譚興福劉春明

上海 200125

摘要：通過對全功能小型軌道式集裝箱起重機主鋼絲繩和輔鋼絲繩的空間關(guān)系進行建模，主鋼絲繩和輔鋼絲繩長度的空間表達式為得到，并計算輔助電機速度設(shè)置與主起重速度設(shè)置之間的關(guān)系。它們之間的關(guān)系實現(xiàn)了副鋼絲繩和主鋼絲繩的同步控制。為實現(xiàn)吊具微動控制，對輔助鋼絲繩進行微分計算，計算吊具微動速度與輔助鋼絲繩收放卷速度的關(guān)系，采用PD控制技術(shù)控制吊具微動速度。最后，進行現(xiàn)場試驗。經(jīng)測試起重機的鋼絲繩吊著5，該型現(xiàn)場橋能滿足自動化的需要。

關(guān)鍵詞：軌道式集裝箱起重機；全功能手推車；局放控制；點動控制

CLC 編號：U653.921：TP273 文檔代碼：A 文章編號：1001-0785 (2020) 12-0032-05

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，碼頭趨向于向自動化、智能化方向發(fā)展。軌道式集裝箱起重機（以下簡稱堆場橋）作為自動化堆場的重要組成部分，發(fā)揮著越來越重要的作用。國內(nèi)外廠商在橋梁領(lǐng)域的競爭越來越激烈。近年來，國內(nèi)勞動力相對于外資企業(yè)的成本優(yōu)勢逐漸減弱。在這種情況下，要想在競爭中脫穎而出，就需要提高產(chǎn)品質(zhì)量并降低制造成本。

野戰(zhàn)橋按鋼絲繩的纏繞方式主要可分為兩種結(jié)構(gòu)，即八繩結(jié)構(gòu)和四繩結(jié)構(gòu)。在實際作業(yè)中，由于大車、小車加減速的影響，吊具會出現(xiàn)較大的晃動。八繩結(jié)構(gòu)的鋼絲繩一般按倒三角形或正三角形兩種結(jié)構(gòu)纏繞。這種結(jié)構(gòu)大大提高了懸掛剛度，能迅速消除大車、小車在加減速過程中產(chǎn)生的擺動。簡單易加吊具微動設(shè)備。但通過機械結(jié)構(gòu)吸收吊具的動能會降低鋼絲繩的使用壽命。同時，由于臺車架內(nèi)應(yīng)力較大，臺車架結(jié)構(gòu)較重，造價較高。四繩結(jié)構(gòu)鋼絲繩的纏繞方式類似于矩形，剛度很小，幾乎不能吸收吊具的擺動動能。因此，鋼絲繩和小車架受力小，小車架重量輕，鋼絲繩壽命長。工作中只能使用電子防搖。雖然國內(nèi)外許多學(xué)者對這類場橋的抗搖進行了很多研究，也有很多抗搖算法，但基本上都是通過控制小車的速度來實現(xiàn)的。自動運行時，小車需要實現(xiàn)目標(biāo)定位和防擺控制，控制難度大，定位精度較低。同時，結(jié)構(gòu)場橋在取放箱子時難以實現(xiàn)吊具的轉(zhuǎn)動。為此，國內(nèi)一家公司設(shè)計了一種新型的車場橋，稱為全功能小型車場橋。

1 全功能電車場橋架結(jié)構(gòu)

全功能臺車場橋與普通四繩場橋相比，在臺車架上增加了4臺輔助電機、減速機、副卷筒、變頻器，并在每個副卷筒上增加了絕對編碼器等，4個動滑輪已添加到吊具上。4根防搖鋼絲繩在空間排列上等長，互不交叉。一端纏繞在主卷筒上，隨主卷揚鋼絲繩一起移動。在卷上。主鋼絲繩和副鋼絲繩的纏繞圖如圖1所示。

圖1 全功能電車場橋鋼絲繩纏繞示意圖

卷繞式結(jié)構(gòu)可通過輔助鋼絲繩實現(xiàn)吊具的平移和回轉(zhuǎn)，通過左右主卷筒實現(xiàn)吊具的左右傾斜，故稱為全功能小車結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)野戰(zhàn)橋保留了四索結(jié)構(gòu)自重輕、受力小、設(shè)備壽命長的優(yōu)點。增加的輔助鋼絲繩可以實現(xiàn)吊具的平移和旋轉(zhuǎn)功能，并將防搖功能和定位分開。小車只負責(zé)定位。防搖由輔助鋼絲繩實現(xiàn)，簡化了程序，同時提高了小車方向的定位精度。

