CN105366547B - 一种起重机回转位置的非接触式测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种起重机回转位置的非接触式测量装置及方法，包括安装于起重机回转平台上的第一齿轮传感器、第二齿轮传感器、定位传感器；以及固定安装的反射块。所述第一齿轮传感器、第二齿轮传感器、定位传感器均连接信号采集/处理模块，信号采集/处理模块连接单片机处理模块，单片机处理模块通过RS‑485通信总线连接力矩限制器。所述第一齿轮传感器、第二齿轮传感器为电感式接近传感器。所述定位传感器为反射式光电开关。本发明利用两个传感器产生的信号相位差来识别回转方向、并通过单片机处理实现起重机回转角度的测量。具备安装调试方便、测量稳定的特点。

Description

一种起重机回转位置的非接触式测量装置及方法

技术领域

本发明一种起重机回转位置的非接触式测量装置及方法，用于起重机平台回转角度的测量。

背景技术

现有技术中的起重机的回转角度测量领域，常见的有采用电子罗盘方式。其使用方法比较简单，但由于其对于磁场敏感，应用在起重机上，由于起重机的主题材料为钢铁，且存在电磁型负载、电线电缆等物质，导致其磁场分布在使用中经常处于变化状态，从而导致电子罗盘的输出发生较大偏离，需要及时对罗盘校准，使用起来较为不便。对于某些依赖其测量结果进行特定处理的应用来说，往往会严重影响其功能的可靠实现。而常见的采用编码器方式，需要与起重机的旋转机构连接，安装位置要求苛刻；往往缺乏安装条件，难以实施。

发明内容

本发明提供一种起重机回转位置的非接触式测量装置及方法，利用两个传感器产生的信号相位差来识别回转方向、并通过单片机处理实现起重机回转角度的测量。具备安装调试方便、测量稳定的特点。

本发明采取的技术方案为：一种起重机回转位置的非接触式测量装置，包括安装于起重机回转平台上的第一齿轮传感器、第二齿轮传感器、定位传感器；以及固定安装的反射块。所述第一齿轮传感器、第二齿轮传感器、定位传感器均连接信号采集/处理模块，信号采集/处理模块连接单片机处理模块，单片机处理模块通过RS-485通信总线连接力矩限制器。

所述第一齿轮传感器、第二齿轮传感器为电感式接近传感器；

所述定位传感器为反射式光电开关。

所述第一齿轮传感器、第二齿轮传感器、定位传感器通过支架固定安装在起重机回转平台上。

所述反射块为钢条。

一种起重机回转位置的非接触式测量方法，第一齿轮传感器、第二齿轮传感器能够识别出齿轮凹凸变化，由于齿圈总齿数是固定的，相邻两个齿间隙对应了一个固定的旋转角度；

第一齿轮传感器、第二齿轮传感器的输出信号存在时间差，根据输出信号出现的先后，识别旋转平台的旋转方向。

本发明一种起重机回转位置的非接触式测量装置及方法，技术效果如下：

1）、安装较为方便，不存在安装障碍，对安装位置没有苛刻要求。只需要保证传感器与齿圈的固定距离在检测范围内，安装牢固即可，无需考虑周围环境电磁场的影响。

2）、调试方便。按照要求安装传感器（含零度定位传感器），保留合适的检测间距；

设置好齿圈的实际齿数、设定正转方向；回转起重机平台，观察传感器输出信号是否持续稳定、过零点时是否自动归零、如果不稳定，需要减小传感器与感测面的间距，达到稳定而又保留一点间隙即可。

3）、因回转测量采用的是电感式传感器原理，当平台转动时，传感器与齿圈两电极间的电感量会发生变化，其测量不易受环境磁场的影响，彻底避免了电子罗盘易受环境电磁场影响的弊端。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明硬件连接框图。

图3为起重机回转平台正转时，所述齿轮传感器输出信号波形图。

图4为起重机回转平台反转时，所述齿轮传感器输出信号波形图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种起重机回转位置的非接触式测量装置，包括安装于起重机回转平台上的第一齿轮传感器1、第二齿轮传感器2、定位传感器3；以及固定安装的反射块4。反射块4通过固定螺母安装在齿轮5下方、反射块4呈倒立的L型、与定位传感器3呈垂直状态。所述反射块4为钢条。

所述第一齿轮传感器1、第二齿轮传感器2、定位传感器3均连接信号采集/处理模块，信号采集/处理模块连接单片机处理模块，单片机处理模块通过RS-485通信总线连接力矩限制器。

所述第一齿轮传感器1、第二齿轮传感器2为电感式接近传感器。所述定位传感器3为反射式光电开关。单片机处理模块采用ATmega8单片机。所述第一齿轮传感器1、第二齿轮传感器2、定位传感器3通过支架6固定安装在起重机回转平台上。

