CN110294422B - 一种多吊具桥吊的摆角检测装置 - Google Patents

Abstract

一种多吊具桥吊的摆角检测装置，根据单缝衍射和光感应原理，将吊具摆角转动信息转化为电信号和数字信号，通过单缝光栅衍射生成衍射图样，采用光敏二极管PN结阵列和数字模数转换芯片对光衍射图样的条纹宽度和亮条纹中心位置进行检测和处理，计算获得吊具以及负载的摆角信息，并将计算出的摆角信息传递给起重机操作员参考或者反馈给桥吊控制系统做防摇控制，从而提高操作员的操作效率和减轻工作压力。本发明结构简单，成本廉价，维护简单，容易制作，抗干扰能力强，不受恶劣天气的影响，且检测精度高，测量速度快，能够准确地定位，进而换算出摆角大小，满足实际的桥吊摆角测量的需要。

Description

一种多吊具桥吊的摆角检测装置

技术领域

本发明涉及一种多吊具桥吊的摆角检测装置。

背景技术

在现有的大规模集装箱装卸港口，目前存在的桥式吊车只有单吊具和双吊具的吊车，这样的桥式吊车在搬运货物的过程中，每次只能搬运一个或两个集装箱，搬运装卸的效率很低，且耗时较大，影响工作质量。为了提高桥吊的装卸效率，在未来的桥吊的发展中，桥式吊车会朝着多吊具桥吊的方向发展，不断改进和创新。因此，在多吊具桥式吊车的背景下，针对多吊具桥式吊车的各种检测装置显得极其重要，即如何利用一个装置来同时检测多个吊具的摆动角度和摆绳长度。

现有的桥吊检测装置都是针对单吊具或双吊具桥吊设计的，它们对吊具的检测均采用了比较复杂的检测仪器，造价高，维护不方便，准确性低。而且这类检测装置不适合对多吊具桥吊进行摆角检测。同时，现有的集装箱起重机操作员常常是用眼睛观察吊具及负载来获得其摆动情况，这种方法不但准确性低且极易导致工作疲劳，影响起重机的搬运效率和搬运质量。

发明内容

本发明提供一种多吊具桥吊的摆角检测装置，结构简单，成本廉价，维护简单，容易制作，抗干扰能力强，不受恶劣天气的影响，且检测精度高，测量速度快，能够准确地定位，进而换算出摆角大小，满足实际的桥吊摆角测量的需要。

为了达到上述目的，本发明提供一种多吊具桥吊的摆角检测装置，所述的摆角检测装置设置在吊具上，该摆角检测装置包含：

点光源，其作为光衍射的发光源；

狭缝组件，用于提供单缝，以使得点光源发出的光在经过该狭缝组件时发生单缝衍射，并且该狭缝组件的单缝尺寸随着摆角检测装置的摆动而发生变化，从而引起衍射图样的变化；

透镜组件，用于确保点光源发出的发散光变为平行光通过狭缝组件，并在通过狭缝组件后汇聚到衍射图样定位板；

衍射图样定位板，用于检测衍射图像的光强分布和明暗条纹距离。

所述的透镜组件包含：

一级凸透镜，其设置在点光源和狭缝组件之间，该一级凸透镜的光心与点光源和狭缝组件的单缝位于同一条直线上，且点光源设置在该一级凸透镜的焦点处，点光源发出的发散光在经过一级凸透镜时，被汇聚成平行光，射入狭缝组件的单缝中；

二极凸透镜，其设置在狭缝组件和衍射图样定位板之间，该二极凸透镜的光心与狭缝组件的单缝、点光源和衍射图样定位板的中心点位于同一条直线上，且衍射图样定位板设置在该二极凸透镜的焦点处，经过狭缝组件的单缝的衍射光在经过二极凸透镜时，被汇聚在一起，照射到衍射图样定位板上。

所述的狭缝组件包含：

固定支架，用于固定衍射板上板和衍射板下板；

衍射板上板，其通过转轴设置在固定支架之间，可以绕转轴旋转；

衍射板下板，其通过转轴设置在固定支架之间，可以绕转轴旋转；

衍射板上板的下边缘和衍射板下板的上边缘之间平行且具有狭缝。

所述的衍射图样定位板包含：

光敏二极管PN结阵列，其包含多个光敏二极管PN结列和多个光敏二极管PN结排，每一列光敏二极管PN结列和每一排光敏二极管PN结排都包含多个光敏二极管PN结；

多个阵列PN结电压模数转换器，其分别与每一个光敏二极管PN结列和每一个光敏二极管PN结排电路连接，用于检测光敏二极管PN结阵列中每一列和每一排的电压大小；

衍射信息处理CPU，其电路连接所有的阵列PN结电压模数转换器，用于根据光敏二极管PN结阵列中每一列和每一排的电压大小计算衍射图样的明暗条纹距离，并进一步计算出摆角值。

