CN118083780A - 智能抓斗起重机防乱绳控制方法及系统 - Google Patents

智能抓斗起重机防乱绳控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及智能抓斗起重机防乱绳控制方法及系统，在抓斗下降和抓斗上升的过程中，控制/调节起升电机和开闭电机的力矩分配，以保持△H≦△H0，起重机的起升机构永磁直驱的起升机构，起升电机和开闭电机均采用外转子永磁电机，支撑绳卷筒采用起升电机的外转子壳体或固定设置于起升电机外转子的外侧，开闭绳卷筒采用开闭电机的外转子壳体或固定设置于开闭电机外转子的外侧，两电机分别设有各自的均设置各自的旋转编码器和力矩传感器，各旋转编码器和力矩传感器的输出接入控制系统。本发明能够避免或减少抓斗升降过程出现的乱绳现象。

Description

智能抓斗起重机防乱绳控制方法及系统
技术领域
本发明涉及适于永磁直驱智能抓斗起重机的防乱绳控制方法及系统，属起重机智能控制技术领域。
背景技术
双绳抓斗是起重机上常用的抓斗工具，设有两个(或两组)钢丝绳，分别为支撑绳和开闭绳，抓斗的起升和开闭通过钢丝绳进行动作，两钢丝绳的上端分别缠绕在支撑绳卷筒和开闭绳卷筒上，起升电机和开闭电机分别带动各自对应的卷筒旋转，实现对相应钢丝绳的收放。目前无人化智能抓斗起重机的应用越来越广，在24小时不间断连续工作的时候需要有效地保证系统的可靠运行，而抓斗系统的钢丝绳防乱绳就是一个很重要的工作。
现有智能抓斗起重机防乱绳方式主要是通过结构方式来避免，通过转筒端增加机械防乱绳装置和抓斗端滑轮增加机械限制防乱绳撞击，这种控制方式不仅需要额外增加设备成本，额外的空间占用，而且在抓斗起升和开闭电机过度放绳的情况下不能保证钢丝绳不乱绳。另外，传统的人工操作抓斗起重机主要凭作业人员的经验进行起升和开闭两台电机，以适当控制各钢丝绳的放绳度和两钢丝绳之间的协调，这种人工控制方式更易于出现乱绳现象。
发明内容
本发明的目的是避免或减少抓斗升降过程出现的乱绳现象，以利于可靠运行。
本发明的技术方案是：智能抓斗起重机的防乱绳控制方法，起重机的抓斗为两绳(或称双绳，或双索)抓斗，在抓斗下降和抓斗上升的过程中，控制/调节起升电机和开闭电机的力矩分配，以保持△H≦△H0，其中
△H＝ABS(H1-H2)，为绳差；
H1为支撑绳放绳量，H2为开闭绳放绳量；
△H0为设定/标定的绳差控制量，为允许的绳差最大限值。
优选地，依据旋转编码器的检测数据计算获得(实时的)支撑绳放绳量和开闭绳放绳量，支撑绳放绳量计算所依据的旋转编码器为支撑绳卷筒编码器或起升电机编码器，开闭绳放绳量计算所依据的旋转编码器为开闭绳卷筒编码器或开闭电机编码器。
进一步地，在抓斗运行前，确定/标定抓斗的触底高度H0，在抓斗下降过程中，依据支撑绳放绳量H1和开闭绳放绳量H2，或者依据支撑绳放绳量计算所依据的旋转编码器的检测数据和开闭绳放绳量计算所依据的旋转编码器的检测数据，计算获得(实时的)抓斗高度H3,实施H3(实时数据)与H0的对比，在出现H3≦H0时，判断为抓斗触底，或者，对是否为抓斗触底做进一步判断。
