CN106115492A - 一种用于起重机的三维坐标定位系统 - Google Patents

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戴炼
朱云
侯俊涛
严兴腊
陆宝春
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/18—Control systems or devices
    • B66C13/46—Position indicators for suspended loads or for crane elements

Abstract

本发明提供一种用于海工折臂式起重机的三维坐标定位系统，系统包括至少一组编码器、可编程逻辑控制器以及上位机；至少一组编码器中的每一组包括位于起重机塔身上的第一编码器、位于主绞车上的第二编码器以及位于副臂滑轮上的第三编码器；第一编码器用于测量塔身在水平面内的转动角度，第二编码器用于测量起重机主臂的俯仰角度，第三编码器用于测量副臂的俯仰角度；多个编码器与可编程逻辑控制器通信；可编程逻辑控制器还与上位机通信。本发明的用于海工折臂式起重机的三维坐标定位系统实现方式简单，通过使用三个单圈绝对值编码器分别对塔身、主臂和副臂进行数据采集，所得数据通过PLC处理后得到臂展三维空间坐标。

Description

一种用于起重机的三维坐标定位系统
技术领域
本发明一种三维坐标定位系统，尤其涉及一种用于起重机的三维坐标定位系统。
背景技术
海工折臂式起重机是海洋工程机械中一种非常重要的起重机械。其中，海工折臂式起重机的三维坐标定位是实现精确的波浪补偿技术的基础，也是实时监控海工折臂式起重机运行状况的重要参数。通过对海工折臂式起重机三维坐标的精确定位，能够得到吊钩的高度以及臂展的长度，从而通过计算得出海工折臂式起重机当前的最大负载，对运行状况的实时监控和诊断有重要的意义。
在现有技术中缺乏用于海工折臂式起重机的三维坐标定位系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于海工折臂式起重机的三维坐标定位系统。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种用于起重机的三维坐标定位系统，系统包括至少一组编码器、可编程逻辑控制器(PLC)以及上位机，其中：
至少一组编码器中的每一组包括位于起重机塔身上的第一编码器、位于主绞车上的第二编码器以及位于副臂滑轮上的第三编码器；第一编码器用于测量塔身在水平面内的转动角度，第二编码器用于测量起重机主臂的俯仰角度，第三编码器用于测量副臂的俯仰角度；
多个编码器与可编程逻辑控制器通信；
可编程逻辑控制器还与上位机通信。
进一步地，编码器为绝对值编码器。
进一步地，绝对值编码器为单圈绝对值编码器。
进一步地，绝对值编码器是基于Profibus-DP现场通信总线的编码器。
本发明优点在于：
(1)实现方式简单，通过使用三个单圈绝对值编码器分别对塔身、主臂和副臂进行数据采集，所得数据通过PLC处理后得到臂展三维空间坐标；
(2)精度较高，本发明在计算起重机三维坐标时利用已知的结构参数建立对应的数学模型，所采用的数学模型是建立在对称及质量均匀分布的基础上的，和海工折臂式起重机实际结构差距不大，故具有较高精度；
(3)所得数据后续作用大，本发明对海工折臂式起重机进行工作区间三维坐标定位，可以为后续的吊钩定位技术、波浪补偿技术提供良好的数据支持。
附图说明
图1是本发明一个实施例的用于海工折臂式起重机的三维坐标定位系统的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的用于海工折臂式起重机的三维坐标定位系统的通信结构示意图；
图3是本发明一个实施例的塔身编码器检测角度示意图；
图4是本发明一个实施例的副臂俯仰角度示意图；以及
图5是本发明一个实施例的海工折臂式起重机结构模型及主臂和副臂俯仰角度示意图。
具体实施方式
海工折臂式起重机半径较大，主副臂作业半径实时变化，起重机顶点坐标也随工作状况实时变化。起重机负载能力与起重机臂顶点位置直接相关，且钢丝绳收放长度也与顶点位置直接关联，为正确判定起重机安全工作范围，监控钢丝绳收放长度，需要增设一套海工折臂式起重机三维定位系统。