所述的摆角值为：

α＝2arctg(2u/v)；

其中，α是摆角值，2u是狭缝组件中衍射板上板和衍射板下板之间的狭缝在x轴方向上的变化量，v是狭缝组件中衍射板上板和衍射板下板之间的狭缝在y轴方向上的变化量；

2u＝d₂-d₁；d₁是未发生摆动时衍射板上板和衍射板下板之间的狭缝距离，d₂是发生摆动角度为α时衍射板上板和衍射板下板之间的狭缝距离；

由单缝夫琅禾衍射公式计算得到d₁、v、d₂；

其中，λ是光波长，D是衍射板平面到衍射图样定位板之间的距离，k是第k级衍射条纹，x₁₁、x₂₁是未发生摆动时衍射图样定位板检测到的上下两侧的二极条纹到零级条纹的距离，x₁₂、x₂₂是发生摆动角度为α时衍射图样定位板检测到的上下两侧的二极条纹到零级条纹的距离,。

本发明根据单缝衍射和光感应原理，将吊具摆角转动信息转化为电信号和数字信号，通过单缝光栅衍射生成衍射图样，采用光敏二极管PN结阵列和数字模数转换芯片对光衍射图样的条纹宽度和亮条纹中心位置进行检测和处理，计算获得吊具以及负载(集装箱)的摆角信息，并将计算出的摆角信息传递给起重机操作员参考或者反馈给桥吊控制系统做防摇控制，从而提高操作员的操作效率和减轻工作压力。本发明结构简单，成本廉价，维护简单，容易制作，抗干扰能力强，不受恶劣天气的影响，且检测精度高，测量速度快，能够准确地定位，进而换算出摆角大小，满足实际的桥吊摆角测量的需要。

附图说明

图1是多轨道多吊具桥吊的结构模型结构示意图。

图2是单个吊具组件的细节部分的结构示意图。

图3是图2的俯视图。

图4是本发明提供的一种多吊具桥吊的摆角检测装置的结构示意图。

图5是衍射图样定位器的结构示意图。

图6是图5中A部结构放大示意图。

图7是桥吊摆角检测以及反馈的方法流程图。

图8是衍射图样光强度的示意图。

图9是衍射图样计算方法的示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图9，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，桥吊的竖直支架1和桥吊的横向支架2组成桥吊大车，概桥吊大车作为桥吊小车的搭载平台，桥吊大车驱动电机3，桥吊大车拖动皮带4和桥吊大车桥梁5作为桥吊大车的驱动机构和运行机构，大车与小车轨道连接杆6作为桥吊大车和桥吊小车的连接机构，本实施例中，设置了三个桥吊小车7、8、9，1#轨道桥吊小车7设置在桥吊小车1#轨道机构10上，2#轨道桥吊小车8设置在桥吊小车2#轨道机构11上，3#轨道桥吊小车9设置在桥吊小车3#轨道机构12上，该三个桥吊小车作为摆角检测装置以及起升电机的搭载平台，桥吊小车轨道机构作为各个小车的驱动装置，每个桥吊小车上可以设置多个吊具组件，在本实施例中，每个桥吊小车上都设置了三个吊具组件13、14和15，该吊具组件作为摆角检测装置的搭载装置和集装箱抓举装置。

如图2和图3所示，所述的吊具组件包含作为升降绳的吊绳16，连接器17用于连接吊具19和吊绳16，吊具19用于抓举负载(集装箱)，摆角检测装置18可以设置在连接器17上，用于检测吊具摆动的摆角大小。

如图4所示，所述的摆角检测装置18包含：

点光源21，其作为光衍射的发光源；在本实施例中，该点光源21发出红色光；

狭缝组件，用于提供单缝，以使得点光源21发出的光在经过该狭缝组件时发生单缝衍射，并且该狭缝组件的单缝尺寸会随着摆角检测装置18的摆动而发生变化，从而引起衍射图样的变化；

透镜组件，用于确保点光源21发出的发散光变为平行光通过狭缝组件，并在通过狭缝组件后汇聚到衍射图样定位板24；

衍射图样定位板24，用于检测衍射图像的光强分布和明暗条纹距离。

进一步，所述的透镜组件包含：

一级凸透镜22，其设置在点光源21和狭缝组件之间，该一级凸透镜22的光心与点光源21和狭缝组件的单缝位于同一条直线上，且点光源设置在该一级凸透镜22的焦点处，点光源21发出的发散光在经过一级凸透镜22时，被汇聚成平行光，射入狭缝组件的单缝中；

