CN101397114A - 一种正交式水平自动调节吊具及方法 - Google Patents

Abstract

一种正交式水平自动调节吊具及方法，基于重心补偿的原理，采用两中空吊梁相互正交、并在下吊梁两端部安装两根翼梁、借助翼梁吊钩吊挂载荷的吊具结构，每个中空吊梁中安装有一可移动的配重块，并在两吊梁的一端装有一台伺服电机和减速箱，上吊梁上还安装有倾角传感器和控制器；调节时，将倾角传感器所得数据，传递到控制器，控制器发出指令驱动伺服电机，伺服电机通过减速箱转动丝杆，调整配重块的位置，从而改变配重块所产生的力矩，实现载荷的水平调节。本发明具有快速、安全和高效的特性，解决了传统方法在调节载荷水平时的费时、危险等问题；而且通过丝杆可以精确控制配重块的位置，水平调节精度可达0.2度。

Description

一种正交式水平自动调节吊具及方法

技术领域

本发明属于装卸吊运装置领域，涉及装卸吊运装置的正交式水平自动调节吊具及方法。

背景技术

在工业生产或国防建设中，常常需要进行载荷的装卸。由于载荷昂贵及高精密性等原因，现场对装卸过程的水平度要求很高，并且需要进行精确定位，以避免点点接触、碰撞导致所装配的产品发生变形而遭到破坏。例如，在卫星装卸时为保证密封性和安全性，卫星下表面(即对接面)与底座之间应保证面面接触，同时避免碰撞；飞机、直升机的装配、吊运也应保证机体结构安全，不受损坏。通常情况下这些载荷的重心往往不居中，而是偏心于某一侧，因此在装卸时如果不进行重心补偿，使其保持水平，将很容易造成倾斜，势必影响装卸效率，甚至损坏该产品。另外，由于这些载荷体积和重量通常较大，传统的调节方式不但费时、精度不高，而且又由于吊索的柔性、自由度过大等原因会造成重物摆动不停，难以定位，危险性大，生产效率低。这些问题已引起相关科研机构的高度重视，对新型、高效、安全的装卸吊运装置的需求十分迫切。

传统的调节方式有很多种。比如通过目测并调节四根吊绳的长度来进行水平调节的方式，这种人工操作的方式精度不高，而且完全凭着工作人员的经验和熟练程度进行试探和摸索，费时且不容易成功，同时由于有人员的现场参与，又存在着安全隐患；又如通过移动天车在吊梁上的吊点位置来进行水平调节的方式，虽然采用的是重心补偿的方法，但是由于整个载荷的重量都作用在吊点上，通过电机来移动吊点位置，必须要克服大摩擦力，这对电机的功率提出了很高的要求，相应地电机成本也会变得很高，尤其当载荷比较重时更是如此。而同等情况下采用移动配重块来进行重心补偿的方法，对驱动电机的要求和成本相比之下都较低。而且前者移动的是天车的吊点位置，这种方法既改变了载荷的力臂长度，同时又改变了配重块的力臂长度，它所引起的弯矩变化大，因而角度变化也剧烈。调节幅度虽然大，但是容易造成摆动。而移动配重块的方案则仅仅通过改变配重块的力臂长度以改变配重力矩，所引起的水平倾角变化平稳。

发明内容

本发明的目的在于，改进传统方法在调节载荷水平时的费时、危险以及精度不高等缺点，为了解决所述的问题，本发明提出一种与传统方法不同的水平自动调节吊具的方法，并相应地设计出一种新型正交式水平自动调节吊具。

