CN113526387A - 一种异形储缆卷筒缆绳排缆装置及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种异形储缆卷筒缆绳排缆装置及实现方法，是一种为不同缆径的缆绳排列到不规则储缆机构的自适应方法，利用两个编码器和一个角度传感器，采用液压比例阀驱动排缆机构进行排缆，通过异形储缆卷筒的每层起始位置以及可排缆区域的设置可以有效地解决了异型卷筒的排缆问题，同时可以参数的修改满足不同缆径的缆绳的排缆,得到很好的效果。

Description

一种异形储缆卷筒缆绳排缆装置及实现方法
技术领域
本发明涉及储缆卷筒排缆领域，主要是一种异形储缆卷筒缆绳排缆装置及实现方法。
背景技术
液压(或电动)绞车储缆卷筒一般都是规则的圆形卷筒,储缆卷筒所有层缆绳的排缆圈数是一致的,排缆机构每层运行的往返距离是一致的。当储缆卷筒异形时，即每层缆绳的排缆圈数是不一定相同时，每层排缆机构运行的初始位置以及往返距离都不一致。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种异形储缆卷筒缆绳排缆装置及实现方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种异形储缆卷筒缆绳排缆装置，主要包括储缆卷筒、排缆机构和丝杆，排缆机构安装在丝杆，通过丝杠的旋转驱动排缆机构在丝杠上进行左右移动引导缆绳均匀排列在储缆卷筒上；储缆卷筒上设有卷筒旋转编码器，丝杆上设有丝杠旋转编码器，丝杠两端的各有一个接近开关传感器A和接近开关传感器B，用于防止排缆机构超出允许的排缆区域。
本发明同时提出了一种异形储缆卷筒缆绳排缆的实现方法，该方法具体包括如下步骤：
A)计算缆径Dlo：
先根据缆绳进行实际排缆，完成若干圈后，计算出缆绳排布后平均单圈的计算缆径Dlo；
B)各层排缆起始/终止位置的确定：
将卷筒每层的可容缆位置的最左侧离零点距离定义排缆的起始点DInit_j，将最右侧离零点距离定义为排缆终止点DEnd_j，DEnd_j小于储缆卷筒的最大宽度W总，由此对应每层的排缆机构折返位置，其中j代表卷筒容缆的层数，即：j＝1,2...n；在储缆卷筒设计后尺寸固定，DInit_j和DEnd_j在程序初始化中进行预设；
C)储缆卷筒缆绳的入缆实际位置Sta_CLsit的确定：
入缆实际位置Sta_CLsit就是排缆机构跟踪的目标位置，根据储缆卷筒缆绳的入缆实际编码值CL_Act_Bm减去转向时的实际储缆卷筒累计值CL_Sum_Bmj与计算缆径Dlo的乘积，该乘积就是缆绳在本层换向时离换向点的位置距离，再根据缆绳排列方向、本层容缆起始点到零点距离DInit_j以及缆绳各层可容缆的终点位置离零点距离DEnd_j，计算出缆绳的入缆确切位置，即排缆机构跟踪的目标位置；
D)排缆机构的实际位置Sta_PLsit计算：
排缆机构的编码规则为：对准储缆卷筒的可容缆的最左端位置设置为偏移量零点位置，最右端为偏移量最大位置；排缆机构由左向右运动时，编码数增加，由右向左运动时，编码数减少；由此，排缆机构编码器的偏移量除以编码器单圈的编码数PL_Sin_Bm，再乘以螺距Ls就是排缆机构的实际偏零点的位置Sta_PLsit；
E)排缆机构的实际排缆位置与目标位置的差值u_Diff：
依照步骤C)及D)的计算得到：
u_Diff＝Sta_CLsit-Sta_PLsit
根据排缆方向以及u_Diff的正负来判断排缆机构的超前或滞后，为减少排缆机构跟踪时的震荡，跟踪算法使u_Diff的绝对值小于合理范围即可，根据计算出的排缆机构的激励值，使排缆机构的运动速度增加或减少，从而保证排缆机构始终保持在理想的储缆卷筒入缆位置附近；
F)排缆机构的折返运算：
由于储缆卷筒的形状异常，其每层的折返点由DInit_j和DEnd_j预设给出，在设备运行初始化时转化为每层的CL_Init_Bmj，即储缆卷筒的每层排缆的初始位置编码值，和CL_End_Bmj，即储缆卷筒的每层排缆的结束位置编码值，j＝1,2...n；排缆机构的实际排缆过程中，其位置编码PL_Act_Bm与CL_Init_Bmj及CL_End_Bmj进行实时比较，当PL_Act_Bm从左边接近达到一定的编码差值内，各层的CL_Init_Bmj时排缆机构将进行反向排缆，当PL_Act_Bm从右边接近达到一定的编码差值内，各层的CL_End_Bmj时排缆机构将进行反向排缆。