进一步地，在抓斗运行前，确定/标定静止状态下的空斗力矩T0，在抓斗下降过程中，检测/获取起升电机力矩输出T1和开闭电机力矩输出T2,在出现H3≦H0后，实施T1+T2(实时数据)与T0的对比，以实现对是否为抓斗触底的进一步判断，如T1+T2＜T0，判断为抓斗触底，可继续实施抓斗触底后的抓料闭斗作业；如T1+T2＞T0，判断为存在故障，则应依据作业规范进行故障报警和/或停机等。
进一步地，在抓斗下降过程中，检测/获取开闭电机力矩输出T2，在起升电机和开闭电机的力矩分配的控制/调节中保持T2＜T21，其中T21为使抓斗开始闭合所需的闭合电机的最小力矩。
进一步地，在抓斗上升过程中，检测/获取开闭电机力矩输出T2，在起升电机和开闭电机的力矩分配的控制/调节中保持T2≧T22，其中T22为保持抓头闭合所需的闭合电机的最小力矩。
优选地，起升电机和开闭电机均采用外转子永磁电机，支撑绳卷筒采用起升电机的外转子壳体或固定设置于起升电机外转子的外侧，开闭绳卷筒采用开闭电机的外转子壳体或固定设置于开闭电机外转子的外侧。
优选地，各外转子永磁电机均设置各自的旋转编码器和力矩传感器(用于检测或获取电机力矩的任意适宜的电路、仪器、装置等)。
在上述情形下，支撑绳放绳量计算所依据的旋转编码器为起升电机自带的旋转编码器，支撑绳放绳量计算所依据的旋转编码器为开闭电机自带的旋转编码器，起升电机的力矩输出数据来自起升电机自带的力矩传感器，开闭电机的力矩输出数据来自开闭电机自带的力矩传感器。
进一步地，起重机设有小车或大小车(大车和小车)，起升电机和开闭电机设置在起重机的小车上，在抓头抓料闭斗后上升到设定高度后，起升电机和开闭电机停止，保持支撑绳和开闭绳放绳量不变，控制小车或大小车将抓斗移动到放料位置(放料平面位置)后，启动开闭电机释放开闭绳(增加开闭绳的放绳量)至抓斗张开至放料状态，进行放料。
智能抓斗起重机的防乱绳控制系统，采用本发明公开的任一种智能抓斗起重机的防乱绳控制方法进行起升机构的相关控制，所述起升机构设有两绳抓斗及与两绳抓斗配套的支撑绳卷筒机构和开闭绳卷筒机构，所述支撑绳卷筒机构设有用于带动支撑绳卷筒旋转的起升电机，所述开闭绳卷筒机构设置用于带动开闭绳卷筒旋转的开闭电机，所述起升电机和开闭电机设置在起重机的小车上。
优选地，所述起升机构为永磁直驱的起升机构，起升电机和开闭电机均采用外转子永磁电机，支撑绳卷筒采用起升电机的外转子壳体或固定设置于起升电机外转子的外侧，开闭绳卷筒采用开闭电机的外转子壳体或固定设置于开闭电机外转子的外侧。
优选地，用作起升电机和开闭电机的外转子永磁电机均设置各自的旋转编码器，各旋转编码器的输出均接入控制系统，用于向控制系统提供相应的旋接编码器检测数据。
在上述优选方式下，支撑绳放绳量计算所依据的旋转编码器为起升电机自带的旋转编码器，支撑绳放绳量计算所依据的旋转编码器为开闭电机自带的旋转编码器。
优选地，用作起升电机和开闭电机的外转子永磁电机均设置各自的力矩传感器(用于检测或获取电机力矩的任意适宜的电路、仪器、装置等)，各力矩传感器的输出均接入控制系统，用于向控制系统提供相应的电机力矩(力矩输出)检测数据。
在上述优选方式下，起升电机的力矩输出数据来自起升电机自带的力矩传感器，开闭电机的力矩输出数据来自开闭电机自带的力矩传感器。
