起重機由于運行慣量大、工作環(huán)境惡劣且自身控制系統(tǒng)較復雜,造成其很難完成精確定位。本文將通過數(shù)學模型的建立、綜合程序塊的編寫克服以上困難,使起重機具有一定的位置識別和記憶功能,可確保起重機定位精度達到依3 mm,滿足智能起重機的定位要求。本文研究的起重機定位技術(shù)對未來工廠和起重機的智能化升級具有一定的推進作用。

1、傳感器簡介

1.1工作原理

應用于起重機定位的傳感器一般包括編碼器和條形碼掃描兩大類,根據(jù)其自身特點不同而應用于不同的定位場合。

編碼器按工作原理可分為增量式和絕對值式兩類,增量式編碼器是將位移信號轉(zhuǎn)換成周期性的電信號,再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖,用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼,因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān),而與測量的中間過程無關(guān),而無論是哪種編碼器均是將信號或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用于通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。其優(yōu)點在于節(jié)省安裝空間,可配合變頻器等設備做閉環(huán)控制,提高控制精度。

圖1編碼器

條碼是將線條與空白按照一定的編碼規(guī)則組合起來的符號,用以代表一定的字母、數(shù)字等信息。在進行辨識的時候,是用條碼閱讀機(即條碼掃描器又叫條碼掃描槍或條碼閱讀器)掃描,得到一組反射光信號,此信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后變?yōu)橐唤M與線條、空白相對應的電子信號,經(jīng)解碼后還原為相應的文數(shù)字,再傳入PLC。一般應用于起重機定位的條碼號與實際位置相符,便于識別和提高定位精度。

圖2條形碼

1.2缺點及解決方案

編碼器一般安裝在車輪部位,與車輪同軸,車輪每旋轉(zhuǎn)一圈編碼器會發(fā)出一定數(shù)量脈沖[2],控制器通過脈沖的個數(shù)來識別起重機當前的實際位置。但當起重機負載較輕或者軌道比較濕滑的時候,起重機車輪會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,此時雖然車輪已經(jīng)旋轉(zhuǎn),但起重機實際位置并沒有發(fā)生變化,控制器會產(chǎn)生錯誤的判斷,影響起重機定位精度。采用相對坐標可大幅度降低輪子打滑帶來的誤差,關(guān)鍵在于尋找到一個絕對的零點,使起重機每工作結(jié)束一次回歸到零點進行一次數(shù)據(jù)校正,相當于清除前一次操作帶來的累計誤差,確保起重機每次都工作在準確的坐標系內(nèi)。

條形碼一般安裝在大車、小車的軌道下面,長度取決于車間及小車軌道的長度。條形碼定位精度較高,理論上可以達到1 mm以內(nèi),但條碼對其自身的清潔度要求較高,一旦條碼上有油污遮擋就會造成讀數(shù)不準確無法完成定位,另外機械形變也是條碼的另一個缺點,產(chǎn)生形變后絕對位置會發(fā)生變化。較小的形變可通過程序來彌補,編輯具有記憶功能的程序塊可減少形變帶來的誤差。

2、定位技術(shù)原理

2.1數(shù)學模型的建立

起重機的大車、小車、卷揚三個機構(gòu)的運行軌跡共同構(gòu)成起重機的三維軌跡模型。為更好規(guī)劃起重機的定位點以及克服類似編碼器車輪打滑造成的誤差,需要組建一個理想的數(shù)學模型,并假設起重機就在該模型內(nèi)運行,數(shù)學模型內(nèi)出現(xiàn)的位置數(shù)據(jù)均應是根據(jù)實際位置數(shù)據(jù)重新整定的理想數(shù)據(jù)。理想數(shù)據(jù)可根據(jù)需要進行合理規(guī)劃,如存在起重機數(shù)量較多,可根據(jù)起重機標號、車間標號等數(shù)據(jù)進行整定,便于車間一體化管理。以下就一臺起重機做一個簡單的數(shù)學模型的建立,實際使用中的模型可能更加復雜,需考慮車間內(nèi)的情況和工藝要求。

將大車運行軌跡、小車運行軌跡、提升運行軌跡分別標記為x軸、y軸、z軸,三個軸線交叉點定為0點,如圖3所示。x軸實指大車軌道,y軸指小車軌道,z軸指卷揚運行路徑,假設位置傳感器在三個軸線上的實時讀數(shù)分別為x1,y1,z1,機構(gòu)0點的讀數(shù)分別為x0,y0,z0,控制系統(tǒng)實際使用的數(shù)據(jù)為X,Y,Z。起重機每次工作前后均?？吭?點位置,此時需進行清零操作,得到的讀數(shù)X0=x0-x0=0,Y0=y0-y0=0,Z0=z0-z0=0,起重機在坐標系中的數(shù)據(jù)為X=x1-x0,Y=y1-y0,Z=z1-z0,以上就完成了起重機的運行軌跡模型建立。由于每次起重機作業(yè)完成都進行清零操作,可大幅度提高位置編碼器的讀數(shù)精度,同時該模型也可以反映到上位機上,方便對起重機的實時監(jiān)控,隨時查看起重機所在位置信息。整定完成的數(shù)據(jù)X、Y、Z即是相對坐標,該坐標只反映了起重機到0點的位移,而不考慮編碼器等傳感器的實際讀數(shù)。

圖3起重機運行坐標系

2.2數(shù)據(jù)處理

不同類型的編碼器、條碼器讀取上來的數(shù)據(jù)類型會存在較大差異,有些不能直接參與運算,最理想的數(shù)據(jù)是反映實際位移的real型數(shù)據(jù),如果傳感器讀取的數(shù)據(jù)不能直接應用就需要我們對其進行前期的整定,數(shù)據(jù)整定不能存在偏差,以免影響定位精度。

