針對(duì)傳統(tǒng)起重機(jī)智能化水平不足的問題，本文通過16噸橋式起重機(jī)改造項(xiàng)目，系統(tǒng)驗(yàn)證了機(jī)器視覺、電子防搖等6項(xiàng)核心技術(shù)。構(gòu)建了基于有限元分析的橋架結(jié)構(gòu)優(yōu)化體系，開發(fā)了多規(guī)格智能搬運(yùn)裝備，實(shí)現(xiàn)鋼卷搬運(yùn)效率提升35%，定位精度達(dá)±3mm。研究成果為智能工廠物料搬運(yùn)系統(tǒng)建設(shè)提供重要技術(shù)支撐。

一、引言

在”中國(guó)制造2025″戰(zhàn)略推動(dòng)下，鋼卷搬運(yùn)裝備智能化改造成為鋼鐵、汽車等行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)起重機(jī)存在定位精度低（±15mm）、能耗高（單位能耗0.6kWh/t）、故障率高等問題。本文通過智能化技術(shù)創(chuàng)新，構(gòu)建鋼卷搬運(yùn)全流程智能解決方案，實(shí)現(xiàn)裝備運(yùn)行效率與安全性的協(xié)同提升。

二、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 硬件平臺(tái)構(gòu)建

采用”三層四域”架構(gòu)：

• 感知層：基恩士3D激光傳感器（精度±0.1mm）、HBM六軸力傳感器（量程50t）
• 控制層：貝加萊APROL控制系統(tǒng)（響應(yīng)時(shí)間<10ms）
• 執(zhí)行層：ABB交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（調(diào)速精度0.1%）

2. 軟件系統(tǒng)開發(fā)

開發(fā)智能管控平臺(tái)，包含：

• 視覺引導(dǎo)模塊：基于Halcon的輪廓匹配算法（匹配精度±0.5mm）
• 防搖控制模塊：自適應(yīng)魯棒控制器（擺角抑制時(shí)間<1.2s）
• 狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊：基于LSTM的故障預(yù)測(cè)模型（預(yù)測(cè)精度R2=0.91）

三、關(guān)鍵技術(shù)突破

1. 高精度定位技術(shù)

建立”視覺+激光+編碼器”融合定位模型：
[P_{final} = 0.6P_{vision} + 0.3P_{laser} + 0.1P_{encoder}]
通過加權(quán)融合算法，將定位誤差控制在±3mm，較傳統(tǒng)方法提升80%。

2. 電子防搖控制

設(shè)計(jì)改進(jìn)型前饋補(bǔ)償控制器：
[u(t) = K_p e(t) + K_d \dot{e}(t) + K_f \theta(t)]
在1.5m/s起升速度下，殘留擺角≤0.3°，較傳統(tǒng)PID控制提升50%。

3. 橋架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）靜剛度分析

建立主梁有限元模型，發(fā)現(xiàn)跨中撓度與定位精度呈強(qiáng)正相關(guān)（R2=0.89）。通過增加腹板厚度，將靜剛度從L/700提升至L/900。

（2）開孔設(shè)計(jì)規(guī)范

制定”三準(zhǔn)則”開孔原則：

• 孔徑≤1/3梁高
• 孔間距≥2倍孔徑
• 孔邊距≥1.5倍孔徑
  通過ANSYS仿真驗(yàn)證，開孔后應(yīng)力集中系數(shù)降低42%。

四、工程應(yīng)用驗(yàn)證

1. 產(chǎn)品系列開發(fā)

完成16-50噸共14個(gè)規(guī)格產(chǎn)品設(shè)計(jì)，主要參數(shù)如下： 規(guī)格(t) 定位精度(mm) 能耗(kWh/t) 作業(yè)效率(t/h) 16 ±3 0.45 480 32 ±5 0.52 720 50 ±8 0.60 960

2. 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在某鋼廠實(shí)施的智能化改造項(xiàng)目中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：

• 作業(yè)效率提升35%（從420t/h→567t/h）
• 貨損率下降至0.02%
• 運(yùn)維成本降低28%

3. 技術(shù)創(chuàng)新成果

• 獲實(shí)用新型專利4項(xiàng)（ZL2024XXXXXX.1-ZL2024XXXXXX.4）
• 參與修訂GB/T 3811-2025《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》
• 發(fā)表SCI論文1篇（《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2025,61(5):1-9）

五、挑戰(zhàn)與展望

1. 技術(shù)瓶頸

• 多設(shè)備協(xié)同作業(yè)算法需優(yōu)化
• 極端工況下的系統(tǒng)可靠性待提升
• 故障安全系統(tǒng)尚未完善

2. 發(fā)展方向

• 開發(fā)雙冗余控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障安全響應(yīng)
• 研究5G+數(shù)字孿生的遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)
• 構(gòu)建鋼卷搬運(yùn)智能決策系統(tǒng)
• 探索氫能源驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用

六、結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)的智能化鋼卷搬運(yùn)起重機(jī)通過技術(shù)創(chuàng)新與工程實(shí)踐，有效解決了傳統(tǒng)裝備的效率與安全難題。未來(lái)需持續(xù)深化智能控制算法研究，推動(dòng)裝備向無(wú)人化、低碳化方向演進(jìn)，為智能制造提供關(guān)鍵物流裝備支撐。