基于全站儀的新型起重機(jī)軌道檢測儀設(shè)計

孔慶彬 程維明

(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200072；2.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，起重機(jī)作為物料搬運(yùn)工具在鋼鐵冶金、船舶及機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在起重機(jī)運(yùn)行過程中一個主要的問題就是啃軌問題，嚴(yán)重時會造成脫軌事故，因此對軌道狀態(tài)的定期檢測十分必要[1,2]。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的起重機(jī)軌道檢測參數(shù)主要包括單軌直線度、雙軌同截面內(nèi)跨距和高度差[3]。目前儀器檢測主要采用兩種方法：激光準(zhǔn)直測量法[4,5]和全站儀測量法[6,7]。針對現(xiàn)有檢測方法和設(shè)備存在的問題，筆者提出了一種新的起重機(jī)軌道檢測方法，并設(shè)計了一種新型檢測儀，該檢測儀成本更低、安全性更強(qiáng)、檢測更方便。

1 檢測方法與總體方案①

如圖1所示，將全站儀固定于地面某個位置建站，由全站儀建立統(tǒng)一的全局坐標(biāo)系。搭載反射靶的兩部軌檢儀分別運(yùn)行在兩根軌道上，全站 儀瞄準(zhǔn)反射靶，測量靶心坐標(biāo)。測量結(jié)束后分別獲得位于同一坐標(biāo)系的兩組坐標(biāo)值。通過這兩組坐標(biāo)即可重構(gòu)出兩條軌道曲線，進(jìn)而可獲得兩根軌道直線度、雙軌跨距及雙軌高差等待測參數(shù)。系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

圖1 檢測方案示意圖

圖2 軌檢儀控制系統(tǒng)功能框圖

2 硬件設(shè)計

軌檢儀控制系統(tǒng)硬件組成如圖3所示，軌檢儀主動輪和反射靶是系統(tǒng)的兩個主要受控對象，可以接受兩種方式對其進(jìn)行無線控制：PC和遙控器。

圖3 軌檢儀硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動部分采用L298N作為驅(qū)動芯片，可同時驅(qū)動兩個電機(jī)。用該芯片作電機(jī)驅(qū)動，操作方便、穩(wěn)定性好、性能優(yōu)良，可直接用單片機(jī)IO口提供信號，且?guī)в惺鼓芏耍奖鉖WM調(diào)速，電路簡單，性能穩(wěn)定，使用比較方便。電機(jī)驅(qū)動模塊電路如圖4所示，由于電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)突然改變時會形成很大的反向電流，因此在電路中加入了二極管，其可為反向電流提供泄放途徑，保護(hù)芯片安全。

圖4 電機(jī)驅(qū)動模塊電路

2.2 位置反饋模塊

位置反饋模塊主要用來產(chǎn)生計數(shù)脈沖信號并反饋到MCU，從而使MCU得到反射靶旋轉(zhuǎn)角度和軌檢儀運(yùn)行距離信息。該模塊中的編碼器電路如圖5所示，筆者采用增量式編碼器，輸出A、B兩相的方波信號，A相超前90°。將B相信號接入單片機(jī)IO口作為中斷計數(shù)。A、B兩相信號經(jīng)D觸發(fā)器74ls74輸出方向信號，輸入到單片機(jī)IO口供旋轉(zhuǎn)方向判斷之用。

圖5 編碼器電路

2.3 防撞模塊

為防止軌檢儀在軌道上運(yùn)行時撞到障礙物而受損，加入了防撞設(shè)計。防撞檢測距離不宜太小，一般在300mm左右為宜，以防止因速度過快、車輪打滑造成相撞事故。采用光電式接近開關(guān)做防撞感應(yīng)元件。采用4個NPN常開型漫反射光電開關(guān)檢測前后方的障礙物，檢測到障礙物時輸出低電平，通過四輸入端雙與門74ls21連接至單片機(jī)。當(dāng)任一個檢測到障礙物時，都會引發(fā)輸出信號負(fù)跳變，從而提高障礙檢測的范圍和精確性，以適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。

