塔式起重機垂直度測量儀技術研究

傅建俊

摘要：本項目設計了一套多傳感器能夠實時準確地測量塔吊垂直度的系統，包括傳感器的安裝裝置，以及基于LabVIEW的數據分析、顯示、報警等功能的軟件系統。該系統采用傾角傳感器，實現更全面的測量功能，建立了塔吊的模型對塔吊在各種工況下的傾斜變形情況進行了相應的仿真分析，為測量系統的功能設計提供參考。通過對傾角傳感器的原理介紹、器件選型、測量的工藝流程和上位機軟件設計等方面的研究來克服目前測量方法的缺點。

Abstract： This project has designed a multi-sensor system that can measure the verticality of tower cranes in real time， including sensor installation equipment， and software system based on LabVIEW data analysis， display， alarm and other functions. The system adopts the inclination sensor to realize more comprehensive measurement function. The model of the tower crane is established to simulate and analyze the tilt deformation of the tower crane under various working conditions， which provides a reference for the functional design of the measurement system. The shortcomings of the current measurement methods are overcome by the introduction of the principle of the tilt sensor， the selection of the device， the process flow of the measurement， and the software design of the host computer.

關鍵詞：塔式起重機；垂直度測量；設計；創新

Key words： tower crane；verticality measurement；design；innovation

中圖分類號：TH213.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0219-03

1 研究思路與技術方案

1.1 研究思路

目前的塔吊垂直度測量方式主要有經緯儀測量式，但是這種方式的操作過程都比較復雜，在測量過程中需要人工干預，因此會降低測量精度。另外這兩種測量方式只能在塔吊處于工作停止狀態，且周圍風速級數較低、沒有降雨等良好的氣象條件下測量，不能達到實時監測垂直度的目的，這對重大工程事故的避免非常不利。因此設計一套只需一次人工參與調整安裝，且能夠監測多節塔吊標準節的系統，從而提高塔吊垂直度測量精度。通過采集多個傳感器測量的數據，經過分析處理，最終簡單易懂的將垂直度顯示在操作面板，便于實時用戶獲取垂直度信息，為用戶安全使用塔吊提供數據參考。

1.2 技術方案

為了獲得更多的塔吊垂直度信息，在整個塔身上分布均勻5-6個雙軸傾角位置傳感器，運用特定設計的傳感器安裝裝置，將傳感器固定于塔吊標準節的固定位置。經數據采集卡采集數據，得到的數據通過A/D轉換器等裝置，最終傳輸至基于LabVIEW開發的系統中。經過軟件系統的分析和處理，將塔吊垂直度顯示在人機交互界面，當垂直度超過規定范圍時立即報警，提醒用戶進行相關操作。

1.3 測量原理

1.3.1 靜剛度的測量

要求：滿足《塔式起重機》（GB/T5031—2008）中5.2.4靜剛度要求：

在額定載荷作用下，塔機臂根鉸點的水平靜位移應不大于1.34H/100。H為臂根鉸點至塔機基準面（無附著時的最大獨立高度）或最高附著點（有附著時的最大懸臂高度）的垂直距離。

按照以上要求，測量時將傳感器安裝在塔機臂根鉸點的位置，并設置報警值為0.77°。超過此值報警系統便進行報警。

1.3.2 垂直度的測量

要求：滿足空載，風速不大于3m/s狀態下，獨立狀態塔身（或附著狀態下最高附著點以上塔身）軸心線的側向垂直度允差為4/1000，最高附著點以下塔身軸心線的垂直度允差為2/1000。

按照以上要求，測量時將傳感器安裝在塔機臂根鉸點的位置，并設置報警值為0.23°。超過此值報警系統便進行報警。

2 塔式起重機垂直度測量儀裝置的設計

2.1 總體設計方案

測量裝置裝主要包括硬件系統設計和軟件系統設計兩部分，其中硬件系統包括信號獲取裝置、數據采集裝置、數據合成裝置、信號處理裝置。軟件系統包括程序設計和人機交互界面設計。

2.2 硬件系統

2.2.1 硬件系統概述

硬件系統主要是實現初始數據的產生、采集、合成及前期處理等功能。傳感器選擇TLS926T高精度傾角傳感器。為了產生和垂直度相關的數據，需要設計將雙軸傾角傳感器安裝于塔吊標準節的安裝裝置，并通過該安裝裝置來調準傳感器在整個測量系統坐標系的位置。各傳感器產生的數據通過RS485總線依次傳輸到上位機，由于RS485傳輸速率很高，可以基本保證數據的同步。通過數據處理顯示各段塔吊的傾斜狀態。

2.2.2 信號獲取裝置的設計

信號獲取裝置設計主要包括傳感器的選擇和傳感器安裝裝置設計。測量偏移量一般采用加速度傳感器和傾角傳感器，而在傾角傳感器的測量精度更高，所以選用傾角傳感器作為信號產生源。為了便于將傾角傳感器安裝于塔吊標準節上，設計如圖1所示的固定裝置。其中1是雙軸傾角傳感器，2是與塔吊標準節直接連接件，3是位置調整塊。圖2是傳感器固定裝置與塔吊標準節安裝示意圖，清晰可見連接件2和對應角扣件4用蝶形螺栓固定于塔吊標準節上，在通過調節調整塊的位置來調整傳感器在整個測量系統坐標系中的位置。圖3是傳感器安裝整體示意圖。

