基于Automation Studio的塔式起重機的建模與仿真

王亞男

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，咸陽 712000）

塔式起重機工作效率高，是現(xiàn)代建筑施工的重要設(shè)備[1]，但其占地面積大，存在一定的操作危險性。操作人員若操作不當(dāng)，很可能直接影響人們的生命財產(chǎn)安全。因此，對塔式起重機進行建模仿真，配合人機交互界面模擬塔吊操作的基本動作，如左右回轉(zhuǎn)、吊鉤上下移動和小車前后變幅等，建立駕駛模擬平臺，實現(xiàn)模擬駕駛效果，才能提高訓(xùn)練效率，保證操作人員的實習(xí)時間和實習(xí)安全，減少實訓(xùn)設(shè)備的投入。

Automation Studio[2]集機械、液壓、氣壓、電子、電工、 電氣、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller， PLC）、順序功能圖（Sequential Function Chart，SFC）及OPC（OLE for Process Control）于一體，建模、控制和動畫仿真等功能較為強大，編程語言較為豐富，包括梯形圖、指令表和SFC等[3]。

本文首先利用SolidWorks建模軟件對塔式起重機零件的主要零部件進行三維建模，其次將建好的塔式起重機零件模型導(dǎo)入AS軟件進行裝配，并關(guān)聯(lián)分配變量，最后設(shè)計塔式起重機的PLC控制系統(tǒng)和PLC硬件結(jié)構(gòu)，利用AS軟件對塔式起重機進行了進一步的建模和仿真。

1 塔式起重機結(jié)構(gòu)模型的建立

塔式起重機基本結(jié)構(gòu)包括金屬結(jié)構(gòu)、工作機構(gòu)和驅(qū)動控制系統(tǒng)。金屬結(jié)構(gòu)主要包括支承座、吊臂、平衡臂及回轉(zhuǎn)臺等。小車變幅方式變幅速度快，幅度利用率較高。回轉(zhuǎn)機構(gòu)能夠通過回轉(zhuǎn)支承，使回轉(zhuǎn)部分在左右方向上做360°全回轉(zhuǎn)。起升機構(gòu)通常包括電動機、制動器、卷筒、滑輪組及吊鉤等零件。

本文設(shè)計的塔身標準節(jié)為空間桁架結(jié)構(gòu)，標準節(jié)長2.5 m。標準節(jié)間的連接方式為套筒螺栓聯(lián)結(jié)，塔身復(fù)桿為角鋼，采用米字型布置方式。塔式起重機臂架使用SolidWorks自頂向下的三維設(shè)計方法，上弦桿為圓鋼，下弦桿為角鋼。總裝配模型如圖1所示。

圖1 塔機三維模型

2 塔式起重機PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

塔式起重機PLC電氣控制系統(tǒng)[3]應(yīng)遵循塔機控制需求的原則，使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、可靠，且滿足PLC各項技術(shù)指標和環(huán)境要求[4]。

本文將塔式起重機控制系統(tǒng)設(shè)計為PLC控制，塔機有回轉(zhuǎn)機構(gòu)、小車變幅機構(gòu)和起升機構(gòu)等。塔式起重機的起升、變幅和回轉(zhuǎn)都需要獨立運行，分別由3個電機控制，且使用1臺PLC控制。

根據(jù)控制要求[5]，PLC的輸入包括回轉(zhuǎn)機構(gòu)的逆時針和順時針轉(zhuǎn)動長動與點動開關(guān)信號、小車左行和右行的開關(guān)控制信號、兩個限位開關(guān)信號、吊鉤的上升和下降點動與長動開關(guān)信號等共計15個開關(guān)量輸入信號。PLC控制系統(tǒng)的輸出包括小車前進和后退驅(qū)動信號、限位開關(guān)驅(qū)動信號、回轉(zhuǎn)順時針和逆時針驅(qū)動信號、吊鉤上升和下降驅(qū)動信號、吊鉤上升和下降點驅(qū)動信號等共10個輸出信號。總的控制系統(tǒng)梯形圖[6]如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)梯形圖

3 塔機起重機的三維動畫仿真

3D編輯器功能將虛擬系統(tǒng)的概念帶到了一個更深的層次，是對其他如液壓、氣動和電氣等自動化工作室及模塊的一種補充。3D編輯器可以方便建設(shè)虛擬環(huán)境并進行模擬，在3D工作室中可以進行旋轉(zhuǎn)和平移等動畫演示，但不能對其進行任何動態(tài)分析（如質(zhì)量、慣性和摩擦等）。AS允許導(dǎo)入用其他的專業(yè)軟件創(chuàng)建3D零件，導(dǎo)入后零件將被機械地連接到其他AS變量并相互關(guān)聯(lián)。3D圖中同一個零件只能導(dǎo)入一次，要導(dǎo)入零件必須打開3D圖，導(dǎo)入方式為將“物體組”-“導(dǎo)入零件”導(dǎo)入的文檔在3D圖中打開，并插入到3D管理器的樹形圖中，使其位于管理器頂部，且在零件上方。

零件創(chuàng)建或者插入3D管理器后可以彼此連接，從而實現(xiàn)實物的高度仿真。在裝配的過程中，可以通過選擇不同的連接類型確定零件的相對位置，也可以和其他AS工作室進行同步動畫仿真。將STL文件轉(zhuǎn)入到AS中，如圖3所示。

圖3 零件的STL文件轉(zhuǎn)入

由硬件設(shè)計可知，共有13個按鈕控制，分別為回轉(zhuǎn)停止按鈕、長動回轉(zhuǎn)1按鈕、點動回轉(zhuǎn)1按鈕、長動回轉(zhuǎn)2按鈕、點動回轉(zhuǎn)2按鈕、吊裝停止按鈕、長動吊裝1按鈕、點動吊裝1按鈕、長動吊裝2按鈕、點動吊裝2按鈕、變幅停止按鈕、變幅1按鈕以及變幅2按鈕。它們的交互模型界面如圖4所示。

圖4 交互模型界面

4 結(jié)語

本文對塔式起重機進行基于AS軟件的建模與仿真，先用SolidWorks軟件對塔式起重機進行零件三維建模，然后將零件導(dǎo)入AS并關(guān)聯(lián)，再用AS軟件控制塔式起重機的運動過程。控制系統(tǒng)平臺采用AS軟件平臺編程實現(xiàn)，完成了塔機的過程控制系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計。AS軟件的PLC控制改進了傳統(tǒng)塔式起重機繼電器控制系統(tǒng)的電能浪費大和效率低等缺點，完成了塔式起重機的三維動畫仿真，且運行控制的主要參數(shù)均可控，具有較大的靈活性。