本发明的有益效果为：本发明为不同缆径的缆绳排列到不规则储缆机构的一种自适应方法，利用两个编码器和一个角度传感器，采用液压比例阀驱动排缆机构进行排缆，通过异形储缆卷筒的每层起始位置以及可排缆区域的设置可以有效地解决了异型卷筒的排缆问题,同时可以参数的修改满足不同缆径的缆绳的排缆,得到很好的效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记说明：储缆卷筒1、排缆机构2、卷筒旋转编码器11、丝杆21、丝杠旋转编码器22、接近开关传感器A23、接近开关传感器B24。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
如图1所示，一种异形储缆卷筒缆绳排缆装置，主要包括储缆卷筒1、排缆机构2和丝杆21，排缆机构2安装在丝杆21，通过丝杠21的旋转驱动排缆机构22在丝杠21上进行左右移动引导缆绳均匀排列在储缆卷筒1上；储缆卷筒1上设有卷筒旋转编码器11，丝杆21上设有丝杠旋转编码器22用于记录丝杠旋转状态，丝杠21两端的各有一个接近开关传感器A23和接近开关传感器B24，用于防止排缆机构2超出允许的排缆区域。所述丝杠21运动驱动是液压比例阀或变频电机，使丝杠速度进行无极调速。
本发明同时提出了一种异形储缆卷筒缆绳排缆的实现方法，通过设置针对该异形卷筒的部分初始参数，利用1个卷筒旋转编码器、1个丝杠旋转编码器(丝杠的旋转驱动排缆机构的前进或返回)有效地解决了缆绳在异形卷筒上的排缆方法，从而使缆绳可以全自动快速且整齐地排列在异形卷筒上。该方法具体包括如下步骤：
机构工作原理：在上述的绞车装置中，收放缆的动力机构是储缆卷筒，随着储缆卷筒的正转/反转使缆可以储入卷筒中或从储缆卷筒中释放出来，根据储缆卷筒的转动，控制系统(CS)控制液压(或电机)驱动丝杠的旋转使排缆机构在丝杠上进行左右移动引导缆绳均匀排列在储缆卷筒上。储缆卷筒两端的各有一个接近开关传感器，用于确定储缆卷筒的绝对宽度W总，防止排缆机构过于靠左或靠右，达到安全保护的作用。
控制原理：
参数说明：
W总：储缆卷筒的最大宽度，即排缆丝杆最大允许运动距离。
Dl：缆绳直径实际缆径
Dlo：缆绳计算缆径(用于储缆卷筒缆绳的实际入缆位置的计算)
Ls：丝杆的螺距
DInit_j:缆绳各层可容缆的起始点位置离最左零点距离，j＝1,2...n
DEnd_j:缆绳各层可容缆的终点位置离最左零点距离，j＝1,2...n
CL_Init_Bmj:储缆卷筒的每层排缆的初始位置编码值，j＝1,2...n
CL_End_Bmj:储缆卷筒的每层排缆的结束位置编码值，j＝1,2...n
CL_Sin_Bm:储缆卷筒编码器单圈脉冲数
PL_Sin_Bm:排缆丝杠编码器单圈脉冲数
CL_Sum_Bm:储缆卷筒的实际编码数累计值
CL_Sum_Bmj:缆绳转向时的实际储缆卷筒累计值，j＝1,2...n
CL_Act_Bm：储缆卷筒缆绳的实际入缆位置编码(全缆累加值)，
PL_Act_Bm：排缆机构的实际排缆位置编码
Sta_CLsit：储缆卷筒缆绳的入缆实际位置(排缆机构跟踪目标位置)
Sta_PLsit：排缆机构的实际排缆位置
u_Diff：排缆机构的实际排缆位置与目标位置的差值
参数计算过程：
A)计算缆径Dlo的确认：
目的是为了确定缆绳在储缆卷筒上排列一圈时排缆机构应前进的距离，Dlo一般比实际缆径DL要大，用于增加排缆机构跟踪的精度。实际的测算方法：先根据缆绳进行实际排缆，完成若干圈后，计算出缆绳排布后平均单圈的计算缆径Dlo。
B)各层排缆起始(DInit_j)/终止(DEnd_j)位置的确定：
基于异型储缆卷筒的形状，卷筒每层储缆的圈数可能都不尽相同，可以将卷筒每层的可容缆位置的最左侧离零点距离定义排缆的起始点(DInit_j)，将最右侧离零点距离定义为排缆终止点(DEnd_j)，DEnd_j小于W总。由此对应每层的排缆机构折返位置。其中j代表卷筒容缆的层数，即：j＝1,2...n。
由于储缆卷筒设计后尺寸固定，DInit_j和DEnd_j可在程序初始化中进行预设。