本发明的有益效果是：利用智能抓斗起重机的工作特点，特别是永磁直驱电机在抓斗起重机上应用的优势，通过对电机的控制和监测，保证钢丝绳的放绳度。由于永磁直驱电机及其他相关电机可以通过电机力矩实时反馈电机的负载状态，从而判断出相应电机控制的钢丝绳处于什么状态，通过控制系统调节起升和开闭两台电机之间的协同工作，保证了抓斗在起升、下降、开斗、闭斗等工况下两钢丝绳(支撑绳和开闭绳)始终能够保持一定的张力，进而避免出现乱绳现象。
附图说明
图1是本发明涉及的智能抓斗起重系统的示意图；
图2是本发明涉及的电机控制架构的示意图；
图3是本发明涉及的抓斗高度及绳差检测的示意图；
图4是本发明涉及的抓斗运行(下降)控制流程的示意图。
具体实施方式
参见图1-图4，本发明可用于双绳抓斗起重机，特别是永磁直驱的抓斗起重机，起重机的开闭电机和起升电机均可以采用外转子永磁电动机，以起升电机的外转子(外壳)作为用于卷取支撑绳(或称支持绳)1的支撑绳卷筒(或者转筒)5，以开闭电机的外转子(外壳)作为用于卷取开闭绳2的开闭绳卷筒4。由此这些外转子永磁电机可称为永磁直驱电机，相应的起升机构/起重机可称为永磁直驱起升机构/起重机。其中，支撑绳主要用于悬吊抓斗3，通过起升电机带动支撑绳卷筒双向转动，进行支撑绳的收绳或放绳，进而实现抓斗的升降(或称起升)；开闭绳主要用于带动抓斗动作，通过开闭电机带动开闭绳卷筒双向转动，进行开闭绳的收绳或放绳，开闭绳放松时抓斗张开，收紧时使抓斗闭合，以实现物料的抓取和释放。然而，在一绳(支撑绳或开闭绳)张紧工作时，另一绳(开闭绳或支撑绳)不能过度放松，否则会出现卷筒端绕绳混乱或抓斗端滑轮部分钢丝绳错位等乱绳现象，进而导致钢丝绳磨损后断股或因乱绳而无法平稳运行。
本发明可以利用永磁直驱电机在抓斗起重机上应用的优势，以永磁自取电机的相应传感装置(适宜时)获得所需的信息，以实施对各电机的控制和监测，保证钢丝绳的放绳度。依据实际需求，在无法利用已有相关传感装置或已有设施中不存在相关传感装置的情形下，可以依据现有技术设置本发明所需的相应传感器/数据采集装置以获得所需的信息。
永磁直驱电机等可以通过电机力矩(力矩输出)实时反馈电机的负载状态，从而判断对应钢丝绳处于什么状态。实际应用时，控制系统不断调节起升和开闭两台电机协同工作，保证抓斗在起升、下降、开斗、闭斗等工况下两电机的钢丝绳都保持各自所需的张力，主动保证不乱绳。
本发明的控制需要两方面的数据。一是放绳量相关数据，二是电机力矩(扭矩)相关数据。具体为：
1)放绳量相关数据：标定抓斗的触底高度H0(在系统运行前)，设定/标定绳差控制量(最大限值)△H0(△H0＞0)。可以通过智能起重机自带的或专门设置的起升电机编码器和开闭电机编码器进行检测，依据两编码器的实时检测数据计算各转筒(或者说各钢丝绳)的实时放绳量(放绳长度，相对于起始状态/标准状态从卷筒释放出来的钢丝绳长度。例如，可以在任一控制过程的起始位置，调整两钢丝绳的相对长度，使两钢丝绳和抓斗处于良好的平衡状态，或计算获得在任一控制过程的起始位置两钢丝绳应有的伸出长度，由此形成用于控制放绳量的起始状态或标准状态)，获得实时的支撑绳放绳量H1和开闭绳放绳量H2。可以依据两编码器检测数据或两绳放绳量计算获得抓斗的实时高度H3(可以结合起重机涉及抓斗高度的相关参数，例如，抓斗初始高度，两绳的初始长度)，依据两绳的实时放绳量计算获得两绳之间的实时绳差(放绳量差值的绝对值)△H，也就是，△H＝ABS(H1-H2)，ABS为绝对值函数。
