CN105460855A - 剪叉式升降机的故障自检装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种剪叉式升降机的故障自检装置，包括：检测单元、控制单元、人机界面；所述检测单元设置在剪叉式升降机上，检测单元中包括变频器、振动传感器、和旋转编码器；通过检测单元对剪叉式升降机皮带的伸长距离、电机减速器的振动和电机的运行数据进行自动检测，然后通过控制单元相应的接口采集检测的数据，并利用采集的数据结合剪叉式升降机设备部件故障规则进行部件状态判断，最终通过人机界面对剪叉式升降机设备状态进行实时显示。本发明实现了升降机故障的自动预警，避免了人工定期维护。

Description

剪叉式升降机的故障自检装置

技术领域

本发明涉及一种自动化顶升设备，尤其是一种剪叉式升降机。

背景技术

升降机作为一种自动化顶升设备，主要用来对物料或者人进行顶升，在物料输送线、零部件装配线和立体仓库等领域都有着广泛应用。在工业生产过程中，设备的突然故障就会造成设备无法继续使用，特别是生产线中的关键设备，一旦发生故障就可能会造成整个生产线的停止，这对生产厂商造成的损失是巨大的。针对这种问题，生产厂商就需要定期安排相关人员对生产线的设备进行检修，并在备件库中配备大量的备件，而这同样需要投入大量的人力和财力成本，故在工业生产过程中设计具有故障自检功能的设备来保证设备的持续运行有着非常现实的意义。传统的升降机并没有对其关键部件进行实时自动检测，也就无法提前对升降机故障进行预警，完全需要人工进行定期的维护和检修。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种剪叉式升降机的故障自检装置，采用智能传感器对剪叉式升降机的关键部件进行实时检测，并在人机界面显示部件当前状态；并可依据设备部件的阀值并结合故障规则对已经需要维修或更换的部件进行报警。本发明采用的技术方案是：

一种剪叉式升降机的故障自检装置，包括：检测单元、控制单元、人机界面；

所述检测单元设置在剪叉式升降机上，通过检测单元对剪叉式升降机皮带的伸长距离、电机减速器的振动和电机的运行数据进行自动检测，然后通过控制单元相应的接口采集检测的数据，并利用采集的数据结合剪叉式升降机设备部件故障规则进行部件状态判断，最终通过人机界面对剪叉式升降机设备状态进行实时显示。

进一步地，

所述检测单元中包括变频器、振动传感器、和旋转编码器；

控制单元通过变频器连接剪叉式升降机的电机，通过控制单元与变频器的接口读到变频器采集到的电机运行数据；

振动传感器安装在剪叉式升降机的电机减速器上，采集电机减速器的振动数据，并回传至控制单元；

旋转式编码器安装在剪叉式升降机上用于带动皮带的主轴上，采集剪叉式升降机的剪叉平台位于下极限位置时主轴的绝对角度位置，通过主轴角度变化检测皮带伸长距离。

更进一步地，剪叉式升降机包括左剪叉平台、右剪叉平台；

所述旋转式编码器采用绝对式旋转编码器，包括左编码器和右编码器；左编码器和右编码器分别连接剪叉式升降机的左主轴和右主轴；左主轴和右主轴分别带动左皮带和右皮带；左主轴通过左皮带拉动左横杆,实现左剪叉平台的升降；右主轴通过右皮带拉动右横杆实现右剪叉平台的升降；左主轴和右主轴上分别设有左带轮和右带轮，左带轮和右带轮通过中皮带连接，从而使得左主轴和右主轴联动；

对于右皮带伸长距离的计算，当右剪叉平台停在下极限位置，右编码器在剪叉式升降机投入使用前测得右皮带正常状态下右主轴的角度为θ_1r，伸长状态下测得此时的角度为θ_2r，右主轴的半径为R_r，设下极限位置时左、右主轴上缠绕的皮带不足一圈，则右皮带的伸长距离L_r为

$L_r=\frac{{\mathrm{\θ}}_{2r}-{\mathrm{\θ}}_{1r}}{180}{\mathrm{\πR}}_r$

对于左皮带伸长距离的计算，左编码器测得左皮带正常状态下左主轴的角度为θ_1l，伸长状态下测得此时的角度为θ_2l，左主轴的半径为R_l，则左皮带的伸长距离L_l为

$L_l=L_r+\frac{{\mathrm{\θ}}_{2l}-{\mathrm{\θ}}_{1l}}{180}{\mathrm{\πR}}_l$

通过左、右主轴角度变化即可检测左、右皮带伸长距离。

更进一步地，

控制单元对电机减速器的振动数据进行快速傅里叶变换，得出振动数据的频域表示，通过在时域和频域分别设定振动幅值的阀值进行电机减速器状态的判断，时域和频域分析中只要其中一个的振动幅值超过阀值，即进行告警提示。

