高精度起重機(jī)運行定位系統(tǒng)

賈 斌

（上海第一機(jī)床廠有限公司，上海 200072）

高精度起重機(jī)運行定位系統(tǒng)

賈 斌

（上海第一機(jī)床廠有限公司，上海 200072）

用于精細(xì)裝配或民用核電起重等領(lǐng)域的起重機(jī)要求具有很高的定位精度要求， 介紹了高精度起重機(jī)運行定位系統(tǒng)的設(shè)計實例，優(yōu)缺點和最新發(fā)展。高精度起重機(jī)運行定位系統(tǒng)通過導(dǎo)向裝置的優(yōu)化，不同定位裝置的比較和改進(jìn)，及精確伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)的引入，解決了起重機(jī)精確定位的問題。

高精度定位系統(tǒng)；起重設(shè)備

0 引言

起重設(shè)備經(jīng)常給人留下粗重的印象，但用于精細(xì)裝配或民用核電起重等領(lǐng)域的起重機(jī)同樣要求具有很高的定位精度，以部分核電起重機(jī)為例，其綜合定位精度要求為±5mm[1]，為達(dá)到此要求，單個方向的定位精度須控制在±3mm以內(nèi)。本文將介紹滿足上述要求的高精度運行定位系統(tǒng)的設(shè)計。

本文討論的精度，是相對于固定操作點的重復(fù)定位精度。操作點一般在現(xiàn)場標(biāo)定，記錄系統(tǒng)中的坐標(biāo)值，起重機(jī)使用記錄的坐標(biāo)值再次到達(dá)此位置后與實際位置的偏差即為定位精度。

1 導(dǎo)向裝置

起重機(jī)要精確定位，前提是起重機(jī)運行的軌跡首先必須是高重復(fù)精度的，導(dǎo)向裝置因此而設(shè)計。其實常規(guī)起重機(jī)也含有導(dǎo)向裝置，最簡單的就是車輪的輪緣，對于軌距（跨度）相對于輪距較大的起重機(jī)還會設(shè)置水平導(dǎo)向輪。但這些導(dǎo)向裝置的初衷僅是為了防止起重機(jī)脫軌、卡軌；在常規(guī)導(dǎo)向裝置的限制之下，起重機(jī)水平方向的運行作的是微小的蛇形運動。在設(shè)計高定位精度的起重機(jī)時，對導(dǎo)向裝置進(jìn)行了改進(jìn)，使起重機(jī)近似直線運行，可以說導(dǎo)向裝置是提高起重機(jī)定位精度的基礎(chǔ)。

首先對采購回來的成品軌道進(jìn)行加工，起重機(jī)軌道中一根作為導(dǎo)向軌，導(dǎo)向軌和水平導(dǎo)向輪配合作為起重機(jī)運行的導(dǎo)向，導(dǎo)向軌頂面和二個側(cè)面進(jìn)行機(jī)械加工（如圖1所示），另一根運行軌（非導(dǎo)向軌），僅頂面經(jīng)機(jī)械加工。加工后軌道本身的直線度和平面度大大改善。

圖1 導(dǎo)向軌截面

然后嚴(yán)格要求軌道的安裝精度，軌道安裝采用可調(diào)壓板安裝，導(dǎo)向軌經(jīng)調(diào)整可以達(dá)到直線度每米±0.2mm，全長0.5mm。運行軌經(jīng)調(diào)整可達(dá)直線度全長±2mm；與導(dǎo)向軌的平行度要求為：兩軌道間距離最大偏差[2]為±2mm。

此外，要求軌道安裝接頭處的高低差[2]≦0.3mm，并將高處打磨，使過渡平滑；導(dǎo)向軌接頭處的側(cè)向錯位[2]≦0.2mm，凸出處打磨，過渡平滑；非導(dǎo)向軌接頭處的側(cè)向錯位≦1mm；軌道安裝接頭處的間隙[2]≤1mm。同一截面兩根軌道的高度最大偏差[2]為2mm。

