CN104760890A - 一种回转式起重设备吊具防摇装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种回转式起重设备吊具防摇装置及其控制方法，在回转式起重设备控制系统的基础上添加了一个防摇控制模块，同时采用可连续实时测量吊具在光平面中坐标位置的光带传感器，检测回转机构回转速度的回转机构光电编码器，检测俯仰机构俯仰速度的俯仰机构光电编码器，检测吊臂指定作业高度的吊臂接近开关、吊臂位置开关；通过光带传感器实时测量与吊具相连接的钢丝绳摆动过程在光平面中的空间坐标位置，将坐标位置信息传输到控制系统的防摇控制模块进行分析对比，并通过改变变频器的参数进行速度调控，使吊具摆角减至设定值以内，解决了回转式起重设备在运行时吊具发生大幅度摆动的问题，保证吊具平稳可靠运行。

Description

一种回转式起重设备吊具防摇装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及工程机械领域，尤其涉及回转式起重设备吊具的防摇装置及其控制方法。

技术背景

起重设备有很多种，有回转式、轮胎式、门式、桥式起重设备等等，它们一般都有俯仰、回转及行走等主要机构，他们主要依靠驱动电机带动俯仰机构的钢丝绳来实现货物搬运以及回转机构实现货物的转载。

随着起重设备向大型化、高效性发展，起重设备的俯仰、回转及行走速度或高度也相应提高，由于俯仰高度的增加导致钢丝绳的长度和操作手的视距的不断增加，再加上俯仰及回转速度的提高使吊具(货物)在运行过程中有很大的摆动，且起重设备需要在各种环境下工作(如在运动的平台上工作、风浪等)，依靠空气阻尼来自然消除摆动会占去大量工作时间，而且严重影响生产效率，在安全方面也存在着极大隐患，必须采用有效的方法及时减小或制止摆动。就目前研究情况来看，减摇减摆控制主要集中轮胎式、门式、桥式起重设备，特别是桥式起重机运行小车下吊具的防摇控制，而在防止单吊臂回转式起重设备吊具的摇摆及对其回转过程中吊具空间角度的控制方面会属于空白。

申请号为201220724192.7，名为“一种起重机回转防摇装置及起重机”的实用新型专利，提出了在吊臂上安装驱动装置和张紧装置，并通过与之相连接的钢丝绳的牵引来抑制起重机回转过程中出现的摇摆情况。但上述防摆装置属于机械式防摇控制，防摇可靠性差，实时检测与控制能力不足；另外，驱动装置的作业高度需要手动调节，不能实现作业过程自动化控制。

申请号为201310752291.5，名为“一种起重机和起重机钢丝绳防摇控制方法”的发明专利，提出采用抑制X方向与Y方向的钢丝绳限摇控制方法，实现了自动微调回转与俯仰速度。但该防摇控制方法存在钢丝绳位置的测量盲区，防摇可靠性差，同时实时检测与控制能力不足，不能实现作业过程的PID自整定与模糊控制，也不能得知回转及俯仰的实时速度。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种回转式起重设备吊具防摇控制方法，通过光带传感器实时测量与吊具相连接的钢丝绳摆动过程在光平面中的空间坐标位置，将坐标位置信息传输到控制系统的防摇控制模块进行分析对比，并通过改变变频器的参数进行速度调控，使吊具摆角减至设定值以内，解决了回转式起重设备在运行时吊具发生大幅度摆动的问题，保证吊具平稳可靠运行。

一种回转式起重设备吊具防摇装置，包括防摇控制模块、光带传感器、回转机构光电编码器、俯仰机构光电编码器、吊臂、吊臂接近开关、吊臂位置开关；

所述光带传感器是由A、B两组高速激光扫描测量仪构成；所述A组高速激光扫描测量仪是由A组高速激光扫描测量仪发射器和A组高速激光扫描测量仪接收器构成；所述B组高速激光扫描测量仪也是由B组高速激光扫描测量仪发射器，B组高速激光扫描测量仪接收器所构成；所述A组高速激光扫描测量仪发射器和A组高速激光扫描测量仪接收器分别安装在与起重设备吊臂固定连接的光带传感器安装架的左右侧托架上，用于实时检测与吊具相连接的钢丝绳的在光平面中的X方向上的坐标位置；所述B组高速激光扫描测量仪发射器和B组高速激光扫描测量仪接收器分别安装在与起重设备吊臂固定连接的光带传感器安装架的前后侧托架上，用于实时检测与吊具相连接的钢丝绳的在光平面中的Y方向上的坐标位置；所述光平面是由安装于光带传感器安装架的前后侧与左右侧托架上的A、B两组高速激光扫描测量仪所发出的连续平行光线交织而成的面；所述由A、B两组高速激光扫描测量仪所发出的连续平行光线交织而成的光平面与吊臂1上的钢丝绳穿孔的距离为h；