信号采集/处理模块将第一齿轮传感器1、第二齿轮传感器2的输出信号，转换成单片机处理模块能够识别的TTL电平。

工作原理：

大型起重机如：港口门机，其回转平台是坐落在立柱之上的。立柱上边有一个齿圈，而回转平台是靠与齿圈啮合的两个小驱动齿轮，来实现回转的。本发明将所述第一齿轮传感器1、第二齿轮传感器2固定在回转平台下方，使其能够随平台同步转动；如同表针一样；立柱的齿圈就好比表盘。当回转平台转动时，带动第一齿轮传感器1、第二齿轮传感器2同步转动，就好比表针转动一样，指示出回转角度。在转动时：第一齿轮传感器1、第二齿轮传感器2能够识别出齿轮5的凹凸变化，可以据此计算齿数的变化。由于齿圈总齿数是固定的，所以两个齿间隙对应了一个固定的旋转角度。第一齿轮传感器1、第二齿轮传感器2的输出信号存在时间差，根据出现的先后，可以识别回转平台的旋转方向。

在一个特定位置安装一块0度定位标志：反射块4，反射块4采用钢条。当转到此处时，定位传感器3：反射式光电开关能够完全实现360゜范围回转角度的测量。第一齿轮传感器1、第二齿轮传感器2是检测金属的传感器，在靠近齿轮凸起的金属时，就会产生高电平动作，而两个传感器不是在同一垂直线上的，这样在经过每一个齿轮的时候就会产生相位差，两路信号经过信号采集/处理模块进行信号分压处理之后，传到单片机处理模块，单片机处理模块在进行鉴相和计数操作。每经过一个齿轮就会产生一次计数，此计数值乘以装置的齿轮角度分辨率（360゜除以齿轮个数）就得到当前的回转角度值。

当定位传感器3转到钢条的位置，并检测到钢条，就会产生一个零位信号，单片机处理模块识别到这个信号之后，就会将回转角度值归零，以后每次转到钢条的位置都会重复此动作。

如图3、图4所示，第一齿轮传感器1、第二齿轮传感器2的输出信号是相位差为90°的两路方波信号：信号A和信号B。假设图3为正转时传感器输出的信号波形，则图4为反转时传感器输出的信号波形。

本发明以图3中信号波形为正转时的波形例：

1）、 鉴相处理原理：

鉴相的目的就是区分门机正、反转时的两种信号波形，判断转动方向，以便决定在对脉冲计数时是递增计数还是递减计数，进而确定门机的转动方向。从任意一路信号波形的边沿类型(上升沿或下降沿)、相同时刻另一路信号的电平(高电平或低电平)以及门机转动方向(正向或反向)的对应关系上分析，第一齿轮传感器1、第二齿轮传感器2的输出波形存在着如表1所列的特征。从图3、图4可以看出，第一齿轮传感器1、第二齿轮传感器2输出信号状态的改变，都发生在两路信号的边沿(上升沿或下降沿)处，即：在相邻两个边沿(包括信号A和信号B)之间两路信号的电平是不变的，因此对门机信号的鉴相也应该在两路信号的边沿处进行。经过对表1各个对应关系的分析，要在两路信号的边沿处判断出门机的转动方向，必须确定以下3个条件：

①、该边沿的信号源属于信号A还是信号B。

②、该边沿的类型是上升沿还是下降沿。

③、该边沿所对应的另一路信号的电平是高电平还是低电平。

只有这3个条件全部确定后，才可以判断门机的转动方向。

表1波形边沿、电平及绞车转向的对应关系

2）、计数处理原理：

要把门机的信号转换为回转角度值，必须对两路信号脉冲进行计数，一般采取的计数原则是正转时：计数累加；反转时：计数递减。程序再根据脉冲计数的结果计算出回转角度值。为了提高测量的精度，对两路信号波形中的边沿(上升沿和下降沿)进行计数，这样测量精度就比只对信号波形中的脉冲计数提高了一倍。由于大多数计数电路只能对上升沿或下降沿计数，在计数前还需要对两路信号进行取沿处理，取沿后的波形会在原信号的边沿处(上升沿和下降沿)产生一窄脉冲。这样，取沿处理就实现了对原信号的倍频，提高了计数精度，可满足多数计数电路对计数的要求。

3）、.单片机实现鉴相和计数：

所述单片机处理模块利用其本身固有的两个外部中断，使两路电感式接近传感器信号的边沿产生中断，再利用两个I／O口来读取两路电感式接近传感器信号的电平，根据中断函数鉴相的3个条件进行判断，可得出鉴相结果：正转或反转。再对脉冲计数进行相应的加或减计算，完成计数，并将计数结果转换成回转角度值，通过串口发送给力矩限制器，如图1所示。两路经过信号采集/处理模块的信号A和信号B分别接至单片机处理模块的PC3接口和PC4接口，用于读取两路信号的电平。经信号取沿后的信号A和信号B分别接至P D2接口（NT 0即外中断0）、和P D3接口（NT 1即外中断1），利用中断函数进行鉴相和计数。

