不同。

如图5所示，由于微分弧段|ds|＝ρ|dθ|，即：1/ρ＝dθ/ds，结合上述公式(3)，进而得到：

dθ/ds＝M/EI (4)

根据求导公式：d(arctanx)/dx＝1/(1+x*x)可知：

$\begin{array}{c}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{ds}}=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dx}}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{ds}}=\frac{d}{\mathrm{dx}}\left[\arctan \left(\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dx}}\right)\right]\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{ds}}\\ =\frac{\frac{d^{2}v}{{\mathrm{dx}}^2}}{1+{\left(\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{ds}}\end{array}---\left(5\right)$

注意到同时为了求解方便，在小变形情况下，可将方程线性化，因为一般挠度远小于跨度，挠曲线是一非常平坦的曲线，转角θ也是一个非常小的角度，即 的值相对于1来说很小，可以忽略，根据上述公式(4)及(5)可以得到：

$\frac{\frac{d^{2}v}{{\mathrm{dx}}^2}}{1+{\left(\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}=\frac{M}{\mathrm{EI}}---\left(6\right)$

进而得到：

$\frac{d^{2}v}{{\mathrm{dx}}^2}=\frac{M}{\mathrm{EI}}---\left(7\right)$

上述公式(7)即为计算得到挠曲线的微分方程，适用于弯曲变形的任意情况，它是非线性的。公式(7)限定了挠曲线与弯矩的关系，即可以通过挠曲线得到起重臂的弯矩。

根据上述推导，控制器为实现计算得到所述起重机的实际力矩值的功能，相应地可以包括：

第一处理单元，用于根据所述光学传感器的感测结果，确定所述起重臂的横截面变形后相对于未变形时转过的角度为θ，所述横截面中心变形后沿坐标轴y方向的位移为v；所述起重臂的轴线变形后的曲线表征为：其中，x为横坐标；

第二处理单元，用于根据所述第一处理单元确定的曲线，以及公式(d²v)/(dx²)＝M/EI计算得到所述起重机的实际力矩值；其中，I为所述起重臂的惯性矩；E为所述起重臂弹性模量。

本实施例通过结构光测量起重臂的弯曲变形，得出臂所受的力矩，由于在起重臂内安装结构光投射设备和光学传感器，安装空间封闭，外界干扰较小，抗干扰强；同时光投射设备和光学传感器配合作用，精度高，直接可得到起重臂的实际力矩大小，误差累积少，能有效提高起重臂的力矩测量精度。

此外，本发明还提供了一种起重机实施例，其设置有所述的起重机力矩测量系统。具体地，所述起重机力矩测量系统的控制装置集成设置在所述起重机的中央控制器内。由于起重机包括上述起重机力矩测量系统，也具有相应的技术效果，不再赘述。

方法实施例

本发明实施例提供的起重机力矩测量方法可以适用但不限定于上述起重机力矩测量系统实施例，本发明实施例提供的起重机力矩测量方法包括：

步骤301：将结构光投射至起重臂的臂顶；

步骤302：感测经所述起重臂的臂顶反射后的结构光；

步骤303：根据感测结果，确定所述起重臂的轴线变形后的曲线，并根据所述曲线计算得到所述起重机的实际力矩值。

具体地，所述根据感测结果，确定所述起重臂的轴线变形后的曲线，并根据所述曲线计算得到所述起重机的实际力矩值的步骤包括：

根据所述光学传感器的感测结果，确定所述起重臂的横截面变形后相对于未变形时转过的角度为θ，所述横截面中心变形后沿坐标轴y方向的位移为v；所述起重臂的轴线变形后的曲线表征为：其中，x为横坐标；

根据所述第一处理单元确定的曲线，以及公式(d²v)/(dx²)＝M/EI计算得到所述起重机的实际力矩值；其中，I为所述起重臂的惯性矩；E为所述起重臂弹性模量。

本实施例利用光学测量起重臂的力矩，以便于精确获知起重臂的变形，精度高，抗干扰强，直接可得到力矩大小，误差累积少。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种起重机力矩测量系统，其特征在于，包括：

投影设备，安装在起重机的起重臂内，用于将结构光投射至起重臂的臂顶；

光学传感器，安装在所述起重机的起重臂内，用于感测经所述起重臂的臂顶反射后的结构光；

控制装置，与所述光学传感器信号连接，用于根据所述光学传感器的感测结果，确定所述起重臂的轴线变形后的曲线，并根据所述曲线计算得到所述起重机的实际力矩值。

2.根据权利要求1所述的起重机力矩测量系统，其特征在于，所述控制装置包括：

第一处理单元，用于根据所述光学传感器的感测结果，确定所述起重臂的横截面变形后相对于未变形时转过的角度为θ，所述横截面中心变形后沿坐标轴y方向的位移为v；所述起重臂的轴线变形后的曲线表征为：tanθ＝dv/dx；其中，x为横坐标；

第二处理单元，用于根据所述第一处理单元确定的曲线，以及公式(d²v)/(dx²)＝M/EI计算得到所述起重机的实际力矩值；其中，M为力矩；I为所述起重臂的惯性矩；E为所述起重臂弹性模量。

3.根据权利要求1或2所述的起重机力矩测量系统，其特征在于，所述光学传感器为CCD传感器。

4.根据权利要3所述的起重机力矩测量系统，其特征在于，所述CCD传感器安装在所述起重机的大臂内。

5.根据权利要4所述的起重机力矩测量系统，其特征在于，所述投影设备为结构光投影仪，用于发出条状结构光；所述结构光投影仪安装在所述起重机的大臂内。

6.根据权利要5所述的起重机力矩测量系统，其特征在于，所述结构光投影仪与所述CCD传感器安装在所述起重机的大臂的两侧，且对称设置。

7.一种起重机，其特征在于，设置有如权利要求1-6中任一项所述的起重机力矩测量系统。

8.根据权利要7所述的起重机，其特征在于，所述起重机力矩测量系统的控制装置集成设置在所述起重机的中央控制器内。

9.一种起重机力矩测量方法，其特征在于，包括：

将结构光投射至起重臂的臂顶；

感测经所述起重臂的臂顶反射后的结构光；

根据感测结果，确定所述起重臂的轴线变形后的曲线，并根据所述曲线计算得到所述起重机的实际力矩值。

10.根据权利要求9所述的起重机力矩测量方法，其特征在于，所述根据感测结果，确定所述起重臂的轴线变形后的曲线，并根据所述曲线计算得到所述起重机的实际力矩值的步骤包括：

根据所述经所述起重臂的臂顶反射后的结构光的感测结果，确定所述起重臂的横截面变形后相对于未变形时转过的角度为θ，所述横截面中心变形后沿坐标轴y方向的位移为v；所述起重臂的轴线变形后的曲线表征为：tanθ＝dv/dx；其中，x为横坐标；

根据所述起重臂的轴线变形后的所述曲线表征，以及公式(d²v)/(dx²)＝M/EI计算得到所述起重机的实际力矩值；其中，M为力矩；I为所述起重臂的惯性矩；E为所述起重臂弹性模量。