所述回转机构光电编码器直接安装在回转机构驱动电机轴端的一侧，用于检测回转机构驱动电机的转数n₁；所述俯仰机构光电编码器直接安装在俯仰机构驱动电机轴端的一侧，用于检测俯仰机构驱动电机的转数n₂；

所述吊臂接近开关安装在吊臂上，所述吊臂位置开关安装在回转塔架上，二者配合使用来确定吊臂的作业位置高度；

上述方案中，所述光带传感器安装架呈正方体框架结构，并通过光带传感器安装架连接杆焊接在吊臂上。

上述方案中，所述光平面与钢丝绳穿孔的距离范围为500mm<h<800mm，A、B两组高速激光扫描测量仪测量的光平面区域为35mm×35mm。

本发明采用了可连续实时测量吊具位置的光带传感器，检测回转机构速度的回转机构光电编码器，检测俯仰机构速度的俯仰机构光电编码器，检测吊臂指定作业高度的吊臂接近开关、吊臂位置开关。所述光带传感器由A、B两组高速激光扫描测量仪构成，分别安装于与起重设备吊臂固定连接的光带传感器安装架的左右侧和前后侧的托架上，且保证光带传感器所交织成侧光平面距离吊臂钢丝绳穿孔的距离为h＝700mm。选用的A、B两组LS5000系列高速激光扫面测量仪构成的光带传感器所交织成光平面测量区域为35mm×35mm，可实时检测与吊具相连接的钢丝绳的坐标位置；所述回转机构光电编码器直接安装在回转机构驱动电机轴端的一侧，所述俯仰机构光电编码器安装俯仰机构驱动电机轴端的一侧，分别检测回转机构驱动电机转数n₁与俯仰机构驱动电机的转数n₂。所述吊臂接近开关与吊臂位置开关配合使用，来确定吊臂的作业高度。

本发明通过以下计算方案予以实现：

所述回转机构的回转速度v₁俯仰机构的俯仰速度v₂的计算公式为

v_i＝πdn_i   (i＝1,2)

所述与吊具相连的钢丝绳的摆角θ₀以及在光平面X/Y方向的分量θx和θy的计算公式为

${\mathrm{\&theta;}}_0=\arctan \frac{\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2}}{h};\mathrm{\&theta;x}=\arctan \frac{x_0}{h};\mathrm{\&theta;y}=\arctan \frac{y_0}{h}$

一种回转式起重设备吊具的防摇控制方法，该吊具防摇控制方法是在回转式起重设备控制系统的基础上添加了一个防摇控制模块。所述防摇控制模块将模糊控制器和内置PID调节器的PLC编程为独立的模块并内置于回转式起重设备控制系统中，其输出端与回转机构和俯仰机构的驱动电机的变频器相连接，用于实时信号的计算、分析、处理与控制。

步骤一，启动回转式起重设备，运行俯仰机构，吊臂作俯仰运动，当吊臂接近开关靠近吊臂位置开关时，将接近信息经数模转换器转换为PLC可识别的信息后传递给PLC；

步骤二，PLC经内置的PID调节器调节后将相关控制参数信息传递到俯仰机构变频器，俯仰机构变频器通过改变相关参数来降低俯仰机构驱动电机的俯仰速度，俯仰机构驱动电机的俯仰速度可由安装在驱动电机轴端一侧的俯仰机构光电编码器通过检测驱动电机的转数n₂来求得；

步骤三，俯仰机构减速后缓慢向吊臂位置开关靠近，当吊臂接近开关接触到吊臂位置开关时，吊臂位置开关将停止运行的信息经数模转换器转换为PLC可识别的信息后传递给PLC，PLC经内置的PID调节器调节后将相关停止运行的控制参数信息传递到俯仰机构变频器，俯仰机构变频器通过改变相关参数来阻止俯仰机构驱动电机的运转，回转起重设备的起重臂到达指定俯仰高度；

步骤四，回转式起重设备开始回转作业；回转机构光电编码器实时检测回转机构驱动电机的回转转数n₁；光带传感器实时检测钢丝绳在光带传感器所构成的光平面的坐标位置P(x₀，y₀)；