INT 0中断函数的判断过程是：由于INT 0与取沿后信号A相联，首先可以确定鉴相的第1个条件，即边沿的信号源是信号A；然后读取P C3接口(与取沿前信号A相联)，根据读取结果可以确定鉴相的第2个条件，即该边沿是上升沿还是下降沿，如果P D3接口信号为1，则说明边沿是上升沿，反之是下降沿；再读取P C4接口(与取沿前信号B相联)，则可确定鉴相的第3个条件，即信号B的电平，若P 0．4口信号为1则信号B是高电平，反之信号B是低电平。以上3个鉴相条件确定后，就可以根据表1的对应关系得出鉴相结果。并根据鉴相结果进行加1或减1计数。

同理，利用INT 1中断函数以与INT 0中断函数判断相同的过程，可以完成信号B边沿触发时的鉴相和计数。

本发明一种起重机回转位置的非接触式测量装置工作状态分为：初始化、故障、测量、设置等四种不同的模式。上电后首先初始化自检，通过自检查找通信等故障，若无故障则可通过力矩限制器配置齿轮数量、通信等参数，保存设置好的参数，返回测量模式，通过MODBUS通信协议，返回实时测量的角度，在力矩限制器上实时显示。

1、初始化模式——上电后首先处于初始化模式。配置硬件和加载参数，然后进行自检。自检通过后自动进入测量模式；如果自检未通过则进入故障模式。

2、故障模式——此状态下，传感器接收到非法操作指令后，返回故障代码。

3、测量模式——这个模式下，传感器进行齿轮齿数的脉冲计数，用计数的脉冲值乘以角度分辨率得到当前的角度值，再根据标定位置的传感器信号，确定当前转动的方位及角度，此方法可靠性较高。

4、设置模式——在上述几种模式下，接收到SETIN（0x41 号）自定义指令后，打开写保护进入到该模式。该模式下可进行配置寄存器的读写、修改。当接收到QUIT（0x42 号）自定义指令后，可退出设置模式，同时固化保存配置寄存器的内容，并返回到测量模式。如果接收到RESET（0x13 号）指令，则传感器直接复位重启，启用修改后的参数。（设备地址ADDR、波特率这两个参数在设置成功后立即生效）。

Claims (1)

1.一种起重机回转位置的非接触式测量装置，包括安装于起重机回转平台上的第一齿轮传感器（1）、第二齿轮传感器（2）、定位传感器（3）；以及固定安装的反射块（4），其特征在于，所述第一齿轮传感器（1）、第二齿轮传感器（2）、定位传感器（3）均连接信号采集/处理模块，信号采集/处理模块连接单片机处理模块，单片机处理模块通过RS-485通信总线连接力矩限制器；所述第一齿轮传感器（1）、第二齿轮传感器（2）为电感式接近传感器；所述定位传感器（3）为反射式光电开关；反射块（4）通过固定螺母安装在齿轮（5）下方、反射块（4）呈倒立的L型、与定位传感器（3）呈垂直状态，所述反射块（4）为钢条；

所述第一齿轮传感器（1）、第二齿轮传感器（2）、定位传感器（3）通过支架（6）固定安装在起重机回转平台上；

该测量装置工作状态分为：初始化、故障、测量、设置四种不同的模式，上电后首先初始化自检，通过自检查找通信故障，若无故障则可通过力矩限制器配置齿轮数量、通信参数，保存设置好的参数，返回测量模式，通过MODBUS通信协议，返回实时测量的角度，在力矩限制器上实时显示；

1、初始化模式——上电后首先处于初始化模式，配置硬件和加载参数，然后进行自检，自检通过后自动进入测量模式；如果自检未通过则进入故障模式；

2、故障模式——此状态下，传感器接收到非法操作指令后，返回故障代码；

3、测量模式——这个模式下，传感器进行齿轮齿数的脉冲计数，用计数的脉冲值乘以角度分辨率得到当前的角度值，再根据标定位置的传感器信号，确定当前转动的方位及角度，此方法可靠性较高；

4、设置模式——在上述几种模式下，接收到SETIN自定义指令后，打开写保护进入到该模式，该模式下可进行配置寄存器的读写、修改，当接收到QUIT自定义指令后，可退出设置模式，同时固化保存配置寄存器的内容，并返回到测量模式，如果接收到RESET指令，则传感器直接复位重启，启用修改后的参数，设备地址ADDR、波特率这两个参数在设置成功后立即生效。