为了实现所述目的，本发明的一方面，提出正交式水平自动调节吊具的方法，其技术方案的步骤如下：

步骤1：驱动两伺服电机，将两配重块分别移动到上吊梁、下吊梁的零点位置处，此状态为***初始状态，以初始时刻的伺服电机的编码器角度为参考零度角；

步骤2：驱动上吊梁的伺服电机，将上吊梁的配重块移动到指定位置，而保持下吊梁的配重块的位置不变，仍然在零点位置上；

步骤3：***稳定后，将二维倾角传感器所测得的上吊梁、下吊梁的水平倾角传递给控制器，并建立关于配重位置和吊梁水平倾角的两个数学方程；

步骤4：驱动下吊梁的伺服电机，将下吊梁的配重块移动到另一指定位置，同时保持上吊梁的配重块位置不变；

步骤5：稳定后，再次将二维倾角传感器测得吊梁水平倾角θ₁，θ₂传递给控制器，从而又建立起关于配重位置和吊梁水平倾角θ₁，θ₂的两个数学方程；

步骤6：联立这四个方程中的任意三个，便可以计算出载荷质心的偏心位置参数z，r，α，从而建立起配重位置与吊梁水平倾角的数学模型；

步骤7：由该数学模型及求得的载荷质心的偏心位置参数，可以直接计算出使吊梁水平倾角为零时的配重的目标位置；

步骤8：根据目标位置进行分步调节，从而保证调节过程的稳定和调节结果的精度。

根据本发明的实施例，所述重心补偿是上吊梁和下吊梁由两根E型钢材通过联接件连接，在两根E型吊梁中安装有丝杠和定位用复位开关，每根吊梁中有一个配重块，配重块中间有螺纹孔和丝杠为螺纹连接，通过伺服电机和减速器驱动丝杠转动，带动配重块在滑轨上滑动，改变配重块相对于零点位置的力矩，实现载荷的水平调节。

根据本发明的实施例，所述配重块位置和吊梁水平倾角满足的关系，如下所述：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Mz}\sin {\mathrm{\θ}}_1+[m_{x}X+\mathrm{Mr}\cos \mathrm{\α}]\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}=0\\ \mathrm{Mz}\sin {\mathrm{\θ}}_2+[m_{y}Y+\mathrm{Mr}\sin \mathrm{\α}]\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}=0\end{array}\right.$

其中，M为载荷的质量；z，r，α表示载荷质心的偏心位置的三个参数；m_x，m_y，X，Y分别为两配重块的质量及在上吊梁和下吊梁上的位置；θ₁，θ₂分别为两吊梁的水平倾角。

为了实现所述目的，本发明的另一方面，提出正交式水平自动调节的吊具，其技术方案如下所述：

具有一上吊梁与一下吊梁相互正交放置，且上吊梁的底面与下吊梁的顶面固定连接，每根吊梁均由两根E型钢材通过联接件连接而成；

具有一吊耳，安装在上吊梁顶面的中部，用来与天车吊钩或吊索相连；

具有两根水平翼梁，其顶面分别固接在下吊梁的底面的两端部并与下吊梁水平正交；

具有四个吊钩分别位于两根水平翼梁底面的端部，可与吊绳连接，用来吊挂载荷；

具有两个配重块，上吊梁和下吊梁中各有一个配重块，每个配重块两侧有凹槽，中心有螺纹孔，与丝杆为螺纹连接；

具有两根丝杠，上吊梁和下吊梁中各有一根丝杠，丝杠穿过配重块的中心螺纹孔，一端通过轴承与吊梁相连接，另一端连接到减速箱的输出轴上；

具有两组滑轨，分别位于上吊梁与下吊梁本体的内部，由两根E型钢材的中间突出部构成；每组滑轨与相应吊梁中的配重块的两凹槽为滑动连接，滑轨用于承受配重块的重量，同时将配重块的重量传递到上吊梁和下吊梁上；丝杠与滑轨平行并带动配重块沿滑轨移动；

具有两定位用复位开关分别固接于上吊梁及下吊梁的内部中心位置；

具有两个伺服电机和两个减速箱，两个减速箱分别安装在上吊梁和下吊梁的一端部；每个伺服电机分别通过一个减速箱与丝杠相连；

具有两个平衡块分别安装在上吊梁和下吊梁的另一端部，用来抵消伺服电机及减速箱的质量引起的自身不平衡；

具有一控制器，安装在上吊梁上，用于接收二维倾角传感器传来的数据，并控制伺服电机；

具有两个二维倾角传感器，对称安装在上吊梁上，用来测量上吊梁的水平倾角和下吊梁的水平倾角。

根据本发明的实施例，每根上吊梁和下吊梁都由两根E型钢材连接而成中空梁。

根据本发明的实施例，其特征在于：每根E型钢材中间具有一突出部，两根E型钢材的中间突出部构成一组滑轨，并与配重块的两凹槽滑动连接。

综上所述，本发明采用了重心补偿的方法，提出正交式水平自动调节的吊具，通过移动配重块位置来实现载荷水平的自动调节，具有快速、安全和高效的特性，解决了传统方法在调节载荷水平时的费时、危险等问题；而且通过丝杆可以精确控制配重块的位置，水平调节精度可达0.2度。

附图说明

图1是本发明正交式自动水平调节吊具***的整体示意图

图2是本发明中空吊梁的结构及与配重块配合的示意图

图3是本发明控制器、倾角传感器的装配位置示意图(去除了吊耳)