最后通過控制水平輪與軌道的間隙確保起重機(jī)近似直線運行，導(dǎo)向軌側(cè)端梁的兩端各設(shè)置一組水平導(dǎo)向輪（如圖2所示），每個水平輪相對于軌道中心線的最大調(diào)整值為±1.5mm。調(diào)整時，通過偏心軸的轉(zhuǎn)動，調(diào)整水平輪與軌道間的間隙，根據(jù)起重機(jī)運行情況，將總間隙調(diào)整為0.2～0.4mm，保證起重機(jī)全行程平穩(wěn)、無卡滯的運行。起重機(jī)在全行程上最大的水平位移小于1mm，對某個固定位置水平位移的重復(fù)精度小于0.5mm。

圖2 水平輪組

2 定位裝置

解決了起重機(jī)本身運行重復(fù)精度的問題，我們還需知道起重機(jī)現(xiàn)在運行在什么位置，為了解決這一問題，起重機(jī)加入了專門的定位裝置。

2.1 傳統(tǒng)的定位裝置

傳統(tǒng)的定位方式是在各機(jī)構(gòu)的驅(qū)動軸上安裝絕對值編碼器，絕對值編碼器將軸的旋轉(zhuǎn)換算成移動距離輸送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以此判斷設(shè)備是否到位。起升機(jī)構(gòu)絕對值編碼器一般安裝在減速器高速軸或卷筒尾部軸上，而運行機(jī)構(gòu)絕對值編碼器安裝在三合一減速電機(jī)尾部或車輪軸的尾部。

對常規(guī)的起重機(jī)來說，此設(shè)計是可行的，也在廣泛的應(yīng)用，但用在高精度起重機(jī)上，當(dāng)定位精度被要求在±1mm以內(nèi)時，卻發(fā)現(xiàn)運行機(jī)構(gòu)的定位經(jīng)常出現(xiàn)偏差。究其原因有三：1）主動車輪偶發(fā)的輕微打滑，車輪軸旋轉(zhuǎn)了但實際并未發(fā)生位移，造成定位系統(tǒng)不穩(wěn)定；2）由于軌道的高低差，某個車輪和軌道在一小段距離內(nèi)不接觸（較多發(fā)生在剛性很好的小車上）。這種情況大多發(fā)生在被動車輪處，但也可能發(fā)生在主動車輪處，此時車輪轉(zhuǎn)動量和位移不再對應(yīng)；3）受軌道質(zhì)量的影響很大。絕對值編碼器安裝在主動、被動車輪軸都有各自的問題，故傳統(tǒng)定位裝置無法滿足高精度起重機(jī)的要求。

2.2 齒輪齒條式定位系統(tǒng)

為了解決定位精度的問題，齒輪齒條式定位系統(tǒng)應(yīng)運而生。

第一代的齒輪齒條式定位系統(tǒng)如圖3所示，齒條安裝在軌道側(cè)面，齒輪安裝在起重機(jī)端梁側(cè)面，隨著起重機(jī)移動，齒輪齒條嚙合，齒輪的轉(zhuǎn)動量被絕對值編碼器記錄并輸出給控制系統(tǒng)。齒輪齒條不存在打滑問題，并能允許微量的高低方向的錯位。

第一代的齒輪齒條式定位系統(tǒng)試驗下來情況良好，但在實際使用中發(fā)現(xiàn)面朝上的齒條容易積塵，并偶有跳齒現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場反饋，齒輪齒條系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)：齒條向側(cè)面安裝；優(yōu)化了齒輪尺寸和安裝形式；齒輪依靠鉸鏈上的扭轉(zhuǎn)彈簧壓在齒條上，確保嚙合；并增加了護(hù)罩，如圖4所示。

圖3 第一代齒輪齒條式定位系統(tǒng)

第二代齒輪齒條式定位系統(tǒng)徹底解決了定位精度問題，在后續(xù)核電項目的裝卸料機(jī)中大量使用了此技術(shù)。但齒輪齒條定位系統(tǒng)仍有需要改進(jìn)的地方：需要全長敷設(shè)齒條；齒條本身加工精度要求高；安裝精度要求相對較高；調(diào)試不便：齒輪齒條采用扭轉(zhuǎn)彈簧壓緊，彈簧壓緊力不好調(diào)，太緊太松都不好，容易跳齒。