步骤五，回转机构驱动电机的转数n₁、钢丝绳在光带传感器所构成的光平面的坐标位置P(x₀，y₀)通过数据传输装置传递到防摇控制模块中，并计算出回转机构回转速度v₁、钢丝绳的摆角θ₀以及在光平面X/Y方向的分量摆角θx和θy；

步骤六，与预先设定的参数值汇总整合，并经A/D转化器转化为模糊控制器可识别的参数后，及时传送给防摇控制模块的模糊控制器，模糊控制器对整合后的信息进行计算、模糊处理与决策、反模糊化之后，将模糊处理的值经D/A转化为PLC识别的信号传递到内置PID调节器的PLC中进行分析计算，根据计算结果发出相应的指令，传递给与回转机构驱动电机相连接的变频器，变频器通过改变相关参数的设置，进而控制回转机构驱动电机的速度v₁，使吊具的摆角限制在设定范围以内。

上述方法中，将具有模糊控制理论的模糊控制器和PID控制技术相结合，构建了简易的模糊自整定PID控制器。

上述方法中，所述吊臂接近开关与吊臂位置开关控制的吊臂指定高度，是保证光带传感器安装架处于与运行轨道所在平面平行的位置高度。

本发明的有益效果：

1.将模糊控制理论和PID控制技术相结合，构建了基于模糊自整定PID防摇控制方案，能够较好地实现吊具的作业过程的防摇功能，防摇可靠性较强。

2.通过两组高速激光扫描测量仪构成的光带传感器实时检测吊具摆动空间角度的大小，可实现吊具摇摆的连续控制。

3.该电子式防摇方法安全可靠，自动化程度高，操作简单，稳定性及高效性突出。

附图说明

图1为回转式起重设备吊具防摇控制方法示意图；

图2为回转式起重设备吊具防摇控制模块连接示意图

图3为回转式起重设备吊具防摇控制方法控制流程示意图；

图4为回转式起重设备吊具摇摆及吊具位置检测示意图。

图中：1、吊臂，2、光带传感器安装架，3、钢丝绳，4、吊具，5、A组高速激光扫描测量仪发射器，6、A组高速激光扫描测量仪接收器，7、B组高速激光扫描测量仪发射器，8、B组高速激光扫描测量仪接收器，9、钢丝绳穿孔，10、光带传感器安装架连接杆，11、吊臂接近开关，12、吊臂位置开关，13、回转塔架。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1与2所示，本发明是在回转式起重设备控制系统的基础上添加了一个防摇控制模块。所述防摇控制模块将模糊控制器和内置PID调节器的PLC编程为独立的模块并内置于回转式起重设备控制系统中，构建了基于模糊自整定PID防摇控制方案。该防摇控制模块的输出端与回转机构和俯仰机构的驱动电机的变频器相连接，所述回转式起重设备的回转机构和俯仰机构的驱动电机与变频器直接相连；所述回转机构和俯仰机构的驱动电机上分别安装有回转机构光电编码器和俯仰机构光电编码器，可分别检测回转机构的转数n₁和俯仰机构的驱动电机的转数n₂；同时所述吊臂1上安装有吊臂接近开关11和吊臂位置开关12，用来控制吊臂1的指定作业高度。

如图4所示，本发明还采用了可连续实时测量吊具位置的光带传感器、检测回转机构速度的回转机构光电编码器、检测俯仰机构速度的俯仰机构光电编码器。所述光带传感器是由A、B两组高速激光扫描测量仪构成；所述A组高速激光扫描测量仪是由A组高速激光扫描测量仪发射器5和A组高速激光扫描测量仪接收器6构成；所述B组高速激光扫描测量仪也是由B组高速激光扫描测量仪发射器7，B组高速激光扫描测量仪接收器8所构成；所述A组高速激光扫描测量仪发射器5和A组高速激光扫描测量仪接收器6分别安装在与起重设备吊臂1固定连接的光带传感器安装架2的左右侧托架上，用于实时检测与吊具4相连接的钢丝绳3的在光平面中的X方向上的坐标位置；所述B组高速激光扫描测量仪发射器7和B组高速激光扫描测量仪接收器8分别安装在与起重设备吊臂1固定连接的光带传感器安装架2的前后侧托架上，用于实时检测与吊具4相连接的钢丝绳3的在光平面中的Y方向上的坐标位置；所述光平面是由安装于光带传感器安装架2的前后侧与左右侧托架上的A、B两组高速激光扫描测量仪所发出的连续平行光线交织而成的面，其测量区域为35mm×35mm，测量区域的大小由所选用的的A、B两组高速激光扫描测量仪的规格决定；所述由A、B两组高速激光扫描测量仪所发出的连续平行光线交织而成的光平面与吊臂1上的钢丝绳穿孔9的距离为h＝700mm，这一距离的大小既与所选用的的A、B两组高速激光扫描测量仪有关，也与呈正方体的光带传感器安装架2的自身高度有关，但建议不要太大。