图1示意性地示出了海工折臂式起重机的主要机械机构以及安装于其上的本发明的用于海工折臂式起重机的三维坐标定位系统。其中起重机包括塔身100，主绞车200安装在塔身上方，主臂300一端可枢转地安装到塔身的侧方，另一端与副臂500连接，副臂500可以围绕主臂300端部的枢轴转动。副臂500靠近主臂300的一端附近设置有连杆，连杆上安装有副臂滑轮400。主绞车200上缠绕有钢丝绳，钢丝绳缠绕经过副臂滑轮400，并通过本领域已知的方式连接到副臂500的承重端。海工折臂式起重机还包括驾驶室600。
结合图1参照图2，本发明的用于海工折臂式起重机的三维坐标定位系统包括位于塔身100上的第一编码器(也称作塔身编码器)110、位于主绞车200上的第二编码器(也称作主臂编码器)210以及位于副臂滑轮400上或位于主臂300与副臂500的连接枢转轴处的第三编码器(也称作副臂编码器)510。本发明的用于海工折臂式起重机的三维坐标定位系统还包括位于驾驶室600内的可编程逻辑控制器(PLC)610，以及与PLC通信的PC上位机620。各个编码器与PLC控制器通过信号线缆通信。其中第一编码器110、第二编码器210和第三编码器510优选地采用单圈绝对值编码器，其通过Profibus-DP现场通信总线与PCL控制器通信。
图3示意性地示出了由第一编码器110所测量的塔身的转动角度θ。其中以塔身100的初始位置为原点，第一编码器110根据转动后的位置与初始位置的相对关系来确定塔身的实际转动角度θ。
参照图4，图4示意性地示出了与定位系统计算相关的海工折臂式起重机的结构参数。其中塔身原点以O示出，同时其所处平面也是为海工折臂式起重机的0米面。塔身100与主臂300的连接点以P表示，主臂300与副臂500的连接点为M，副臂500的承重端为N。其中塔身高度OP为h1，主臂长度PM为L1，副臂长度MN为L2。主臂300最高点相对于过P点的水平面的垂直距离为S1，所成角度为α，由于图4中的主臂300与水平方向平行，因此，此处S1为0，α也为0。副臂500的最低点与过P点的水平面的垂直距离为S2，主臂300和副臂500之间的夹角为β。在该图中，N点相对于O点的坐标即为所需二维平面上的定位。在该图中，海工折臂式起重机处于尚未工作状态(即初始状态)，主臂300处于水平方向，并且副臂500与主臂300合拢，此时α＝0°，β＝βmin。
参见图5，该图示出了海工折臂式起重机处于工作状态时的示意图。在此模型中，只需测得角度α与β的值即可得到N点相对于O点的坐标。其中角度α即为由第二编码器210测得的主臂300的俯仰角度，角度β等于副臂的初始角度βmin与第三编码器510测得的副臂俯仰角度的和。将第一编码器110测得的角度θ、第二编码器210测得的角度α以及第三编码器510测得的角度通过Profibus-DP现场通信总线传输到PLC控制器中，PLC控制器再通过以太网将数据传输到PC上位机中，PC上位机利用已有的参数和模型将三个编码器测量的角度值带入计算，最终获得臂展三维空间坐标。
本发明利用绝对值编码器，其在每一个位置上对应一个确定的数值，因此它的输出值只与初始位置和终止位置有关，而与中间的测量过程无关，如此即使是在测量过程中发生断电等意外事件也不会对测量结果造成影响。此外，本发明的编码器和PLC控制器之间采用Profibus-DP通信协议，其抗干扰能力强，传输距离远，在多个编码器集中使用的情况下显著降低了成本。
在对本发明的具体实施例进行了详细的介绍的同时，还可以发现与本发明相关的本领域内相似的多种可替代设计和由权利要求限定的实施例。

Claims (5)

1.一种用于起重机的三维坐标定位系统，其特征在于，所述系统包括至少一组编码器、可编程逻辑控制器以及上位机，其中：
所述至少一组编码器中的每一组包括位于起重机塔身上的第一编码器、位于主绞车上的第二编码器以及位于副臂滑轮上的第三编码器；所述第一编码器用于测量塔身在水平面内的转动角度，所述第二编码器用于测量起重机主臂的俯仰角度，所述第三编码器用于测量副臂的俯仰角度；
所述多个编码器与所述可编程逻辑控制器通信；
所述可编程逻辑控制器还与所述上位机通信。
2.根据权利要求1所述的用于起重机的三维坐标定位系统，其特征在于，所述编码器为绝对值编码器。
3.根据权利要求2所述的用于起重机的三维坐标定位系统，其特征在于，所述绝对值编码器为单圈绝对值编码器。
4.根据权利要求3所述的用于起重机的三维坐标定位系统，其特征在于，所述绝对值编码器是基于Profibus-DP现场通信总线的编码器。
5.根据权利要求1所述的用于起重机的三维坐标定位系统，其特征在于，所述起重机为海工折臂式起重机。
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