2.3 拉線編碼器的引入

在齒輪齒條式定位系統(tǒng)使用的同時，針對長行程且需要精確定位的起重機(jī)，我方嘗試使用了拉線編碼器，拉線編碼器由拉線盒和絕對值編碼器組成，隨著拉線抽出和收回，編碼器測量拉線盒內(nèi)測量鼓的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為測量信號輸出給系統(tǒng)。

圖4 第二代齒輪齒條式定位系統(tǒng)

安裝時只需將拉線編碼器安裝在起重機(jī)上，拉線端部固定在廠房上，就能實時檢測出起重機(jī)的位置，最大行程可達(dá)50m，并且精度能符合要求。

但是通過實際使用，發(fā)現(xiàn)拉線部分在安裝調(diào)試和使用中較易損壞；運行軌跡上存在一條鋼絲影響人員活動，故并沒有推廣到短行程的起重機(jī)上。所以目前已生產(chǎn)的高定位精度要求的起重機(jī)，短行程使用的是齒輪齒條式定位系統(tǒng)，長行程使用拉線編碼器。

2.4 條碼定位系統(tǒng)

目前的定位系統(tǒng)都是基于絕對值編碼器來使用的，齒輪齒條定位系統(tǒng)是制造廠為安裝使用絕對值編碼器，特別設(shè)計的系統(tǒng)；而拉線編碼器則是編碼器供應(yīng)商自行集成的拉線盒與絕對值編碼器。在上述兩種各有一些不完美的情況下，我們又在探究除了絕對值編碼器還有什么可以用來改進(jìn)定位系統(tǒng)的方法。

經(jīng)過調(diào)研和與編碼器供應(yīng)商的溝通，綜合使用方便性和經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，最終在新型定位系統(tǒng)中，選定了條碼定位的方式（如圖6所示）。條碼定位由兩部分組成，沿行程全長布置的條碼帶和安裝在起重機(jī)上光學(xué)原理的線性傳感器。通過掃描條碼信息，線性傳感器獲取當(dāng)前的位置信息（精度達(dá)0.1mm），從而對起重機(jī)進(jìn)行快速和精確的定位。

圖5 拉線編碼器

圖6 條碼定位系統(tǒng)簡圖

通過試驗，條碼式定位與之前的定位系統(tǒng)相比有下列優(yōu)勢：

1） 安裝精度要求低，現(xiàn)場定位、安裝方便，運行時的兼容性高

條碼帶與齒條一樣需要全行程安裝，但不同的是條碼帶所需要的安裝精度極低。線性傳感器具有廣角、景深大、覆蓋面大，抗抖動能力強(qiáng)的特點。自粘條碼帶可牢固粘在不銹鋼表面，利用條碼的高度，掃碼器與條碼在豎直方向可有±3°的偏角誤差（如圖6所示）；而在水平方向條碼帶可有±20mm的安裝誤差，±3°偏角誤差（如圖7所示）。

圖7 條碼定位系統(tǒng)安裝要求

線性傳感器單次掃描三個條碼塊，三個條碼塊中任何一個損壞都不會影響定位信息，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時利用這一特性，可對條碼帶進(jìn)行分段，分段間隔即為一個條碼塊的寬度（如圖8所示）。條碼帶在廠內(nèi)分段貼于不銹鋼底板上，隨不銹鋼底板運至現(xiàn)場，安裝至現(xiàn)場支架上即可。

線性傳感器通過背面的4個安裝孔可方便的安裝在起重機(jī)上，線性傳感器的LED光源提供了強(qiáng)亮度，非常易于在安裝調(diào)試時對準(zhǔn)條碼同時也大大增強(qiáng)了讀碼的能力和抗環(huán)境光干擾的能力。

圖8 條碼分段

2） 維護(hù)保養(yǎng)方便、成本低

非接觸式的定位與距離測量傳感器不會帶來運行磨損。

條碼帶特殊紙張本身不會積灰，并可直接用濕布除污。條碼帶分段安裝并且條碼帶本身具有一定彈性可承受溫度從-30℃到+60℃變化所帶來的熱脹冷縮的影響。

單個條碼塊損壞不會影響定位系統(tǒng)，局部條碼受到損害或者臟污，可直接打印相應(yīng)的條碼段進(jìn)行替換，并且可打印在普通紙打印紙張上作零時替換使用。