二极凸透镜25，其设置在狭缝组件和衍射图样定位板24之间，该二极凸透镜25的光心与狭缝组件的单缝、点光源21和衍射图样定位板24的中心点位于同一条直线上，且衍射图样定位板24设置在该二极凸透镜25的焦点处，经过狭缝组件的单缝的衍射光在经过二极凸透镜25时，被汇聚在一起，照射到衍射图样定位板24上。

所述的狭缝组件包含：

衍射板前固定支架29和衍射板后固定支架30，用于固定衍射板上板25和衍射板下板26；

衍射板上板25，其通过转轴28设置在衍射板前固定支架29和衍射板后固定支架30之间，可以绕转轴28旋转；

衍射板下板26，其通过转轴27设置在衍射板前固定支架29和衍射板后固定支架30之间，可以绕转轴27旋转；

衍射板下板26设置在衍射板上板25下方，衍射板上板25的下边缘和衍射板下板26的上边缘之间平行且具有狭缝，转轴用于衍射板的旋转，保证衍射板上板25和衍射板下板26始终保持竖直状态。

如图5和图6所示，所述的衍射图样定位板24包含：

光敏二极管PN结阵列，其包含阵列形式排列的多个光敏二极管PN结36，根据衍射图样定位板24的面积大小，该光敏二极管PN结阵列包含多个光敏二极管PN结列31和多个光敏二极管PN结排32，用于感受衍射图样的范围，每一列光敏二极管PN结列31和每一排光敏二极管PN结排32都是由多个光敏二极管PN结36组成，R_i,C_j(i,j＝1,2,…,n)表示的是二极管所在的第i行和第j列；

多个阵列PN结电压模数转换器33，其分别与每一个光敏二极管PN结列31和每一个光敏二极管PN结排32电路连接，用于检测光敏二极管PN结阵列中每一列和每一排的电压大小；如图6所示，光敏二极管PN结列31中的每一个光敏二极管PN结通过列向PN结阴极连接线38连接，最后通过列向连接线的检测引出线40连接到阵列PN结电压模数转换器33的某个引脚，光敏二极管PN结排32中的每一个光敏二极管PN结通过横向连接线的检测引出线37连接，最后通过横向连接线的检测引出线39连接到阵列PN结电压模数转换器33的某个引脚41；

衍射信息处理CPU35，其电路连接所有的阵列PN结电压模数转换器33，用于根据光敏二极管PN结阵列中每一列和每一排的电压大小计算衍射图样的明暗条纹距离，并进一步计算出摆角值，并发给桥吊CPU。

如图7所示，在进行桥吊摆角检测时，首先驾驶室发送命令控制使得桥吊小车7和吊具组件13、14、15启动运行，此时桥吊小车7沿着桥吊小车轨道10运动，而各个吊具组件13、14、15被吊绳16带着发生纵向移动，在此过程中吊具组件13、14、15产生了晃动，各个吊具组件13、14、15上的摆角检测装置18也发生了晃动。在摆角检测装置18中，衍射板上板25和衍射板下板26保持竖直向下，改变了两块衍射板之间的单缝的缝隙；因此当点光源(红色)21发出的光经过一级凸透镜22，经过变化的单缝，再经过二极凸透镜23，该光在衍射图样定位板24上形成衍射图样。由于缝隙宽度的变化导致光衍射图样发生上下移动，明暗条纹也会发生移动。衍射图样定位板24上的光敏二极管PN结36根据光的强弱产生的电流强弱不同，进一步转化为电压信号，通过阵列PN结电压模数转换器33检测出各个引出线电压的高低，衍射信息处理CPU35统计光敏二极管PN结阵列中所有行和列的电压，得出光衍射图样光强分布图，从中获取明暗条纹的距离和最强光强度的位置，进一步计算得出摆角信息，衍射信息处理CPU35通过反馈方式将角度信息反馈给桥吊CPU，桥吊控制器根据反馈的摆角信息计算出控制律，进而防摇装置执行控制命令。

如图8所示，当摆角检测装置18没有发生摆动时，由衍射图样定位板24测出的光强度如(a)所示，上下两侧的二极条纹到零级条纹的距离分别为x₁₁、x₂₁；当摆角检测装置18发生摆动时，由衍射图样定位板24测出的光强度如(b)所示，可以看出上下三级衍射条纹到中心的距离分别为x₁₂、x₂₂。

如图9所示，A为衍射板上板25的下半板，B为衍射板下板26的上半板，当未发生摆动时，上下板之间的分离间隙为d₁，当发生摆动角度为α时，上下板之间的分离间隙为d₂；在A和B转动前后，在x轴方向上变化为2u(等于AB转动后的宽度d₂与转动前的宽度d₁之差)，在y轴方向上的位置变化v，则由几何关系可以得到tg(α/2)＝2u/v，即α＝2arctg(2u/v)；

