高精度吊車自動轉運系統在核工程中的應用

羅建文

（中核四○四有限公司，甘肅蘭州 730050）

0 引言

在核工程中，對生產工具及原材料的準確定位和快速智能化搬運直接影響到人員、設施設備安全和企業的生產效率。核實驗或物料廠房存在很強的放射性，吊車操作人員易受到核輻射，且人工操作的勞動強度比較大、精確性差，吊裝轉運工作質量與操作人員水平有很大關系[1]。為了盡量避免核廠房吊車操作人員受到核輻射，減輕操作人員的勞動強度，提高吊裝精確度，有必要采用高精度定位的吊車自動轉運系統。

吊車自動轉運系統中操作點一般在現場每一工段標定，記錄系統中的坐標值，吊車使用記錄的坐標值再次到達此位置后與實際位置的偏差即為定位精度[2]。目前，精確定位技術的實現有磁柵尺定位、旋轉編碼器定位、激光測距儀定位等[3]。本文簡述一種高精度定位吊車的精確定位技術，并通過現場實際調試的測試結果，得出該吊車精度控制能否滿足該核廠房使用要求。

1 概述

1.1 工作背景

為完成某廠房M 組件的組裝、焊縫X 射線檢查、組件氦檢漏、組件綜合檢查（包括重量、尺寸、外觀檢查等）及組件裝箱等，設計高精度吊車自動轉運系統保證組件在生產線上各工序之間的自動轉運，并配合各工序完成必要的夾緊、松開動作。組件自動轉運系統具備平面運動和升降功能，主要定位點包括組件組裝工位抓取、組件焊縫X 射線檢查、組件綜合檢查、組件氦檢漏及組件裝箱等工位。

1.2 技術要求

組件定位精度要求：平面定位精度±1.5 mm，升降定位精度±1 mm，旋轉定位精度±0.5°。并實現吊車的自動控制精確定位、數據實時處理、組件的自動轉運等功能。吊車自動轉運系統參數見表1。

表1 吊車轉運系統參數

1.3 系統構成

為了滿足吊車自動轉運系統對組件放置、抓取操作的精確度，吊車自動轉運系統在作業過程中必須對抓放的位置進行精確定位。本次選用的高精度吊車自動轉運系統的精確定位技術是基于電機編碼器定位系統+光柵測距定位系統+視覺輔助定位系統的全閉環定位系統。

吊車自動轉運系統主要由機械結構、電氣部分、控制系統硬件和軟件組成。其中，機械結構主要由橋架、大車運行機構、小車運行機構、起升機構、定位系統等組成。控制硬件系統主要有運動控制子系統（含電機，電機控制器，運動控制器，相關開關元器件，IO 接口）等組成。

2 控制系統精確定位技術

本吊車自動轉運系統在大小車的行走軌道上各安裝了兩條光柵尺，利用安裝在吊車上的光柵讀碼器讀取光柵尺的坐標，獲取當前水平方向上吊車絕對位置；起升機構采用在電機上安裝絕對值型旋轉編碼器的方式來獲取當前垂直方向上的絕對位置；并利用工業相機輔助定位，使得系統定位更加可靠、精確，可以達到平面定位精度±1.5 mm，起升定位精度±1 mm 的技術要求。

2.1 電機自帶編碼器定位

大/小車、起升及旋轉運動控制系統采用伺服電機+伺服驅動器的形式進行控制。伺服電機為了滿足自身的精度要求，通常在電機的尾部裝有一個高精度編碼器，其工作原理為：驅動器控制伺服電機運轉時，電機帶著編碼器旋轉，編碼器將反饋信號輸送至驅動器，驅動器進而知道當前伺服電機的運行情況，例如伺服電機的轉速、脈沖數等，經過換算得到當前位置信息[4]。如果還未到達指定位置，驅動器再驅動伺服電機進行運動，在其內部形成了閉環控制，能夠精確地控制電機的轉動，從而實現精確定位。

大/小車上均安裝4 臺電機，兩臺正常運行，當運行電機、伺服驅動器出現故障時，會自動切換到兩臺備用電機。起升和旋轉電機也做了類似的冗余設計。

編碼器安裝在電機內部，具有抗污染、節省空間的特點，并且具有與控制器交互性好、通信速率高的優點。但是在低速旋轉或停止時，加在軸或本體上的振動使旋轉槽圓盤抖動，可能會發生誤脈沖[5]。同時，對于吊車運動過程中由于軌道的不平整造成車輪的打滑或一小段距離內車輪與軌道的不接觸等情況，編碼器都將無法反映出此時吊車所處的真實位置。

2.2 光柵測距定位

考慮到吊車X、Y 方向車輪可能存在打滑、磨損、灰塵等情況，在進行給定位置移動時，完全由電機編碼器控制移動量的方法并不完全精確、可靠。因此控制方案中設計了WCS 外部位置編碼器模塊保證吊車的運動精確。WCS 為光柵定位，可以精確的測量起重機X 和Y 方向運行的實際位置，與伺服驅動器、電機和運動控制器構成雙閉環控制系統，保證大小車運行精度在±1.5 mm 以內。

WCS 外部位置編碼器主要包含光柵尺和讀碼器兩部分。大/小車軌道上各裝兩條光柵尺，利用安裝在吊車上的光柵讀碼器讀取光柵尺的坐標和大/小車的編碼器的坐標誤差，來判斷大/小車是否走偏，并通過運動控制器發送補償命令糾正大/小車行走偏差。