进一步地，

控制单元包括PLC和模拟量输入扩展模块，振动传感器的输出口是模拟量，通过模拟量输入扩展模块接入PLC。

更进一步地，

控制单元的PLC通过Profibus接口连接变频器。

更进一步地，

旋转编码器通过Profibus接口连接控制单元的PLC。

本发明的优点在于：本发明通过对剪叉式升降机关键部件进行合理的实时检测，实现皮带伸长数据、电机减速器振动数据和电机运行电流数据的监测，实时显示部件的状态，并对危险部件进行报警显示，提醒工人进行更换或维修。同时，人机界面提供设备部件阀值设定和报警复位功能。控制单元可根据设置的阀值信息通过分析从而得出升降机关键部件的故障诊断结果。本发明实现了升降机故障的自动预警，避免了人工定期维护。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的剪叉式升降机机械结构图。

图中：升降机单元1、检测单元2、控制单元3、人机界面4、左剪叉平台5、左横杆6、左皮带7、左主轴8、左带轮9、右主轴10、中皮带11、右带轮12、万向联轴器13、电机减速器14、电机15、振动传感器16、右皮带17、下限位接近开关18、右横杆19、右剪叉平台20、上限位接近开关21、右编码器22和左编码器23。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明提供了一种增加了故障自检装置的剪叉式升降机，升降机单元1、检测单元2、控制单元3和人机界面4。升降机单元1就是本发明中的剪叉式升降机。检测单元2中包括变频器、振动传感器16、和旋转编码器。

所述检测单元2设置在剪叉式升降机上，通过检测单元2对剪叉式升降机皮带的伸长距离、电机减速器的振动和电机的运行数据进行自动检测，然后通过控制单元3相应的接口采集检测的数据，并利用采集的数据结合剪叉式升降机设备部件故障规则进行部件状态判断，最终通过人机界面4对剪叉式升降机设备状态进行实时显示。人机界面4也会对采集的历史数据进行显示，对设备故障部件进行报警，并提供了用户输入功能：包括设备部件的阀值设定、设备地址设定、报警复位和当前时间设定等功能。同时，为了方便与大型系统的集成，控制单元3留有与外部通信的多种接口。

剪叉式升降机包括左剪叉平台5、左横杆6、左皮带7、左主轴8、左带轮9、右主轴10、中皮带11、右带轮12、万向联轴器13、电机减速器14、电机15、振动传感器16、右皮带17、下限位接近开关18、右横杆19、右剪叉平台20、上限位接近开关21、右编码器22和左编码器23。

电机15和电机减速器14采用的是SEW的减速电机，电机首先通过电机减速器14增大扭矩，然后通过万向联轴器13将扭矩传递到右剪叉平台20上的右主轴10，右主轴10通过右皮带17拉动右横杆19实现右剪叉平台20的升降；左主轴8和右主轴10上分别设有左带轮9和右带轮12，左带轮9和右带轮12通过中皮带11连接，从而使得左主轴8和右主轴10联动；右主轴10上的右带轮12通过中皮带11将扭矩传递到左主轴8上的左带轮9，左主轴8通过左皮带7拉动左横杆6,实现左剪叉平台5的升降；由于左主轴8和右主轴10的直径相同，左带轮9和右带轮12的直径相同，从而实现了左剪叉平台5和右剪叉平台20的同步升降，且保持了左右剪叉平台位于同一平面上。

左编码器23和右编码器22均采用绝对式旋转编码器；对于绝对式旋转编码器的安装，分别在左主轴8和右主轴10末端平面钻一个直径为6mm的孔，左编码器23和右编码器22通过过盈配合分别与左主轴和右主轴连接，这样主轴和编码器就可以同步转动，从而可以测量主轴的绝对角度值。

对于振动传感器16的安装，振动传感器是圆筒形状，内径为5.5mm，在电机减速器14的外壳上钻M5的螺纹孔，通过螺钉和垫片将振动传感器16压紧在电机减速器外壳上。

对于检测单元2，检测量包括左皮带7和右皮带17的伸长距离、电机减速器14的振动和电机15的运行数据。皮带伸长距离检测的右编码器22和左编码器23采用IFM公司的多圈式绝对值旋转编码器RM3001，该编码器的通信接口是Profibus接口，可以连接PLC。电机减速器振动检测的振动传感器16采用IFM公司的振动传感器VSA004，该传感器输出口是0-10ma的模拟量。电机15的运行数据采用与控制单元3连接的变频器进行采集。