①數據的采集。考慮到數據接收的方便性、穩定性、測量裝置的靈活性，采用RS485串口總線形式讀取各傳感器數據，將各傳感器數據通過上位機處理后即可按照操作人員意愿對任意數據進行檢測。測量觸發傳感器為安裝于回轉臺上的磁珠傳感器，當X向磁珠觸發時，采集X軸傾角數據；當Y向磁珠觸發時，采集Y向傾角數據。

②數據的合成。 所有傳感器的傾角數據按照對應塔吊標準節自下至上的順序依次排列，每個傳感器的數據分為X軸傾斜角度、Y軸傾斜角度和對應高度三個數據。測量時按照順序依次判斷，根據塔吊位置傳感器對不同姿態的塔吊整體垂直度進行整體計算分析（任意某段的實際傾斜狀態為其高度以下部分的矢量和），最后對塔吊的整體傾斜狀態進行判斷。

③信號的處理。

1）正常數據的處理： 正常數據進行記錄保存，并為最后的整體數據整合服務。

2）不正常數據的處理：若測量中某些數據跳動較大，則應舍去，不進行記錄。

2.3 軟件系統

2.3.1 軟件系統概述

軟件系統是基于LabVIEW設計的，包括程序框圖的設計和人機交互界面的設計。程序框圖是完成數據分析和顯示的內部支撐，由于LabVIEW的程序設計已經模塊化，所以程序結構更簡單易懂，實現的功能也更全面。人機交互界面將塔吊垂直度顯示在相應分區中，另外人機交互界面還將多點偏移量以三維圖的形式呈現出來，這樣用戶能夠清晰地得到那個標準節的偏移量大，便于調整。人機交互界面還能實現報應的功能，當垂直度超出安全值后以報警的形式提醒用戶。

2.3.2 程序設計

經初始篩選后的數據，要經過進一步的分析和綜合，轉換成相應偏移度數顯示與人機交互界面，另外還要達到垂直度數據的存儲、波形圖形式顯示、數據點三維顯示、超限報警等功能，而程序的設計則基于這些功能，以實現功能為主線，結合LabVIEW的編程特點完成程序的設計。大的框架是一個while循環和多個事件分支，通過不同事件分支完成不同的功能。

2.3.3 人機交互界面

人機交互界面主要包括波形圖顯示區域、數據三維顯示區域、傾角數據和測量結果顯示區域、人機交互區域。波形圖顯示區域將測量得到的X軸和Y軸的傾斜數據以波形圖的形式呈現，波形圖X軸表示傳感器安裝高度，Y軸表示傾角值。數據三維顯示區域將不同高度測得的傾斜數據以三維圖的形式呈現，X軸和Y軸表示在這兩個方向上的傾角值，Z軸表示高度。傾角數據和測量結果顯示區域將測得數據以數值形式呈現，并將傾角數據換算成垂直度顯示出來。人機交互區域有報警燈、信息存儲按鈕、下一步指示按鈕、停止測量按鈕等。人機交互界面如圖4所示。圖中1是波形圖顯示區域。2是數據三維顯示區域，3是傾角數據和測量結果顯示區域，4是人機交互功能按鈕區域。

3 研究結果及創新點

3.1 研究結果

經過實驗分析驗證，本垂直度測量分析儀的測量結果比以往的測量儀器測的結果精度高，測量精度可以達到0.002。測量裝置安裝簡單，且只需一次安裝調節便可長期使用。傳感器安裝后不再拆除，可以達到實時測量的目的，這是以往測量裝置不能實現的。精簡清晰地人機交互界面使操作更加簡單，用戶更加容易接受，界面顯示的內容全面，用戶獲取塔吊使用狀況更容易更直接。

3.2 創新點

測量儀的主要創新點有四點，分別為：①安裝方便，②整體檢測塔身，③實時監控，④數據存儲便于維修人員調用數據。

4 總結

本測量儀相對于以往的測量裝置雖然有很大的改進，但是仍然有很多可以改進的地方。

①本測量儀所用的傾角傳感器雖然精度很高但仍有提升的可能，后續研究應當根據傾角傳感器的原理針對自行設計的傾角傳感器進而提高其精度，對系統進行改進。

②在塔吊的模態分析時可以看出塔吊在受到振動影響時會產生彎曲，所以采用一個傳感器很難檢測此情況下的塔吊傾斜情況，雖然多傳感器測量的基本功能（數據無線傳輸、多段塔身傾斜數據統計等）已實現，但在數據傳輸速度、精度、穩定性上還有很大的提升空間，所以后續研究應當針對其設計完善多傳感器測量系統。

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