起重電機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫宏達(dá)2022年6月8日訊 隨著科技的進(jìn)步，碼頭趨近于向自動化、智能化方向發(fā)展，軌道式集裝箱起重機(jī)（以下簡稱場橋）作為自動化堆場的重要組成設(shè)備，扮演著越來越大的作用，國內(nèi)外制造商在場橋這一領(lǐng)域的競爭也是越來越激烈。近年來國內(nèi)勞動力的成本優(yōu)勢相對國外企業(yè)逐漸減少。在這種情況下，如要在競爭中脫穎而出，需要提高產(chǎn)品質(zhì)量并降低制造成本。

場橋按照鋼絲繩的纏繞方式可主要分為兩種結(jié)構(gòu)，即八繩結(jié)構(gòu)和四繩結(jié)構(gòu)。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，受大車及小車加減速的影響會導(dǎo)致吊具產(chǎn)生大幅搖動。八繩結(jié)構(gòu)的鋼絲繩一般按照倒三角形或正三角形兩種結(jié)構(gòu)纏繞，這樣的結(jié)構(gòu)大大提高了懸掛剛度，可迅速消除大車小車加減速過程中產(chǎn)生的擺動，該結(jié)構(gòu)防搖通過機(jī)械實(shí)現(xiàn)，控制程序簡單，并可方便添加吊具微動設(shè)備。但通過機(jī)械結(jié)構(gòu)吸收吊具的動能會降低鋼絲繩使用壽命，同時(shí)由于小車架內(nèi)部應(yīng)力較大，小車架結(jié)構(gòu)笨重，成本較高。四繩結(jié)構(gòu)鋼絲繩的纏繞方式類似矩形，剛度非常小，幾乎不能吸收吊具擺動動能。因此，鋼絲繩和小車架受力較小，小車架質(zhì)量輕，鋼絲繩壽命長，在工作中只能采用電子防搖，雖然國內(nèi)外眾多學(xué)者對該類型場橋的防搖進(jìn)行過很多研究，防搖算法也有多種，但基本都是通過控制小車速度實(shí)現(xiàn)的。在自動化作業(yè)時(shí)，小車既要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位又要進(jìn)行防搖控制，控制難度較高，定位精度相對較低。同時(shí)該結(jié)構(gòu)場橋在抓放箱時(shí)難以實(shí)現(xiàn)吊具旋轉(zhuǎn)。因此，國內(nèi)某公司設(shè)計(jì)了一種新型場橋，稱為全功能小車型場橋。

與普通四繩場橋相比，全功能小車型場橋在小車架上增加了4 個輔助電機(jī)、減速器、輔助卷筒、變頻器，在每個輔助卷筒上增加了絕對值編碼器等，吊具上增加了4 個動滑輪。4 根防搖鋼絲繩在空間布置上為等長度且互不交叉干涉，一端纏繞在主起升卷筒上，和主起升鋼絲繩一起運(yùn)動，另一端分別通過4 個導(dǎo)向滑輪纏繞在4 個防搖卷筒上。主鋼絲繩和輔助鋼絲繩的纏繞圖如圖1 所示。

該纏繞結(jié)構(gòu)可通過輔助鋼絲繩實(shí)現(xiàn)吊具的平移和旋轉(zhuǎn)，并通過左右主卷筒實(shí)現(xiàn)吊具的左右傾，故被稱為全功能小車型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)場橋保留了四繩結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕、應(yīng)力小、設(shè)備壽命長等優(yōu)點(diǎn)，增加的輔助鋼絲繩可實(shí)現(xiàn)吊具平移和旋轉(zhuǎn)功能，將防搖功能和定位進(jìn)行了分離，小車只負(fù)責(zé)定位，防搖由輔助鋼絲繩實(shí)現(xiàn)，簡化了程序，同時(shí)提高了小車方向定位精度。

該類型軌道吊防搖的實(shí)現(xiàn)可參考參考文獻(xiàn)[1]，本文主要對該類型場橋輔助電機(jī)與起升主鋼絲繩的同步控制及微動的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

通過圖1、圖2 可知，輔助鋼絲繩一端纏繞在主卷筒，另一端纏繞在輔助卷筒上 ；主鋼絲繩一端纏繞在主卷筒，另一端固定在鎖扣上。通過主卷筒轉(zhuǎn)動纏繞在主卷筒上的主鋼絲繩和輔助鋼絲繩跟著收放，從而實(shí)現(xiàn)吊具的上下。由于輔助鋼絲繩與主鋼絲繩之間存在一定夾角，且主鋼絲繩直徑與輔助鋼絲繩直徑不一定相同，因此主卷筒轉(zhuǎn)動時(shí)，需要輔助卷筒的配合才能實(shí)現(xiàn)起升的正常運(yùn)行。