3）使用范圍廣

除了直線運行的起重機(jī)，因條碼帶的安裝十分方便和靈活，條碼式定位系統(tǒng)還可以使用在弧形，環(huán)形軌道的起重機(jī)上，適應(yīng)直線或曲線的不同軌跡要求。

綜上所述，條碼式定位系統(tǒng)兼具靈活、便利的安裝方式、可靠的工業(yè)性能，以及低成本的安裝使用和維護(hù)的優(yōu)點。此條碼式定位系統(tǒng)的試樣，在抓取機(jī)調(diào)試時零時安裝在抓取機(jī)上進(jìn)行了調(diào)試試驗，試驗結(jié)論符合預(yù)期的效果，其將正式用于大、小車定位系統(tǒng)中。

3 驅(qū)動裝置

有了導(dǎo)向裝置，我們確保了起重機(jī)的直線運行；有了定位裝置，系統(tǒng)知道了設(shè)備現(xiàn)在處在什么位置；最后我們還要有精確的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，讓起重機(jī)停在需要的位置。

要聲明的是，具有了導(dǎo)向裝置和定位裝置，傳統(tǒng)的起重機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)就已經(jīng)可以滿足定位要求。常規(guī)起重機(jī)變頻調(diào)速的運行機(jī)構(gòu)可以靠制動來滿足定位要求，通過測試制動后的偏移量，采用提前制動的方法將起重機(jī)停在需要的位置。

本套驅(qū)動裝置采用的是伺服驅(qū)動系統(tǒng)，與常規(guī)變頻調(diào)速相比伺服驅(qū)動具有恒扭矩、調(diào)速范圍大、額定速度高、精度高的優(yōu)勢，理論上其精度可以精確到伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動±1°的量。根據(jù)我們實際使用情況，控制電機(jī)轉(zhuǎn)軸精確到±45°完全沒有問題。以大車運行機(jī)構(gòu)為例，車輪直徑為380mm，最大運行速度15m/min，對應(yīng)車輪轉(zhuǎn)速12.57rpm。采用伺服電機(jī)驅(qū)動，減速器速比為201（伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000rpm，實際最高運轉(zhuǎn)速度為2527rpm），伺服電機(jī)精度可控制在轉(zhuǎn)動45°，對應(yīng)車輪運行0.72mm；而對應(yīng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)減速器速比111.37（4級電機(jī)額定速度1400rpm），電動機(jī)可控制在一圈，對應(yīng)車輪運行10.7mm。伺服系統(tǒng)的運行精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻控制系統(tǒng)。

通過伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動的使用，徹底解決了驅(qū)動機(jī)構(gòu)的精度問題，可以做到通過驅(qū)動裝置直接停車到位，然后制動器才抱閘。

4 結(jié)論

本文介紹了起重機(jī)高精度運行定位系統(tǒng)，由導(dǎo)向裝置保證起重機(jī)直線運行；定位裝置檢測設(shè)備當(dāng)前位置傳輸給控制系統(tǒng)；最后通過伺服驅(qū)動裝置精確定位停車，達(dá)到用戶精確定位的要求。起重機(jī)高精度運行定位系統(tǒng)為高定位精度的使用工況提供了解決方案，并為之后起重機(jī)通過程序自動運行打下了堅實的基礎(chǔ)。

[1] EJ-T801-93,核電廠專用起重機(jī)設(shè)計準(zhǔn)則[s].中國核工業(yè)總公司, 1993.

[2] GB/T 10183.1-2010,起重機(jī) 車輪及大車和小車軌道公差 第1部分:總則[S].中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,2011.

High accuracy crane positioning system

JIA Bin

TH12

：B

1009-0134(2017)01-0153-04

2016-12-01

賈斌（1983 -），男，高級工程師，本科，主要從事橋式起重機(jī)和民用核電起重設(shè)備的設(shè)計工作。