如图1～4所示，一种回转式起重设备吊具的防摇控制方法分如下：

步骤一，启动回转起重设备，运行俯仰机构，吊臂1作俯仰运动，当安装在吊臂1上的吊臂接近开关11靠近安装在回转塔架13上的吊臂位置开关时，将接近信息经数模转换器转换为PLC可识别的信息后传递给PLC；

步骤二，PLC经内置的PID调节器调节后将相关控制参数信息传递到俯仰机构变频器，俯仰机构变频器通过改变相关参数来降低俯仰机构驱动电机的俯仰速度，俯仰机构驱动电机的俯仰速度可由安装在驱动电机轴端一侧的俯仰机构光电编码器通过检测驱动电机的转数n₂来求得，其公式为v₂＝πdn₂；

步骤三，俯仰机构减速后缓慢向吊臂位置开关12靠近，当吊臂接近开关11接触到吊臂位置开关12时，吊臂位置开关12将停止运行的信息经数模转换器转换为PLC可识别的信息后传递给PLC，PLC经内置的PID调节器调节后将相关停止运行的控制参数信息传递到俯仰机构变频器，俯仰机构变频器通过改变相关参数来停止俯仰机构驱动电机的运转，这时回转起重设备的起重臂到达指定俯仰高度；

步骤四，回转式起重设备开始回转作业；作业过程中安装于回转机构驱动电机上的回转机构光电编码器实时检测回转机构驱动电机的回转转数n₁；安装在与起重设备吊臂1固定连接的光带传感器安装架2上的光带传感器实时检测与吊具相连的钢丝绳的在光带传感器所构成的光平面的坐标位置P(x₀，y₀)；

步骤五，回转机构驱动电机的转数n₁、与吊具相连的钢丝绳的在光带传感器所构成的光平面的坐标位置P(x₀，y₀)两个信息借助数据传输装置实时传递到回转式起重设备控制系统的防摇控制模块中，并根据公式v₁＝πdn₁计算出回转机构回转速度v₁、根据公式 ${\mathrm{\&theta;}}_0=\arctan \frac{\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2}}{h};\mathrm{\&theta;x}=\arctan \frac{x_0}{h};\mathrm{\&theta;y}=\arctan \frac{y_0}{h}$ 计算出与吊具相连的钢丝绳的摆角θ₀以及在光平面X/Y方向的分量摆角θx和θy；

步骤六，与预先设定的参数值汇总整合，并经A/D转化器转化为模糊控制器可识别的参数后，及时传送给位于控制系统防摇控制模块的模糊控制器，模糊控制器对整合后的信息进行计算、模糊处理与决策、反模糊化之后，将模糊处理的值经D/A转化为PLC识别的信号传递到内置PID调节器的PLC中进行分析计算，根据计算结果发出相应的指令给与回转机构驱动电机相连接的变频器，与回转机构驱动电机相连接的变频器通过改变相关参数的设置，进而控制回转机构驱动电机的速度v₁，使吊具的摆角限制在设定范围以内。

所述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种回转式起重设备吊具防摇装置，其特征在于：包括防摇控制模块、光带传感器、回转机构光电编码器、俯仰机构光电编码器、吊臂(1)、吊臂接近开关(11)、吊臂位置开关(12)；

所述防摇控制模块是将模糊控制器和内置PID调节器的PLC编程为独立的模块内置于回转式起重设备控制系统中，其输出端与回转机构和俯仰机构的驱动电机的变频器相连接；

所述光带传感器包括A、B两组高速激光扫描测量仪；所述A组高速激光扫描测量仪包括A组高速激光扫描测量仪发射器(5)和A组高速激光扫描测量仪接收器(6)；所述B组高速激光扫描测量仪包括B组高速激光扫描测量仪发射器(7)和B组高速激光扫描测量仪接收器(8)；

所述A组高速激光扫描测量仪发射器(5)和A组高速激光扫描测量仪接收器(6)分别安装在与起重设备吊臂(1)固定连接的光带传感器安装架(2)的左右侧托架上，实时检测与吊具(4)相连接的钢丝绳(3)在光平面中的X方向上的坐标位置；