C)储缆卷筒缆绳的入缆实际位置(Sta_CLsit)的确定：
该位置(Sta_CLsit)就是排缆机构跟踪的目标位置，它根据储缆卷筒缆绳的入缆实际编码值(CL_Act_Bm)减去转向时的实际储缆卷筒累计值CL_Sum_Bmj与计算缆径(Dlo)的乘积，该乘积就是缆绳在本层换向时离换向点的位置距离，再根据缆绳排列方向、本层容缆起始点到零点距离(DInit_j)以及缆绳各层可容缆的终点位置离零点距离(DEnd_j)，就可以计算出缆绳的入缆确切位置，即排缆机构跟踪的目标位置。
D)排缆机构的实际位置(Sta_PLsit)计算：
排缆机构的编码规则为：对准储缆卷筒的可容缆的最左端位置设置为偏移量零点位置，最右端为偏移量最大位置，叠加一个较大的基数，为防止溢出。排缆机构由左向右运动时，编码数增加，由右向左运动时，编码数减少。
由此可以知道，排缆机构编码器的偏移量除以编码器单圈的编码数(PL_Sin_Bm)，再乘以螺距(Ls)就是排缆机构的实际偏零点的位置(Sta_PLsit)，
E)排缆机构的实际排缆位置与目标位置的差值(u_Diff)
依照步骤C)及D)的计算可以得到：
u_Diff＝Sta_CLsit-Sta_PLsit
根据排缆方向以及u_Diff的正负来判断排缆机构的超前或滞后。为排缆机构快速达到目标位置的跟踪，跟踪的调节步长应与u_Diff成单调函数关系，u_Diff越大，调节步长越大。为减少排缆机构跟踪时的震荡，跟踪算法使u_Diff的绝对值小于合理范围(一般可取Dlo/2)即可，根据计算出的排缆机构的激励值，使排缆机构的运动速度增加或减少，从而保证排缆机构始终保持在理想的储缆卷筒入缆位置附近，保证储缆卷筒内的缆绳不出现叠缆或跳缆的现象。
为更高精度的进行跟踪(即u_Diff的值更小)，在合理区间内跟踪过程中对u_Diff再进行代数累积，当该累积值超出预设范围后，排缆激励值增加一个较小步长，从而使u_Diff的偏差更小，跟踪精度更高。
F)排缆机构的折返运算：
由于储缆卷筒的形状异常，其每层的折返点由DInit_j和DEnd_j预设给出。在设备运行初始化时可以转化为每层的CL_Init_Bmj(储缆卷筒的每层排缆的初始位置编码值)、CL_End_Bmj(储缆卷筒的每层排缆的结束位置编码值，j＝1,2...n)。排缆机构的实际排缆过程中，其位置编码PL_Act_Bm与CL_Init_Bmj及CL_End_Bmj进行实时比较，当PL_Act_Bm从左边接近(达到一定的编码差值内)各层的CL_Init_Bmj时排缆机构将进行反向排缆，当PL_Act_Bm从右边接近(达到一定的编码差值内)各层的CL_End_Bmj时排缆机构将进行反向排缆。(接近折返点并进行折返的编码差值由各设备的液压响应时间及收放缆速度决定)。
G)排缆机构零点的确认：
为防止设备长期使用过程中，排缆机构的累积偏差，利用排缆机构两侧保证机械安全的接近开关来进行编码器的清零或置最大编码值。当排缆机构接近到接近开关传感器时，排缆机构强行停止继续外移。同时将排缆机构的编码值置数。
工作过程：
在液压或电机的驱动下，储缆卷动运动，储缆卷筒编码器的累积数值产生变化，即：当前入缆位置Sta_CLsit产生变化，根据E)在线计算出排缆位置与它差值u_Diff，根据u_Diff进行排缆激励计算，驱动排缆机构(丝杠)的运行，达到排缆机构与入缆位置的匹配。当储缆卷动运动速度产生变化时，u_Diff就会超出阈值，根据跟踪算法在线计算出激励，使排缆机构与入缆位置的匹配。
排缆机构的速度变化取决于3个因数：即缆绳的收放速度变化速度、液压(或丝杠电机)的响应时间(DT)、排缆机构的实际位置偏差。根据以上三个参数进行跟踪反馈运算。根据缆绳的收放速度变化速度，计算出激励的变化量，从而预估排缆机构变化的情况，保证排缆机构的稳定运行。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种异形储缆卷筒缆绳排缆装置，其特征在于：主要包括储缆卷筒(1)、排缆机构(2)和丝杆(21)，排缆机构(2)安装在丝杆(21)，通过丝杠(21)的旋转驱动排缆机构(22)在丝杠(21)上进行左右移动引导缆绳均匀排列在储缆卷筒(1)上；储缆卷筒(1)上设有卷筒旋转编码器(11)，丝杆(21)上设有丝杠旋转编码器(22)，丝杠(21)两端的各有一个接近开关传感器A(23)和接近开关传感器B(24)，用于防止排缆机构(2)超出允许的排缆区域。