假設(shè)主鋼絲繩鎖扣到吊具動滑輪的之間鋼絲繩長度為L1，主卷筒到吊具動滑輪之間主鋼絲繩長度為L2，主卷筒到吊具上輔助鋼絲繩動滑輪之間的輔助鋼絲繩長度為L3，輔助卷筒到輔助鋼絲繩動滑輪之間長度為L4，起升的高度為H(t)。

忽略纏繞在動滑輪上的繩長，則每段鋼絲繩的長度可以表示為

式中：Loffset1 為起升高度為零時(shí)主鋼絲繩動滑輪圓點(diǎn)到主鋼絲繩鎖扣的距離，Loffset2 為起升高度為零時(shí)主鋼絲繩動滑輪圓點(diǎn)到主卷筒安裝平面的距離，Loffset3 為起升高度為零時(shí)輔助鋼絲繩動滑輪圓點(diǎn)到主卷筒安裝平面的距離。

輔助鋼絲繩L4 所處角度較大，其在空間上結(jié)構(gòu)如圖3 所示。根據(jù)空間關(guān)系圖可得

式中 ：X、Y分別為輔助卷筒到吊具動滑輪之間在大、小車方向的偏差，Loffset4 為起升高度為零時(shí)輔助鋼絲繩動滑輪圓點(diǎn)到輔助卷筒安裝平面垂直距離。

主鋼絲繩和輔助鋼絲繩的長度隨起升高度變化而變化，起升高度的變化通過主卷筒的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，現(xiàn)假設(shè)卷筒轉(zhuǎn)動一個非常小的角度2 △ φ，并且在轉(zhuǎn)動2 △ φ 過程中吊具沒有發(fā)生平移和旋轉(zhuǎn)，即X、Y 保持不變，由于系統(tǒng)是動滑輪結(jié)構(gòu)，因此主鋼絲繩長度的變化為

式中：R1 為主卷筒上主鋼絲繩位置的半徑，主鋼絲繩位置與輔助鋼絲繩位置半徑可能不同，r1 為主鋼絲繩半徑

輔助鋼絲繩需要變化長度為

式中：R2 為主卷筒上輔助鋼絲繩位置的半徑，r2 為輔助鋼絲繩半徑。

由于大部分時(shí)刻△ L1 + △ L2 ≠△ L3 + △ L4，若要保持吊具平衡，需要通過輔助卷筒補(bǔ)償輔助鋼絲繩與主鋼絲繩之間不匹配的伸縮量。輔助鋼絲繩的補(bǔ)償量△ LH為

起升在運(yùn)行時(shí)， 假設(shè)主卷筒角速度為ω， 則△ φ=ω·△ t，故兩邊同時(shí)除以△ t 可得

因此，在起升運(yùn)行時(shí)，根據(jù)起升速度命令就可計(jì)算出輔助卷筒的速度。

自動化場橋要實(shí)現(xiàn)堆場內(nèi)自動抓放集裝箱，首先要確定吊具當(dāng)前位置和目標(biāo)集裝箱的位置，然后控制吊具微動到目標(biāo)集裝箱位置。為了實(shí)現(xiàn)自動吊具抓放箱，需要一套吊具檢測系統(tǒng)和目標(biāo)檢測系統(tǒng)。

吊具檢測系統(tǒng)主要由安裝在小車平臺下的相機(jī)和安裝在吊具上架上的三個紅外發(fā)射燈組成。三個紅外發(fā)射燈按照一定空間關(guān)系組成結(jié)構(gòu)光源，通過相機(jī)實(shí)時(shí)獲取三個發(fā)射燈的圖像，通過圖像處理方法得到光源坐標(biāo)，從而換算出吊具在空間中的位置和姿態(tài)，具體實(shí)現(xiàn)方法可查詢參考文獻(xiàn)[2]，通過該系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)獲取吊具的實(shí)時(shí)姿態(tài)。