該類軌道起重機防搖的實現(xiàn)可參考參考文獻[1]。本文主要研究該型場橋輔機與起重主鋼絲繩的同步控制和微動實現(xiàn)。

2 微電機與主葫蘆的同步控制

從圖1和圖2可以看出，副鋼絲繩的一端纏繞在主卷筒上，另一端纏繞在副卷筒上；主鋼絲繩的一端纏繞在主卷筒上，另一端固定在鎖具上。纏繞在主卷筒上的主鋼絲繩和副鋼絲繩隨著主卷筒的轉(zhuǎn)動而收放，從而實現(xiàn)吊具的升降。由于副鋼絲繩與主鋼絲繩之間存在一定的角度，且主鋼絲繩的直徑不一定與副鋼絲繩的直徑相同，當(dāng)主卷筒旋轉(zhuǎn)時，副卷筒的配合是實現(xiàn)提升機正常運行所必需的。

假設(shè)主鋼絲繩鎖與吊具動滑輪之間的鋼絲繩長度為L1，主卷筒與吊具動滑輪之間的主鋼絲繩長度為L2，吊具上主卷筒與副鋼絲繩動滑輪之間的副鋼絲繩長度為L3，副卷筒與副鋼絲繩動滑輪之間的長度為L4，起升高度為H(t)。

圖2 副鋼絲繩與主鋼絲繩結(jié)構(gòu)圖

忽略繞在動滑輪上的鋼絲繩長度，每根鋼絲繩的長度可表示為

式中：Loffset1為起升高度為零時主鋼絲繩動滑輪圓點到主鋼絲繩鎖的距離，Loffset2為主鋼絲繩動滑輪圓點到主鋼絲繩鎖安裝平面的距離起升高度為零時的主卷筒，Loffset3為起升高度為零時副鋼絲繩動滑輪圓點到主卷筒安裝平面的距離。

輔助鋼絲繩L4位于較大角度，其空間結(jié)構(gòu)如圖3所示，根據(jù)空間關(guān)系圖可得

式中：X、Y為吊具副卷筒與吊具動滑輪在大、小小車方向的偏差，Loffset4為副鋼絲繩動滑輪點到安裝點的垂直距離起升高度為零時副滾筒的平面。

圖3 L4空間關(guān)系圖

主鋼絲繩和副鋼絲繩的長度隨提升高度的變化而變化，而提升高度的變化是由主卷筒的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的。現(xiàn)在假設(shè)滾筒旋轉(zhuǎn)一個很小的角度2△φ，在旋轉(zhuǎn)2△φ的過程中吊具不平移旋轉(zhuǎn)，即X和Y保持不變。由于系統(tǒng)為動滑輪結(jié)構(gòu)，主鋼絲繩長度變化為

式中：R1為主卷筒上主鋼絲繩位置半徑，主鋼絲繩位置半徑可與副鋼絲繩不同，r1為主鋼絲半徑繩索

輔助鋼絲繩需改長至

式中：R2為副鋼絲繩在主卷筒上位置的半徑，r2為副鋼絲繩的半徑。

由于大部分時間△L1+△L2≠△L3+△L4，為保持吊具的平衡，需要通過輔助鋼絲繩補償副鋼絲繩與主鋼絲繩之間的不匹配伸縮。鼓。輔助鋼絲繩的補償量△LH為

提升機運行時，設(shè)主卷筒的角速度為ω，則△φ=ω·△t，兩邊同時除以△t可得

因此，在起升作業(yè)過程中，可以根據(jù)起升速度指令計算出輔助卷筒的速度。

3 吊具微動的實現(xiàn)

為實現(xiàn)堆場內(nèi)集裝箱的自動取放，自動堆場橋首先要確定吊具的當(dāng)前位置和目標(biāo)集裝箱的位置，然后控制吊具向目標(biāo)位置微移容器。為實現(xiàn)吊具自動取放箱，需要吊具檢測系統(tǒng)和目標(biāo)檢測系統(tǒng)。

3.1 吊具檢測系統(tǒng)介紹

吊具檢測系統(tǒng)主要由安裝在小車平臺下的攝像頭和安裝在吊具上架的三盞紅外發(fā)射燈組成。三個紅外發(fā)射燈按照一定的空間關(guān)系組成一個結(jié)構(gòu)光源。通過攝像頭實時獲取三個發(fā)光燈的圖像，通過圖像處理的方法獲取光源坐標(biāo)，從而轉(zhuǎn)換吊具在空間中的位置和姿態(tài)。具體實現(xiàn)方法可以查詢參考文獻[2]，通過本系統(tǒng)可以實時獲取吊具的實時姿態(tài)。

3.2 目標(biāo)檢測系統(tǒng)