2.根据权利要求1所述的异形储缆卷筒缆绳排缆装置，其特征在于：所述丝杠(21)运动驱动是液压比例阀或变频电机，使丝杠速度进行无极调速。
3.一种异形储缆卷筒缆绳排缆的实现方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
A)计算缆径Dlo：
先根据缆绳进行实际排缆，完成若干圈后，计算出缆绳排布后平均单圈的计算缆径Dlo；
B)各层排缆起始/终止位置的确定：
将卷筒每层的可容缆位置的最左侧离零点距离定义排缆的起始点DInit_j，将最右侧离零点距离定义为排缆终止点DEnd_j，DEnd_j小于储缆卷筒的最大宽度W总，由此对应每层的排缆机构折返位置，其中j代表卷筒容缆的层数，即：j＝1,2...n；在储缆卷筒设计后尺寸固定，DInit_j和DEnd_j在程序初始化中进行预设；
C)储缆卷筒缆绳的入缆实际位置Sta_CLsit的确定：
入缆实际位置Sta_CLsit就是排缆机构跟踪的目标位置，根据储缆卷筒缆绳的入缆实际编码值CL_Act_Bm减去转向时的实际储缆卷筒累计值CL_Sum_Bmj与计算缆径Dlo的乘积，该乘积就是缆绳在本层换向时离换向点的位置距离，再根据缆绳排列方向、本层容缆起始点到零点距离DInit_j以及缆绳各层可容缆的终点位置离零点距离DEnd_j，计算出缆绳的入缆确切位置，即排缆机构跟踪的目标位置；
D)排缆机构的实际位置Sta_PLsit计算：
排缆机构的编码规则为：对准储缆卷筒的可容缆的最左端位置设置为偏移量零点位置，最右端为偏移量最大位置；排缆机构由左向右运动时，编码数增加，由右向左运动时，编码数减少；由此，排缆机构编码器的偏移量除以编码器单圈的编码数PL_Sin_Bm，再乘以螺距Ls就是排缆机构的实际偏零点的位置Sta_PLsit；
E)排缆机构的实际排缆位置与目标位置的差值u_Diff：
依照步骤C)及D)的计算得到：
u_Diff＝Sta_CLsit-Sta_PLsit
根据排缆方向以及u_Diff的正负来判断排缆机构的超前或滞后，为减少排缆机构跟踪时的震荡，跟踪算法使u_Diff的绝对值小于合理范围即可，根据计算出的排缆机构的激励值，使排缆机构的运动速度增加或减少，从而保证排缆机构始终保持在理想的储缆卷筒入缆位置附近；
F)排缆机构的折返运算：
由于储缆卷筒的形状异常，其每层的折返点由DInit_j和DEnd_j预设给出，在设备运行初始化时转化为每层的CL_Init_Bmj，即储缆卷筒的每层排缆的初始位置编码值，和CL_End_Bmj，即储缆卷筒的每层排缆的结束位置编码值，j＝1,2...n；排缆机构的实际排缆过程中，其位置编码PL_Act_Bm与CL_Init_Bmj及CL_End_Bmj进行实时比较，当PL_Act_Bm从左边接近达到一定的编码差值内，各层的CL_Init_Bmj时排缆机构将进行反向排缆，当PL_Act_Bm从右边接近达到一定的编码差值内，各层的CL_End_Bmj时排缆机构将进行反向排缆。
4.根据权利要求3所述的异形储缆卷筒缆绳排缆的实现方法，其特征在于：在步骤E)中，为排缆机构快速达到目标位置的跟踪，跟踪的调节步长应与u_Diff成单调函数关系，u_Diff越大，调节步长越大。
5.根据权利要求3所述的异形储缆卷筒缆绳排缆的实现方法，其特征在于：在步骤E)中，为更高精度的进行跟踪，即u_Diff的值更小，在合理区间内跟踪过程中对u_Diff再进行代数累积，当该累积值超出预设范围后，排缆激励值增加一个较小步长，从而使u_Diff的偏差更小，跟踪精度更高。
6.根据权利要求3所述的异形储缆卷筒缆绳排缆的实现方法，其特征在于：增加排缆机构零点的确认步骤：利用排缆机构两侧保证机械安全的接近开关传感器来进行编码器的清零或置最大编码值，当排缆机构接近到接近开关传感器时，排缆机构强行停止继续外移，同时将排缆机构的编码值置数。
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