目標(biāo)檢測系統(tǒng)主要由兩個帶轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的sick 激光器做成，如圖4 所示。由于現(xiàn)有激光掃描儀一般只能檢測2D 信息，故將該激光掃描器安裝在一個轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)上。當(dāng)轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動時(shí)，將檢測的2D 信息進(jìn)行存儲并與轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的編碼器信息進(jìn)行匹配，從而獲取目標(biāo)集裝箱的圖像，然后通過圖像處理技術(shù)確定目標(biāo)的位置信息。在獲取目標(biāo)集裝箱位置和當(dāng)前吊具位置后，即可對吊具進(jìn)行微動控制，實(shí)現(xiàn)自動抓放箱。

通過對纏繞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過對不同輔助電機(jī)鋼絲繩進(jìn)行張緊或放松可以實(shí)現(xiàn)吊具的平移或旋轉(zhuǎn)。為了便于分析，假定微動時(shí)起升處于靜止?fàn)顟B(tài)，吊具進(jìn)行平移相當(dāng)于產(chǎn)生一個△ X，△ Y 的移動，當(dāng)?shù)蹙咂揭茣r(shí)，一側(cè)輔助鋼絲繩放繩，另外一側(cè)收繩，因此前后側(cè)或左右側(cè)輔助電機(jī)速度相反。由于X、Y 不相關(guān)，并且吊具平移的范圍一般在20cm 以內(nèi)，對X、Y 的影響很小，以其中一根鋼絲繩分析，對式4 進(jìn)行求導(dǎo)可得

吊具微動速度的給定X ′、Y ′ 既不能太快，也不能太慢。太快容易導(dǎo)致吊具晃動，太慢就會降低效率，故吊具微動速度的給定必須合理控制。PID 控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、調(diào)整方便成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。其中比例控制是當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生誤差后，立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差；積分控制是為了消除穩(wěn)態(tài)誤差；微分控制可以克服誤差調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)的振蕩。由于積分作用可能導(dǎo)致積分飽和，輸入量過大，因此采用PD 控制。

當(dāng)通過檢測系統(tǒng)檢測出吊具需要平移到X0、Y0 時(shí)，根據(jù)PD 控制算法，X ′、Y ′ 的計(jì)算方法為

式中：KP1、KP2 為X、Y 方向的比例系數(shù)，Kd1、Kd2為微分控制系數(shù)。

由于起升運(yùn)行、吊具平移X、吊具平移Y 等變量之間互不相關(guān)，產(chǎn)生的速度可以進(jìn)行疊加，根據(jù)式(8)、式(11)、式(12) 可得，當(dāng)起升邊下降邊進(jìn)行吊具微動時(shí)，微動電機(jī)綜合的速度給定L? 為

由于實(shí)際在應(yīng)用過程中，輔助電機(jī)通過減速器接到輔助卷筒，因此電機(jī)的速度給定與輔助鋼絲繩收放速度之間的關(guān)系為

式中：n 為輔助電機(jī)的轉(zhuǎn)速，i 為減速比。

由此，可得出輔助電機(jī)的速度

現(xiàn)以實(shí)際項(xiàng)目的全功能小車軌道吊進(jìn)行驗(yàn)證。該項(xiàng)目主卷筒上主鋼絲繩側(cè)和輔助鋼絲繩側(cè)直徑皆為0.624m，主鋼絲繩直徑為0.026 m，輔助鋼絲繩的直徑為0.016m，輔助電機(jī)的減速度比為146.49，輔助電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 460 rad/min，輔助卷筒的直徑的為0.288 m，輔助卷筒安裝位置到吊具動滑輪之間在大小車方向的偏差X為1.865 m，Y 為1.405 m，Loffset4 為21.1 m。自動化作業(yè)時(shí)，經(jīng)過目標(biāo)檢測系統(tǒng)檢測吊具X 方向需要移動到1.910m 位置，采用起升邊下降邊微動的控制方法，起升速度曲線、其中一個輔助卷筒速度曲線、吊具大車方向的目標(biāo)位置和實(shí)時(shí)位置曲線如圖5 所示。

通過實(shí)際測試，輔助卷筒速度與主卷筒同步性能較好，微動過程中雖有波動，但是波動范圍在±2 cm 內(nèi)，滿足自動化作業(yè)要求。

[1] 張氫，葛韻斐，陳淼，等.ARMG 吊具輔助鋼絲繩牽引式主動防搖方法[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019(4)：36-42.

[2] 倪菲，茅時(shí)群，費(fèi)國，等. 基于機(jī)器視覺的吊具位姿檢測系統(tǒng)[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械，2011(10)：43-47.