所述B组高速激光扫描测量仪发射器(7)和B组高速激光扫描测量仪接收器(8)分别安装在与起重设备吊臂(1)固定连接的光带传感器安装架(2)的前后侧托架上，实时检测与吊具(4)相连接的钢丝绳(3)在光平面中的Y方向上的坐标位置；

所述光平面是A、B两组高速激光扫描测量仪发出的连续平行光线交织而成的面；所述光平面与吊臂(1)顶端上的钢丝绳穿孔(9)的距离为h；

所述回转机构光电编码器安装在回转机构驱动电机轴端的一侧，用于检测回转机构驱动电机的转数n₁；所述俯仰机构光电编码器安装在俯仰机构驱动电机轴端的一侧，用于检测俯仰机构驱动电机的转数n₂；

所述吊臂接近开关(11)安装在吊臂(1)上，所述吊臂位置开关(12)安装在回转塔架(13)上，所述吊臂接近开关(11)和吊臂位置开关(12)配合使用来确定吊臂(1)的作业位置高度。

2.根据权利要求1所述的一种回转式起重设备吊具防摇装置，其特征在于，所述光带传感器安装架(2)呈正方体框架结构，并通过光带传感器安装架的连接杆(10)焊接在吊臂(1)上。

3.根据权利要求1所述的一种回转式起重设备吊具防摇装置，其特征在于：所述光平面与钢丝绳穿孔(9)的距离h范围为500mm<h<800mm，A、B两组高速激光扫描测量仪测量的光平面区域为35mm×35mm。

4.一种回转式起重设备吊具防摇控制方法，包括如下步骤：

步骤一，启动回转式起重设备，运行俯仰机构，吊臂(1)作俯仰运动，当吊臂接近开关(11)靠近吊臂位置开关(12)时，将接近信息经数模转换器转换为PLC可识别的信息后传递给PLC；

步骤二，PLC经内置的PID调节器调节后将相关控制参数信息传递到俯仰机构变频器，俯仰机构变频器通过改变相关参数来降低俯仰机构驱动电机的俯仰速度，俯仰机构驱动电机的俯仰速度可由安装在驱动电机轴端一侧的俯仰机构光电编码器通过检测驱动电机的转数n₂来求得；

步骤三，俯仰机构减速后缓慢向吊臂位置开关(12)靠近，当吊臂接近开关(11)接触到吊臂位置开关(12)时，吊臂位置开关(12)将停止运行的信息经数模转换器转换为PLC可识别的信息后传递给PLC，PLC经内置的PID调节器调节后将相关停止运行的控制参数信息传递到俯仰机构变频器，俯仰机构变频器通过改变相关参数来阻止俯仰机构驱动电机的运转，回转起重设备的起重臂到达指定俯仰高度；

步骤四，回转式起重设备开始回转作业；回转机构光电编码器实时检测回转机构驱动电机的回转转数n₁；光带传感器实时检测钢丝绳在光带传感器所构成的光平面的坐标位置P(x₀，y₀)；

步骤五，回转机构驱动电机的转数n₁、钢丝绳在光带传感器所构成的光平面的坐标位置P(x₀，y₀)通过数据传输装置传递到防摇控制模块中，并计算出回转机构回转速度v₁、钢丝绳的摆角θ₀以及在光平面X/Y方向的分量摆角θx和θy；

步骤六，与预先设定的参数值汇总整合，并经A/D转化器转化为模糊控制器可识别的参数后，及时传送给防摇控制模块的模糊控制器，模糊控制器对整合后的信息进行计算、模糊处理与决策、反模糊化之后，将模糊处理的值经D/A转化为PLC识别的信号传递到内置PID调节器的PLC中进行分析计算，根据计算结果发出相应的指令，传递给与回转机构驱动电机相连接的变频器，变频器通过改变相关参数的设置，进而控制回转机构驱动电机的速度v₁，使吊具的摆角限制在设定范围以内。

5.根据权利要求4所述的一种回转式起重设备吊具防摇控制方法，其特征在于：将具有模糊控制理论的模糊控制器和PID控制技术相结合，构建了简易的模糊自整定PID控制器。

6.根据权利要求4所述的一种回转式起重设备吊具防摇控制方法，其特征在于：所述吊臂接近开关(11)与吊臂位置开关(12)控制的吊臂(1)的高度，是保证光带传感器安装架(2)处于与运行轨道所在平面平行的位置高度。