目標(biāo)檢測系統(tǒng)主要由兩臺帶有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的病態(tài)激光器構(gòu)成，如圖4所示。由于現(xiàn)有的激光掃描儀一般只能檢測二維信息，因此將激光掃描儀安裝在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)時，將檢測到的二維信息存儲起來，與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的編碼器信息進行匹配，得到目標(biāo)容器的圖像，再通過圖像處理技術(shù)確定目標(biāo)的位置信息。獲取目標(biāo)集裝箱位置和吊具當(dāng)前位置后，可對吊具進行微控，實現(xiàn)集裝箱的自動取放。

圖4 目標(biāo)檢測系統(tǒng)示意圖

3.3 吊具點動控制原理

通過對纏繞結(jié)構(gòu)的分析，可以通過張緊或放松不同輔助電機的鋼絲繩來實現(xiàn)吊具的平移或旋轉(zhuǎn)。為分析方便，假設(shè)吊具在微運動時處于靜止?fàn)顟B(tài)，吊具平移相當(dāng)于△X、△Y的運動。吊具平移時，一側(cè)輔助鋼絲繩放繩，另一側(cè)拉繩，因此前后或左右輔助電機速度相反。由于X、Y無關(guān)緊要，吊具平移范圍一般在20cm以內(nèi)，對X、Y的影響很小。以其中一根鋼絲繩為分析，可得式4的導(dǎo)數(shù)

3.4 基于PD確定吊具點動速度

給定的吊具點動速度X′、Y′既不能太快也不能太慢。過快易引起吊具抖動，過慢則降低效率，因此吊具微動速度的設(shè)定必須合理控制。PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。其中，比例控制是在系統(tǒng)產(chǎn)生誤差后立即產(chǎn)生減小偏差的控制作用；積分控制是為了消除穩(wěn)態(tài)誤差；微分控制可以克服誤差調(diào)整過程中產(chǎn)生的振蕩。由于積分作用可能導(dǎo)致積分飽和，輸入量過大，故采用PD控制。

當(dāng)檢測系統(tǒng)檢測到吊具需要平移到X0和Y0時，根據(jù)PD控制算法，X′和Y′的計算方法為

式中：KP1、KP2為X、Y方向的比例系數(shù)，Kd1、Kd2為微分控制系數(shù)。

由于起升作業(yè)、吊具平移X、吊具平移Y等變量相互獨立起重機的鋼絲繩吊著5，因此所得速度可以疊加。根據(jù)式（8）、式（11）、式（12），當(dāng)?shù)蹙咴谏禃r點動時起重機的鋼絲繩吊著5?全功能小車軌道式集裝箱起重機輔機自動控制研究，點動電機綜合速度給定LΛ為

由于在實際應(yīng)用過程中輔助電機通過減速器與輔助卷筒相連，因此電機轉(zhuǎn)速設(shè)定與輔助鋼絲繩收放卷速度的關(guān)系為

式中：n為輔機轉(zhuǎn)速，i為減速比。

由此，可以得到輔助電機的轉(zhuǎn)速

4 實踐測試

現(xiàn)以實際工程的全功能小車軌道起重機進行驗證。本工程主卷筒主鋼絲繩側(cè)和副鋼絲繩側(cè)直徑為0.624m，主鋼絲繩直徑為0.026m，副鋼絲繩直徑為0.016m ，副電機減速比為146.49，副電機額定轉(zhuǎn)速為1 460 rad/min，副滾筒直徑為0.288 m，副滾筒安裝位置與動滑輪的偏差吊具在大小貨車方向的最大位移為 1.865 m，Y 為 1.405 m，Loffset4 為 21.1 m。自動運行時，目標(biāo)檢測系統(tǒng)檢測到吊具X方向需要移動到1.910m的位置，升降側(cè)和下降側(cè)采用點動控制方式。起升速度曲線、其中一個副卷筒的速度曲線、吊具小車方向 目標(biāo)位置和實時位置曲線如圖5所示。

圖 5 吊具入箱時提升度、其中一個輔助電機轉(zhuǎn)速及微動響應(yīng)圖

通過實際測試，副卷軸速度與主卷軸的同步性能良好。微動過程中雖有波動，但波動范圍在±2cm以內(nèi)，滿足自動化運行要求。

參考

[1] 張氫，葛云飛，陳淼，等．ARMG吊具輔助鋼絲繩牽引主動防搖方法[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2019(4): 36-42.

[2] 倪飛，毛世群，郭飛，等．基于機器視覺的吊具姿態(tài)檢測系統(tǒng)[J]．起重運輸機械, 2011(10): 43-47.