△H0的大小决定了起升电机钢丝绳和开闭电机钢丝绳乱绳的概率，应依据实际需求设定。△H0越小，两钢丝绳的绷紧状态就越加同步，出现乱绳的概率就越低；反之，△H0越大，出现乱绳的概率就越高。可以通过实验确定/标定满足一定乱绳概率限值的△H0。
2)转矩相关数据：标定静止状态下的空斗力矩T0(在空斗且抓斗悬空的静止状态下，两电机的力矩和，或者说，两电机通过相应钢丝绳承载的力矩和，在系统运行前标定)，实时检测获取两电机在运行过程中的力矩输出T1(起升电机力矩/力矩输出)和T2(开闭电机力矩/力矩输出)。
可以基于上述数据对起升机构进行控制，防止乱绳，具体控制方法包括：
1)在实施抓斗下降作业的过程中，保持T2＜T21，T21为使抓斗开始闭合所需的闭合电机最小力矩，以△H≦△H0为控制目标进行起升电机和开闭电机的力矩分配，依据采样/对比周期，实施实时△H与△H0的对比，在出现△H＞△H0时，调整起升电机和开闭电机的力矩分配；
2)在抓斗下降过程中，依据采样/对比周期，实施实时H3与H0的对比，在出现H3≦H0时，实施实时T1+T2与T0的对比，如T1+T2＜T0，判断为抓斗触底，实施抓斗触底后的抓料闭斗作业(可按现有作业方式)，抓料闭斗作业完成后，实施抓斗上升作业；如T1+T2＞T0，判断为故障，进行故障报警，依据作业规范进行后续处理；
3)在实施抓斗上升作业的过程中，保持T2≧T22,T22为保持抓头闭合所需的闭合电机最小力矩，以△H≦△H0为控制目标进行起升电机和开闭电机的力矩分配，依据采样/对比周期，实施实时△H与△H0的对比，在出现△H＞△H0时，调整起升电机和开闭电机的力矩分配。
抓斗完成一次工作的过程大致如下：1)抓斗自起始的悬空位置下移，抓斗处于张开状态，在下移过程中通过两电机协调控制，保持△H≦△H0，保持抓斗处于张开状态；2)抓斗触底后，通过开闭电机收紧开闭绳，进行抓料闭斗；3)抓料闭斗完成后，抓斗上移，升到适宜的悬空高度，在上升过程中通过两电机协调控制，保持△H≦△H0，保持闭斗状态；3)控制起重机小车或大小车运行，将抓斗移动到目标(平面)位置(该过程中可保持起升电机和闭合电机不动，两绳的放绳量不变)；4)到达目标位置后，闭合电机释放开闭绳，打开抓斗放料，必要时可以在放料前通过两电机协调控制，在保持△H≦△H0的情形下使抓斗下移到适宜的放料高度。
本发明具有下列特点：
1)基于永磁直驱电机实现抓斗起重机防乱绳功能，可利用永磁直驱智能起重机已有的相关硬件，不需要额外增加任何检测装置，不增加/基本上不增加成本的前提下实现了防乱绳功能，提高抓斗起重机的可靠性；
2)通过电机力矩反馈，有效地实现了起升电机和开闭电机的协同，电机的协同控制通过软件实现，通用性强；
3)在起升和开闭电机增加两个绝对值编码器，便可在工人操作的永磁直驱抓斗起重机上实现本发明的防乱绳功能。
本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定时，均可以任意组合，形成若干不同的具体实施方式。

Claims (10)

1.智能抓斗起重机的防乱绳控制方法，起重机的抓斗为两绳抓斗，其特征在于在抓斗下降和抓斗上升的过程中，控制/调节起升电机和开闭电机的力矩分配，以保持△H≦△H0，其中
△H＝ABS(H1-H2)，为绳差；