对于控制单元3，选用西门子的S7-300系列的319-3PN/DP型PLC作为控制器，利用SM321扩展模块扩展数字量输入口来检测接近开关的信号，选用SM-331扩展模块扩展模拟量输入口，用于连接振动传感器16。电机驱动采用西门子SINAMICSG120型号的变频器，控制单元3的PLC通过Profibus接口连接变频器，传递控制信号到变频器从而控制电机运转，同时PLC通过Profibus接口读到变频器采集到的电机运行数据。

人机界面4采用SIMATICHMIComfortPanel系列的TP-700Comfort触摸屏，PLC通过Profinet接口与人机界面4连接。利用组态软件WINCC实现人机界面的组态设计，人机界面实现皮带伸长数据、电机减速器振动数据和电机运行电流数据的历史曲线图显示(包括当前数据)，实时显示部件的状态，并对危险部件进行报警显示，提醒工人进行更换或维修；同时具有皮带伸长量阀值、电机减速器振动阀值和电机运行数据阀值的设置功能，另外，人机界面还提供了各个监测历史数据的显示功能。

检测单元2的功能包括皮带伸长距离检测、电机减速器振动检测和电机运行数据的检测；

1)皮带伸长距离检测：

包括左剪叉平台5的左皮带7和右剪叉平台20的右皮带17的检测。以右剪叉平台20为例，在右主轴10末端安装绝对式旋转编码器作为右编码器22，右编码器22本体与右剪叉平台20底端框架固定在一起，通过在右主轴10末端打孔将旋转编码器的转轴与右主轴10固定在一起，实现编码器转轴与右主轴同步转动。当右剪叉平台20触碰到下极限位置，右剪叉平台20下的X型架底部会触发下限位接近开关18，右剪叉平台20会停止，测量此时右主轴的绝对旋转位置。由于下极限位置是固定的，当右皮带17被拉长时，平台到达下极限位置，右横杆19到右主轴10间皮带距离不变，则缠绕在右主轴10上的皮带长度相对皮带正常状态时就会变长，右主轴10就会往缠绕皮带的方向旋转一定角度。左剪叉平台皮带的检测方法与右剪叉平台类似。

皮带正常状态是指剪叉式升降机投入使用前，在剪叉平台位于下极限位置时，测得的左皮带或右皮带的状态；皮带伸长状态是指，剪叉式升降机投入使用后，左皮带或右皮带发生被拉长现象，测得的左皮带或右皮带的状态；

对于右皮带17伸长距离的计算(假设限位开关安装在右剪叉平台端)，当右剪叉平台20停在下极限位置，右编码器22在剪叉式升降机投入使用前测得右皮带正常状态下右主轴10的角度为θ_1r，伸长状态下测得此时的角度为θ_2r，右主轴的半径为R_r(假设下极限位置时左、右主轴上缠绕的皮带不足一圈)，则右皮带的伸长距离L_r为

$L_r=\frac{{\mathrm{\θ}}_{2r}-{\mathrm{\θ}}_{1r}}{180}{\mathrm{\πR}}_r$

对于左皮带7伸长距离的计算，由于左剪叉平台5的左主轴的扭矩由右主轴通过带传动传递，故其伸长距离的计算受到右皮带伸长距离的影响，左编码器23测得左皮带正常情况下左主轴8的角度为θ_1l，伸长状态下测得此时的角度为θ_2l，左主轴的半径为R_l，则左皮带的伸长距离L_l为

$L_l=L_r+\frac{{\mathrm{\θ}}_{2l}-{\mathrm{\θ}}_{1l}}{180}{\mathrm{\πR}}_l$

上述方法通过左、右主轴角度变化即可检测左、右皮带伸长距离。控制单元3中可设置皮带伸长阈值，超过此阈值即进行报警提示。

2)电机减速器振动检测：

通过在电机减速器14外壳打螺纹孔的方式将振动传感器16安装在电机减速器外壳上，测量电机减速器14的振动。利用控制单元3对振动数据的进行分析，首先在时域内设定了振动幅值的阀值，同时采用快速傅里叶变换得出振动数据的频域特性，在频域设定了电机减速器固有频率下的振动幅值的阀值；时域和频域分析中只要其中一个的振动幅值超过阀值，设备就会报警。人机界面4可进行告警提示。