大/小車均裝有回零限位開關，可以進行位置校正。為避免大/小車速度過快越過零位，在回零限位開關前安裝減速限位開關，保證大/小車到達回零限位開關處速度足夠小。由于位置編碼器是絕對定位方式，能夠實現對原點的檢測，因此也能起到回零的作用，與回零限位開關構成冗余。

2.3 基于視覺的輔助定位

為了防止機械參照物或者目標位置偏移等原因造成的系統性偏差，當WCS 定位完成后，利用工業相機采集到的圖像信息，對目標進行識別、分析和計算，并對WCS 定位的結果進行校驗，引導吊車精確的抓取或放置目標組件。相比傳統的數控吊車走“死”坐標，帶有視覺系定位的吊車自動轉運系統主要優勢是“活”，它能夠大大降低各種土建及機械誤差等非理想因素的影響，從而保證吊車系統的可靠性和安全性[6]。

基于視覺的目標識別主要包含以下步驟：首先將獲得的圖像進行預處理（主要包括圖像復原和增強），然后再對圖像中的各個待選目標進行特征提取，最后對各種特征進行匹配進而準確識別目標。通過圖像快速、準確和可靠的處理，該系統將目標識別算法轉換到工控機的圖形處理器上進行并行處理，速度更快、可靠性高[7]。視覺定位具體特點有：

（1）靈活性、可靠性高。這是吊車自動轉運系統與數控吊車的本質區別。相比數控吊車機的半閉環控制，基于視覺的吊車自動轉運系統是針對實際目標組件的閉環系統，控制系統基于目標識別定位的信息，引導和協調吊車進行各項動作。這樣可以使得吊車自動轉運系統靈活地抓取不同形狀和大小的目標，并且以智能的方式對其周圍的變化環境做出反應，同時也可以降低工業環境變化對吊車的影響，大大提高了吊車的可靠性。

（2）精度高。由于采用基于視覺的目標識別，吊車自動轉運系統的目標定位精度高，而且這種精度不依賴于環境和目標本身位置的變化。

（3）實時性高。可實時跟蹤工作環境中的目標的變化情況，實時調整吊車的相應動作。

2.4 硬臂伸縮和旋轉裝置

硬臂裝置由旋轉裝置、伸縮節、導向裝置、鋼絲繩固定旋轉裝置等組成。旋轉裝置采用回轉支撐結構，回轉支撐懸掛式安裝在小車架底面，在外部伺服電機驅動下實現伸縮節旋轉。伸縮節采用多節結構設計，相鄰兩節之間有導向裝置，控制硬臂的伸縮精度，并通過鋼絲繩的升降實現硬臂的伸縮。

（1）硬臂的旋轉。硬臂的旋轉采用2 臺伺服電機驅動，正常工作時只有一臺伺服電機工作，當該伺服電機出現故障時，另外一臺備用伺服電機工作。硬臂最大旋轉角度為360°，旋轉定位精度為±0.5°。

（2）硬臂的伸縮。硬臂的伸縮動作靠兩根獨立鋼絲繩的收放來實現。鋼絲繩一端固定在卷筒上，另一端固定在硬臂的底端。硬臂內部提升有2 根鋼絲繩，采用冗余設計，如果一根斷裂，另一根鋼絲繩能承受額定起升載荷。

（3）硬臂防晃裝置。由于負載慣性及鋼絲繩柔性會造成系統的震動，在吊車起動、停止時會產生負載的晃動，這種振蕩會產生對目標組件不利的影響，采用硬性伸縮臂可避免上述情況。

3 控制系統精度的測試

3.1 水平及垂直方向精度測試

采用長度（高度）可調的標尺柱作為檢測吊車水平（垂直）方向精確定位精度的參考標尺，在每個工位選取坐標原點并設定吊車在水平（垂直）方向不同的運行距離，觀察其到位精度。

水平方向精度測試結果見表2（從多次測試結果中抽取5 組偏差最大數據）。

表2 水平方向精度測試結果 mm

垂直方向精度測試結果見表3（從多次測試結果中抽取5組偏差最大數據）。

表3 垂直方向精度測試結果 mm

3.2 旋轉精度（重復精度）測試

利用設定旋轉臂旋轉不同角度，并返回起始位置時的重復性來測試吊車的旋轉精度，測試結果見表4（從多次測試結果中抽取5 組偏差最大數據）。

表4 旋轉精度（重復精度）測試結果

3.3 吊車重復精度測試

組件組裝工位抓取、組件焊縫X 射線檢查、組件綜合檢查、組件氦檢漏、組件打標等對吊車重復性定位精度的要求非常高，測試中使用1 mm×1 mm 網格紙作為定位精度測試標尺（選取定位點，觀察指針歸位后離定位點的距離），每組數據重復10 次，觀察吊車重復性歸位情況，如圖1、圖2 所示，記錄結果見表5。

表5 重復性精度測試結果

結論：通過吊車水平（垂直）方向精度測試、旋轉精度（重復精度）測試和吊車重復精度測試，得出該吊車轉運系統精度高、重復性好、可靠高，能滿足平面定位精度±1.5 mm、升降定位精度±1 mm、旋轉定位精度±0.5°的技術要求。

4 結果與展望

通過基于電機編碼器定位系統+光柵測距系統+視覺的輔助定位的全閉環定位技術，可以實現吊車的精確定位和智能化控制，該吊車自動轉運系統應用于核工程，可以減少人員受核輻射概率，降低勞動強度、提高工作效率，對核工程廢料轉運、放射性組件組裝、吊裝和檢修等具有重要的工程意義。因此，在核工程的吊車系統的設計及選用過程中應優先考慮吊車精確性和智能化的結合，以保證人員和設施設備安全。