H1为支撑绳放绳量，H2为开闭绳放绳量；
△H0为设定/标定的绳差控制量，为允许的绳差最大限值。
2.如权利要求1所述的智能抓斗起重机的防乱绳控制方法，其特征在于依据旋转编码器的检测数据计算获得支撑绳放绳量和开闭绳放绳量，支撑绳放绳量计算所依据的旋转编码器为支撑绳卷筒编码器或起升电机编码器，开闭绳放绳量计算所依据的旋转编码器为开闭绳卷筒编码器或开闭电机编码器。
3.如权利要求1所述的智能抓斗起重机的防乱绳控制方法，其特征在于在抓斗运行前，确定/标定抓斗的触底高度H0，在抓斗下降过程中，依据支撑绳放绳量H1和开闭绳放绳量H2，或者依据支撑绳放绳量计算所依据的旋转编码器的检测数据和开闭绳放绳量计算所依据的旋转编码器的检测数据，计算获得抓斗高度H3,实施H3与H0的对比，在出现H3≦H0时，判断为抓斗触底，或者，对是否为抓斗触底做进一步判断。
4.如权利要求1-3中任一项所述的智能抓斗起重机的防乱绳控制方法，其特征在于起升电机和开闭电机均采用外转子永磁电机，支撑绳卷筒采用起升电机的外转子壳体或固定设置于起升电机外转子的外侧，各外转子永磁电机均设置各自的旋转编码器和力矩传感器(用于检测或获取电机力矩的任意适宜的电路、仪器、装置等)，开闭绳卷筒采用开闭电机的外转子壳体或固定设置于开闭电机外转子的外侧。
5.如权利要求4所述的智能抓斗起重机的防乱绳控制方法，其特征在于支撑绳放绳量计算所依据的旋转编码器为起升电机自带的旋转编码器，支撑绳放绳量计算所依据的旋转编码器为开闭电机自带的旋转编码器，起升电机的力矩输出数据来自起升电机自带的力矩传感器，开闭电机的力矩输出数据来自开闭电机自带的力矩传感器。
6.如权利要求1所述的智能抓斗起重机的防乱绳控制方法，其特征在于起升电机和开闭电机设置在起重机的小车上，在抓头抓料闭斗后上升到设定高度后，起升电机和开闭电机停止，保持支撑绳和开闭绳放绳量不变，控制小车或大小车将抓斗移动到放料位置(放料平面位置)后，启动开闭电机释放开闭绳至抓斗张开至放料状态，进行放料。
7.智能抓斗起重机的防乱绳控制系统，其特征在于采用权利要求1-5中任一项所述的智能抓斗起重机的防乱绳控制方法进行起升机构的相关控制，所述起升机构设有两绳抓斗及与两绳抓斗配套的支撑绳卷筒机构和开闭绳卷筒机构，所述支撑绳卷筒机构设有用于带动支撑绳卷筒旋转的起升电机，所述开闭绳卷筒机构设置用于带动开闭绳卷筒旋转的开闭电机。
8.如权利要求7所述的智能抓斗起重机的防乱绳控制系统，其特征在于所述起升机构为永磁直驱的起升机构，起升电机和开闭电机均采用外转子永磁电机，支撑绳卷筒采用起升电机的外转子壳体或固定设置于起升电机外转子的外侧，开闭绳卷筒采用开闭电机的外转子壳体或固定设置于开闭电机外转子的外侧。
9.如权利要求8所述的智能抓斗起重机的防乱绳控制系统，其特征在于用作起升电机和开闭电机的外转子永磁电机均设置各自的旋转编码器，各旋转编码器的输出均接入控制系统，用于向控制系统提供相应的旋接编码器检测数据。
10.如权利要求8所述的智能抓斗起重机的防乱绳控制系统，其特征在于用作起升电机和开闭电机的外转子永磁电机均设置各自的力矩传感器，各力矩传感器的输出均接入控制系统，用于向控制系统提供相应的电机力矩检测数据。
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