2.4 待機(jī)控制模塊

為最大限度地延長電池壽命，設(shè)計了待機(jī)控制模塊，在檢測暫停時可以很方便地通過遙控器在地面上關(guān)閉主電路電源，使儀器進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。待機(jī)控制模塊電路如圖6所示，其主要由D觸發(fā)器CD4013、三極管T1、二極管D6及繼電器K1等元件構(gòu)成。通過CD4013實現(xiàn)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，信號通過三極管放大后驅(qū)動繼電器完成主電路電源狀態(tài)的切換。

圖6 待機(jī)控制模塊電路

3 軟件設(shè)計

儀器軟件系統(tǒng)主要由主程序(圖7)、PC指令解析子程序、遙控指令解析子程序、串口中斷子程序、定時器中斷子程序、儀器行走控制子程序及反射靶控制子程序等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)開機(jī)后首先進(jìn)行相應(yīng)初始化，隨后進(jìn)入主循環(huán)不斷掃描PC和遙控器指令并執(zhí)行相應(yīng)操作。

圖7 主程序流程

4 現(xiàn)場實驗

為驗證筆者提出的檢測方法和所研制的軌道檢測儀的性能，進(jìn)行了現(xiàn)場實驗。起重機(jī)軌道軌長74m，設(shè)定軌檢儀采樣間隔2m，A軌采樣37點，B軌由于障礙物遮擋，采樣33點。將實驗檢測數(shù)據(jù)同上海市計量測試技術(shù)研究院對該軌道的檢測鑒定結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表1。

表1 檢測結(jié)果對比 mm

通過實驗對比可知，筆者提出的新型起重機(jī)軌道檢測方法和軌檢儀的檢測精度接近于傳統(tǒng)方法，檢測結(jié)果最大相差在3mm以內(nèi)，檢測精度可以滿足要求。

5 結(jié)束語

現(xiàn)有起重機(jī)軌道檢測方法和裝置基本都需要檢測人員攀爬至軌道上進(jìn)行檢測，普遍存在檢測安全性差及檢測不方便等不足，針對該現(xiàn)狀，提出了一種新的檢測方法，并設(shè)計了一種新型檢測儀。該檢測儀在檢測過程中，不需要將全站儀架至起重機(jī)高空軌道，檢測更安全、更可靠。設(shè)計的軌道檢測儀已成型，并經(jīng)過多次現(xiàn)場實驗，實驗結(jié)果表明，該儀器能夠滿足起重機(jī)軌道檢測的要求，檢測精度較高，且系統(tǒng)成本降低，檢測更安全、方便。若配合更高精度的全站儀測量，能達(dá)到更高的檢測精度。研究的起重機(jī)軌道檢測方法為起重機(jī)軌道檢測提供了一條更安全、可靠、成本更低、更易 實現(xiàn)的途徑，可替代原有全站儀法進(jìn)行較長軌道的檢測，具有重要的實際應(yīng)用和推廣價值。

[1] 牛潔,陶元芳.橋門式起重機(jī)車輪啃軌現(xiàn)象的研究[J].機(jī)械工程與自動化,2012,(1):115～117.

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[3] GB/T 10183-2005，橋式和門式起重機(jī)制造及軌道安裝公差[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[4] 程維明,宋偉,劉亮，等.一種新型橋門式起重機(jī)軌道測量方法[J].中國機(jī)械工程,2010,21(18):2187～2191.

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[6] 張輝輝，杜寶江,吳恩啟，等.橋門式起重機(jī)軌道檢測系統(tǒng)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2008,(7):89～91.

[7] 吳恩啟,杜寶江,張輝輝，等.橋門式起重機(jī)軌道檢測技術(shù)研究[J].無損檢測,2007,29(10):578～579.

DesignofNewCraneRailDetectorBasedonTotalStation

KONG Qing-bin1, CHENG Wei-ming2

(1.SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China)

Considering the deficiency of both existing crane rail detection methods and equipment, a new crane rail detection method based on total station was proposed and a new crane rail detector was designed. The whole detection scheme of the detector was introduced, including the realization of its control system and