由单缝夫琅禾衍射结论可知：

分别可以求得d₁、v、d₂，并求得2u＝d₂-d₁，进而可以偏转角度α；

其中，λ是光波长，D是衍射板平面到衍射图样定位板之间的距离，k是第k级衍射条纹。

本发明根据单缝衍射和光感应原理，将吊具摆角转动信息转化为电信号和数字信号，通过单缝光栅衍射生成衍射图样，采用光敏二极管PN结阵列和数字模数转换芯片对光衍射图样的条纹宽度和亮条纹中心位置进行检测和处理，计算获得吊具以及负载(集装箱)的摆角信息，并将计算出的摆角信息传递给起重机操作员参考或者反馈给桥吊控制系统做防摇控制，从而提高操作员的操作效率和减轻工作压力。本发明结构简单，成本廉价，维护简单，容易制作，抗干扰能力强，不受恶劣天气的影响，且检测精度高，测量速度快，能够准确地定位，进而换算出摆角大小，满足实际的桥吊摆角测量的需要。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种多吊具桥吊的摆角检测装置，其特征在于，所述的摆角检测装置设置在吊具上，该摆角检测装置包含：

点光源，其作为光衍射的发光源；

狭缝组件，用于提供单缝，以使得点光源发出的光在经过该狭缝组件时发生单缝衍射，并且该狭缝组件的单缝尺寸随着摆角检测装置的摆动而发生变化，从而引起衍射图样的变化；

透镜组件，用于确保点光源发出的发散光变为平行光通过狭缝组件，并在通过狭缝组件后汇聚到衍射图样定位板；

衍射图样定位板，用于检测衍射图像的光强分布和明暗条纹距离；

所述的狭缝组件包含：

固定支架，用于固定衍射板上板和衍射板下板；

衍射板上板，其通过转轴设置在固定支架之间，可以绕转轴旋转；

衍射板下板，其通过转轴设置在固定支架之间，可以绕转轴旋转；

衍射板上板的下边缘和衍射板下板的上边缘之间平行且具有狭缝；

摆角值为：

α＝2arctg(2u/v)；

其中，α是摆角值，2u是狭缝组件中衍射板上板和衍射板下板之间的狭缝在x轴方向上的变化量，v是狭缝组件中衍射板上板和衍射板下板之间的狭缝在y轴方向上的变化量；

2u＝d₂-d₁；d₁是未发生摆动时衍射板上板和衍射板下板之间的狭缝距离，d₂是发生摆动角度为α时衍射板上板和衍射板下板之间的狭缝距离；

由单缝夫琅禾衍射公式计算得到d₁、v、d₂；

其中，λ是光波长，D是衍射板平面到衍射图样定位板之间的距离，k是第k级衍射条纹，x₁₁、x₂₁是未发生摆动时衍射图样定位板检测到的上下两侧的二极条纹到零级条纹的距离，x₁₂、x₂₂是发生摆动角度为α时衍射图样定位板检测到的上下两侧的二极条纹到零级条纹的距离。

2.如权利要求1所述的多吊具桥吊的摆角检测装置，其特征在于，所述的透镜组件包含：

一级凸透镜，其设置在点光源和狭缝组件之间，该一级凸透镜的光心与点光源和狭缝组件的单缝位于同一条直线上，且点光源设置在该一级凸透镜的焦点处，点光源发出的发散光在经过一级凸透镜时，被汇聚成平行光，射入狭缝组件的单缝中；

二极凸透镜，其设置在狭缝组件和衍射图样定位板之间，该二极凸透镜的光心与狭缝组件的单缝、点光源和衍射图样定位板的中心点位于同一条直线上，且衍射图样定位板设置在该二极凸透镜的焦点处，经过狭缝组件的单缝的衍射光在经过二极凸透镜时，被汇聚在一起，照射到衍射图样定位板上。

3.如权利要求2所述的多吊具桥吊的摆角检测装置，其特征在于，所述的衍射图样定位板包含：

光敏二极管PN结阵列，其包含多个光敏二极管PN结列和多个光敏二极管PN结排，每一列光敏二极管PN结列和每一排光敏二极管PN结排都包含多个光敏二极管PN结；

多个阵列PN结电压模数转换器，其分别与每一个光敏二极管PN结列和每一个光敏二极管PN结排电路连接，用于检测光敏二极管PN结阵列中每一列和每一排的电压大小；

衍射信息处理CPU，其电路连接所有的阵列PN结电压模数转换器，用于根据光敏二极管PN结阵列中每一列和每一排的电压大小计算衍射图样的明暗条纹距离，并进一步计算出摆角值。

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