起重機由于運行慣量大、工作環(huán)境惡劣且自身控制系統(tǒng)較復雜,造成其很難完成精確定位。本文將通過數學模型的建立、綜合程序塊的編寫克服以上困難,使起重機具有一定的位置識別和記憶功能,可確保起重機定位精度達到依3 mm,滿足智能起重機的定位要求。本文研究的起重機定位技術對未來工廠和起重機的智能化升級具有一定的推進作用。

1、傳感器簡介

1.1工作原理

應用于起重機定位的傳感器一般包括編碼器和條形碼掃描兩大類,根據其自身特點不同而應用于不同的定位場合。

編碼器按工作原理可分為增量式和絕對值式兩類,增量式編碼器是將位移信號轉換成周期性的電信號,再把這個電信號轉變成計數脈沖,用脈沖的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼,因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關,而與測量的中間過程無關,而無論是哪種編碼器均是將信號或數據進行編制、轉換為可用于通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。其優(yōu)點在于節(jié)省安裝空間,可配合變頻器等設備做閉環(huán)控制,提高控制精度。

圖1編碼器

條碼是將線條與空白按照一定的編碼規(guī)則組合起來的符號,用以代表一定的字母、數字等信息。在進行辨識的時候,是用條碼閱讀機(即條碼掃描器又叫條碼掃描槍或條碼閱讀器)掃描,得到一組反射光信號,此信號經光電轉換后變?yōu)橐唤M與線條、空白相對應的電子信號,經解碼后還原為相應的文數字,再傳入PLC。一般應用于起重機定位的條碼號與實際位置相符,便于識別和提高定位精度。

圖2條形碼

1.2缺點及解決方案

編碼器一般安裝在車輪部位,與車輪同軸,車輪每旋轉一圈編碼器會發(fā)出一定數量脈沖[2],控制器通過脈沖的個數來識別起重機當前的實際位置。但當起重機負載較輕或者軌道比較濕滑的時候,起重機車輪會出現打滑現象,此時雖然車輪已經旋轉,但起重機實際位置并沒有發(fā)生變化,控制器會產生錯誤的判斷,影響起重機定位精度。采用相對坐標可大幅度降低輪子打滑帶來的誤差,關鍵在于尋找到一個絕對的零點,使起重機每工作結束一次回歸到零點進行一次數據校正,相當于清除前一次操作帶來的累計誤差,確保起重機每次都工作在準確的坐標系內。

條形碼一般安裝在大車、小車的軌道下面,長度取決于車間及小車軌道的長度。條形碼定位精度較高,理論上可以達到1 mm以內,但條碼對其自身的清潔度要求較高,一旦條碼上有油污遮擋就會造成讀數不準確無法完成定位,另外機械形變也是條碼的另一個缺點,產生形變后絕對位置會發(fā)生變化。較小的形變可通過程序來彌補,編輯具有記憶功能的程序塊可減少形變帶來的誤差。

2、定位技術原理

2.1數學模型的建立

起重機的大車、小車、卷揚三個機構的運行軌跡共同構成起重機的三維軌跡模型。為更好規(guī)劃起重機的定位點以及克服類似編碼器車輪打滑造成的誤差,需要組建一個理想的數學模型,并假設起重機就在該模型內運行,數學模型內出現的位置數據均應是根據實際位置數據重新整定的理想數據。理想數據可根據需要進行合理規(guī)劃,如存在起重機數量較多,可根據起重機標號、車間標號等數據進行整定,便于車間一體化管理。以下就一臺起重機做一個簡單的數學模型的建立,實際使用中的模型可能更加復雜,需考慮車間內的情況和工藝要求。

將大車運行軌跡、小車運行軌跡、提升運行軌跡分別標記為x軸、y軸、z軸,三個軸線交叉點定為0點,如圖3所示。x軸實指大車軌道,y軸指小車軌道,z軸指卷揚運行路徑,假設位置傳感器在三個軸線上的實時讀數分別為x1,y1,z1,機構0點的讀數分別為x0,y0,z0,控制系統(tǒng)實際使用的數據為X,Y,Z。起重機每次工作前后均?？吭?點位置,此時需進行清零操作,得到的讀數X0=x0-x0=0,Y0=y0-y0=0,Z0=z0-z0=0,起重機在坐標系中的數據為X=x1-x0,Y=y1-y0,Z=z1-z0,以上就完成了起重機的運行軌跡模型建立。由于每次起重機作業(yè)完成都進行清零操作,可大幅度提高位置編碼器的讀數精度,同時該模型也可以反映到上位機上,方便對起重機的實時監(jiān)控,隨時查看起重機所在位置信息。整定完成的數據X、Y、Z即是相對坐標,該坐標只反映了起重機到0點的位移,而不考慮編碼器等傳感器的實際讀數。