傳感器讀取上來的數(shù)據(jù)情況各異,有些是格雷碼,有些數(shù)據(jù)中帶有狀態(tài)字或驗證信息不能直接使用,有些數(shù)據(jù)的順序是顛倒的需要進行重新排序。本文以編碼器讀取的數(shù)據(jù)為25位的格雷碼為例進行說明,將其轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)據(jù)提供給PLC系統(tǒng)。

二進制格雷碼轉(zhuǎn)換成自然二進制碼,其規(guī)則是保留格雷碼的最高位作為自然二進制碼的最高位,次高位二進制碼為最高位自然二進制碼與次高位格雷碼相異或,自然二進制碼的其余各位與次高位自然二進制碼的求法相類似。

運算公式為:

某二進制格雷碼為G_n-1 G_n-2…G₂ G₁ G₀

其對應的自然二進制碼為B_n-1?B_n-2…B₂?B₁?B₀其中最高位保留—B_n-1=G_n-1

其它各位—B_i-1=G_i-1⊕B_i?i=1,2,…,n-1

根據(jù)以上運算規(guī)則,利用PLC梯形圖進行了程序設計,并制作了可多次調(diào)用的程序塊,方便格雷碼與自然二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換,如圖4、圖5所示。

圖4程序塊內(nèi)部程序

圖5編輯完成的程序塊

圖5為格雷碼轉(zhuǎn)二進制程序塊,SOURCE_DA-TA為格雷碼數(shù)據(jù)地址,TRANS_DATA為轉(zhuǎn)換后的地址。完成轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可參與正常的PLC運算中,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換只是起重機定位中的一小部分,需要算法精確,保證轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系與轉(zhuǎn)換前保持一致,不影響定位精度。

2.3程序塊的編寫

克服機械慣性造成的誤差

一般起重機的質(zhì)量都較大,這就導致其機械慣量較大,會造成“剎不住車冶的問題。例如需要在位置X停車,如果在X位置給出停車指令,那么起重機實際停止的位置就會遠遠的偏出指定位置。筆者為此專門制作了用于起重機定位的程序模塊,如圖6所示:

程序塊的編制相當于自主創(chuàng)建了一個新的梯形圖功能塊,根據(jù)實際需要編輯功能塊的運算公式。如圖6所示,功能塊名稱為positioning,可作為庫文件直接調(diào)用。起重機定位程序塊主要考慮的問題是速度與距離的關(guān)系,使起重機在盡可能短的距離內(nèi)達到穩(wěn)定停車的效果。該程序塊包含了可編寫的輸入、輸出數(shù)據(jù),停止的指定位置、可高速運行的區(qū)間、低速運行的區(qū)間、停止超低速區(qū)間等參數(shù)。模塊將根據(jù)當前位置到目標位置的距離適當?shù)慕o出速度信號,當距離較遠時以高速運行,快速接近目標,當即將到達時,根據(jù)距離的不斷減小速度信號也逐漸降低,直到停止。值得一提的是,該模塊具有自動調(diào)整功能,當停止時的位置偏差不滿足我們要求的精度時,起重機將自動進行調(diào)整,直到偏差精度達到要求(一般要求精度為3 mm)。

程序塊的參數(shù)需根據(jù)實際情況確定,影響參數(shù)的因素包括起重機的重量、工作周期時間的要求、變頻器參數(shù)等。停車距離、減速區(qū)、停車速度、減速速度、高速、超高速等參數(shù)要經(jīng)過調(diào)試驗證,避免起重機出現(xiàn)反復調(diào)整,無法停止的現(xiàn)象。

克服氣候等原因造成的機械形變誤差

當起重機在現(xiàn)場工作較長時間后,會因為冬夏溫度交替等因素造成一定的機械形變,此時位置傳感器的實際讀數(shù)和相對讀數(shù)都會發(fā)生變化,需要我們的起重機具有一定的自我學習能力,能夠自我辨識數(shù)據(jù)的緩慢變化并進行自我整定。本文使用堆棧原理對位置傳感器的讀數(shù)進行儲存,根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)變化判斷機械形變的趨勢,程序段如圖7所示。

圖7為程序截圖,該程序段可儲存最近10次的數(shù)據(jù),每次讀數(shù)都進行更新,即每次讀入一個最新的數(shù)據(jù)并排除一個最老數(shù)據(jù)。假設我們需要的數(shù)據(jù)是10,而最近讀取的數(shù)據(jù)大多都大于10,這種情況說明數(shù)據(jù)讀取發(fā)生了永久性的變化,我們認為發(fā)生了機械形變,程序?qū)⒆詣诱{(diào)整其他的相關(guān)參數(shù),以適應這個數(shù)據(jù)的變化。這個程序段的優(yōu)點在于使起重機具有一定的記憶和學習功能,可以克服條碼由于微小形變造成的定位誤差。

圖6定位程序塊

圖7堆棧程序塊

3、總結(jié)

本文對起重機定位技術(shù)的重要性等做了簡要敘述,通過對傳感器原理的分析,建立了起重機運行軌跡的3D模型,并編寫了精確定位程序。本文闡述的方法基本可保證當前國內(nèi)對起重機定位精度的要求。需指出的是,起重機精確定位還涉及許多其他因素,如機械零件的生產(chǎn)及安裝精度、機械抱閘調(diào)節(jié)等。定位技術(shù)是一個需要長期研究的課題,編碼器等定位傳感器的技術(shù)在發(fā)展,起重機定位技術(shù)也要不斷的探索。