3)电机运行数据检测：

电机的运行数据包括电机的电流、转速和扭矩。电机运行数据通过控制电机的变频器进行检测，控制单元3的PLC进而从变频器读取到电机运行数据，利用这些数据结合电机的故障诊断规则可以得出电机的故障诊断结果。控制单元3，进行升降机的运行控制和传感器数据采集的实现。剪叉式升降机的运行控制，主要是通过PLC发送控制信号至变频器，从而控制电机进行升降机的上升和下降，上、下限位接近开关的数字信号用来作为上升停止和下降停止的触发信号。监测数据的采集主要是通过控制单元的通信接口和模拟量输入扩展模块，实现传感数据的读取。本例中主要通过检测电机运行电流数据来判断电机是否正常运行。

Claims (7)

1.一种剪叉式升降机的故障自检装置，其特征在于，包括：检测单元(2)、控制单元(3)、人机界面(4)；

所述检测单元(2)设置在剪叉式升降机上，通过检测单元(2)对剪叉式升降机皮带的伸长距离、电机减速器的振动和电机的运行数据进行自动检测，然后通过控制单元(3)相应的接口采集检测的数据，并利用采集的数据对剪叉式升降机设备部件状态进行判断，最终通过人机界面(4)对剪叉式升降机设备状态进行实时显示。

2.如权利要求1所述的剪叉式升降机的故障自检装置，其特征在于：

所述检测单元(2)中包括变频器、振动传感器(16)、和旋转编码器；

控制单元(3)通过变频器连接剪叉式升降机的电机(15)，通过控制单元(3)与变频器的接口读到变频器采集到的电机运行数据；

振动传感器(16)安装在剪叉式升降机的电机减速器(14)上，采集电机减速器(14)的振动数据，并回传至控制单元(3)；

旋转式编码器安装在剪叉式升降机上用于带动皮带的主轴上，采集剪叉式升降机的剪叉平台位于下极限位置时主轴的绝对角度位置，通过主轴角度变化检测皮带伸长距离。

3.如权利要求2所述的剪叉式升降机的故障自检装置，其特征在于：

剪叉式升降机包括左剪叉平台(5)、右剪叉平台(20)；

所述旋转式编码器采用绝对式旋转编码器，包括左编码器(23)和右编码器(22)；左编码器(23)和右编码器(22)分别连接剪叉式升降机的左主轴(8)和右主轴(10)；左主轴(8)和右主轴(10)分别带动左皮带(7)和右皮带(17)；左主轴(8)通过左皮带(7)拉动左横杆(6),实现左剪叉平台(5)的升降；右主轴(10)通过右皮带(17)拉动右横杆(19)实现右剪叉平台(20)的升降；左主轴(8)和右主轴(10)上分别设有左带轮(9)和右带轮(12)，左带轮(9)和右带轮(12)通过中皮带(11)连接，从而使得左主轴(8)和右主轴(10)联动；

对于右皮带(17)伸长距离的计算，当右剪叉平台(20)停在下极限位置，右编码器(22)在剪叉式升降机投入使用前测得右皮带正常状态下右主轴(10)的角度为θ_1r，伸长状态下测得此时的角度为θ_2r，右主轴的半径为R_r，设下极限位置时左、右主轴上缠绕的皮带不足一圈，则右皮带的伸长距离L_r为

$L_r=\frac{{\mathrm{\θ}}_{2r}-{\mathrm{\θ}}_{1r}}{180}{\mathrm{\πR}}_r$

对于左皮带(7)伸长距离的计算，左编码器(23)测得左皮带正常状态下左主轴(8)的角度为θ_1l，伸长状态下测得此时的角度为θ_2l，左主轴的半径为R_l，则左皮带的伸长距离L_l为

$L_l=L_r+\frac{{\mathrm{\θ}}_{2l}-{\mathrm{\θ}}_{1l}}{180}{\mathrm{\πR}}_l$

通过左、右主轴角度变化即可检测左、右皮带伸长距离。

4.如权利要求2所述的剪叉式升降机的故障自检装置，其特征在于：

控制单元(3)对电机减速器的振动数据进行快速傅里叶变换，得出振动数据的频域表示，通过在时域和频域分别设定振动幅值的阀值进行电机减速器状态的判断，时域和频域分析中只要其中一个的振动幅值超过阀值，即进行告警提示。

5.如权利要求2所述的剪叉式升降机的故障自检装置，其特征在于：

控制单元(3)包括PLC和模拟量输入扩展模块，振动传感器(16)的输出口是模拟量，通过模拟量输入扩展模块接入PLC。

6.如权利要求5所述的剪叉式升降机的故障自检装置，其特征在于：

控制单元(3)的PLC通过Profibus接口连接变频器。

7.如权利要求5所述的剪叉式升降机的故障自检装置，其特征在于：

旋转编码器通过Profibus接口连接控制单元(3)的PLC。