圖3起重機運行坐標系

2.2數據處理

不同類型的編碼器、條碼器讀取上來的數據類型會存在較大差異,有些不能直接參與運算,最理想的數據是反映實際位移的real型數據,如果傳感器讀取的數據不能直接應用就需要我們對其進行前期的整定,數據整定不能存在偏差,以免影響定位精度。

傳感器讀取上來的數據情況各異,有些是格雷碼,有些數據中帶有狀態(tài)字或驗證信息不能直接使用,有些數據的順序是顛倒的需要進行重新排序。本文以編碼器讀取的數據為25位的格雷碼為例進行說明,將其轉換成二進制數據提供給PLC系統(tǒng)。

二進制格雷碼轉換成自然二進制碼,其規(guī)則是保留格雷碼的最高位作為自然二進制碼的最高位,次高位二進制碼為最高位自然二進制碼與次高位格雷碼相異或,自然二進制碼的其余各位與次高位自然二進制碼的求法相類似。

運算公式為:

某二進制格雷碼為G_n-1 G_n-2…G₂ G₁ G₀

其對應的自然二進制碼為B_n-1?B_n-2…B₂?B₁?B₀其中最高位保留—B_n-1=G_n-1

其它各位—B_i-1=G_i-1⊕B_i?i=1,2,…,n-1

根據以上運算規(guī)則,利用PLC梯形圖進行了程序設計,并制作了可多次調用的程序塊,方便格雷碼與自然二進制數的轉換,如圖4、圖5所示。

圖4程序塊內部程序

圖5編輯完成的程序塊

圖5為格雷碼轉二進制程序塊,SOURCE_DA-TA為格雷碼數據地址,TRANS_DATA為轉換后的地址。完成轉換后的數據可參與正常的PLC運算中,數據轉換只是起重機定位中的一小部分,需要算法精確,保證轉化后的數據邏輯關系與轉換前保持一致,不影響定位精度。

2.3程序塊的編寫

克服機械慣性造成的誤差

一般起重機的質量都較大,這就導致其機械慣量較大,會造成“剎不住車冶的問題。例如需要在位置X停車,如果在X位置給出停車指令,那么起重機實際停止的位置就會遠遠的偏出指定位置。筆者為此專門制作了用于起重機定位的程序模塊,如圖6所示:

程序塊的編制相當于自主創(chuàng)建了一個新的梯形圖功能塊,根據實際需要編輯功能塊的運算公式。如圖6所示,功能塊名稱為positioning,可作為庫文件直接調用。起重機定位程序塊主要考慮的問題是速度與距離的關系,使起重機在盡可能短的距離內達到穩(wěn)定停車的效果。該程序塊包含了可編寫的輸入、輸出數據,停止的指定位置、可高速運行的區(qū)間、低速運行的區(qū)間、停止超低速區(qū)間等參數。模塊將根據當前位置到目標位置的距離適當的給出速度信號,當距離較遠時以高速運行,快速接近目標,當即將到達時,根據距離的不斷減小速度信號也逐漸降低,直到停止。值得一提的是,該模塊具有自動調整功能,當停止時的位置偏差不滿足我們要求的精度時,起重機將自動進行調整,直到偏差精度達到要求(一般要求精度為3 mm)。

程序塊的參數需根據實際情況確定,影響參數的因素包括起重機的重量、工作周期時間的要求、變頻器參數等。停車距離、減速區(qū)、停車速度、減速速度、高速、超高速等參數要經過調試驗證,避免起重機出現反復調整,無法停止的現象。

克服氣候等原因造成的機械形變誤差

當起重機在現場工作較長時間后,會因為冬夏溫度交替等因素造成一定的機械形變,此時位置傳感器的實際讀數和相對讀數都會發(fā)生變化,需要我們的起重機具有一定的自我學習能力,能夠自我辨識數據的緩慢變化并進行自我整定。本文使用堆棧原理對位置傳感器的讀數進行儲存,根據存儲的數據變化判斷機械形變的趨勢,程序段如圖7所示。

圖7為程序截圖,該程序段可儲存最近10次的數據,每次讀數都進行更新,即每次讀入一個最新的數據并排除一個最老數據。假設我們需要的數據是10,而最近讀取的數據大多都大于10,這種情況說明數據讀取發(fā)生了永久性的變化,我們認為發(fā)生了機械形變,程序將自動調整其他的相關參數,以適應這個數據的變化。這個程序段的優(yōu)點在于使起重機具有一定的記憶和學習功能,可以克服條碼由于微小形變造成的定位誤差。

圖6定位程序塊

圖7堆棧程序塊

3、總結

本文對起重機定位技術的重要性等做了簡要敘述,通過對傳感器原理的分析,建立了起重機運行軌跡的3D模型,并編寫了精確定位程序。本文闡述的方法基本可保證當前國內對起重機定位精度的要求。需指出的是,起重機精確定位還涉及許多其他因素,如機械零件的生產及安裝精度、機械抱閘調節(jié)等。定位技術是一個需要長期研究的課題,編碼器等定位傳感器的技術在發(fā)展,起重機定位技術也要不斷的探索。