图4是本发明翼梁和伺服电机、减速箱的空间位置示意图

图5是载荷的重心位置示意图

图6是本发明丝杆和吊梁以及配重块的空间位置示意图

附图标记说明：

上吊梁：10；滑轨：11；联接件：12；定位用复位开关：13

下吊梁：20

翼梁：30；翼梁吊钩：31

吊耳：40

伺服电机：51；减速箱：52；平衡块：53

控制器：60

倾角传感器：70

配重：80

丝杠：90

具体实施方式

以下介绍本发明的优选实施例，该部分仅仅是对本发明的举例说明，而非对本发明及其应用或用途的限制。根据本发明得出的其它实施方式，也同样属于本发明的技术创新范围。方案中有关参数的设定也并不表明只有举例值可以使用。

为了采用重心补偿的方法来补偿偏心载荷引起的偏心力矩，本发明采用了如图1所示的正交式水平自动调节吊具。整个***的主要部分即上吊梁10和下吊梁20是分别采用两组正交的中空吊梁，每组中空吊梁由两根E型钢材通过联接件12联接而成，在上吊梁10和下吊梁20的中间位置各设置定位用复位开关13，上吊梁10的底面和下吊梁20的顶面用螺栓固定；如图2所示，在上吊梁10及下吊梁20中，均有一个可移动的配重块80，每个配重块80两侧均有凹槽，中心有螺纹孔；而作为上吊梁10及下吊梁20的主要组成部件的每根E型钢材中间具有一突出部；两根E型钢材的突出部构成一组滑轨11并与配重块80的两凹槽滑动连接。吊梁中间均装有与滑轨11平行的丝杠90，丝杠90一端通过轴承与吊梁相联接，丝杠90另一端则通过减速箱52连接到伺服电机51上，由伺服电机51来驱动丝杠90转动；每个配重块80的中心螺纹孔，与丝杠90为螺纹连接，并由丝杆90驱动其运动，由滑轨11限定其运动轨道，使其只能沿滑轨移动，配重块80的重量由滑轨11承受，并传递到相应的吊梁上；两套由伺服电机51及减速箱52组成的驱动***，分别安装在上吊梁10和下吊梁20的一侧，驱动***与丝杠90相连，通过转动丝杠90来带动配重块80的滑动；上吊梁10和下吊梁20上与伺服电机51相对的一侧各安装有一个平衡块53，平衡块53质量与对应的伺服电机51及减速箱52的质量相当，用来抵消该伺服电机51及减速箱52的质量引起的自身不平衡。如图4所示，***的另一个重要部分是吊挂部分，主要是由两根水平翼梁30组成，可以是工字梁、或者其他截面形状的梁，它们分别安装在下吊梁20的两端部，并与下吊梁20水平正交，每根翼梁30两端均装有吊钩31，可与吊绳连接，用来吊挂载荷；一只吊耳40，安装在上吊梁10中央上，用来与天车吊钩相连。控制部分也是吊具***的重要组成部分，除了伺服电机51之外，如图3所示，还包括倾角传感器70和控制器60。倾角传感器70采用一维倾角传感器或二维倾角传感器；如果采用一维倾角传感器，则可以在上吊梁10上对称安装两个一维倾角传感器，在下吊梁20上对称安装两个一维倾角传感器70，分别检测一个方向的水平倾角即为吊梁顶面长度方向与水平面的倾角；如果采用二维倾角传感器，则采用两个二维倾角传感器70，可以分别对称地安装在上吊梁10上，在吊耳40附近，用来测量上吊梁10顶面及下吊梁20顶面的水平倾角；一只控制器60，安装在上吊梁10上，用于接收倾角传感器70传来的数据，由控制器60控制伺服电机51。

设定上吊梁10和下吊梁20的有效长度(即配重块80能够从吊梁的一端移动到吊梁的另一端的距离)分别为L₁、L₂，通过机械设计，使上吊梁10和下吊梁20的有效长度的中点分别位于上吊梁10和下吊梁20的中间位置，沿伺服电机51指向对应平衡块53的方向为正方向，设上吊梁10和下吊梁20中间位置为各自的零点位置。首先，通过定位用复位开关13，调节两伺服电机51移动两配重块80分别到达上吊梁10、下吊梁20上的零点位置处，此状态为***初始状态，以初始时刻的伺服电机51的编码器角度为参考零度角。然后，调节上吊梁10的伺服电机51驱动配重块80使之移动到+L₁/4位置，而保持下吊梁20的配重块80的位置不变，仍然在零点位置上，+L₁/4和零点这两个位置信息便以直角坐标(+L₁/4，0)的形式表示出了两配重块80的位置，并传递给控制器60，而倾角传感器70所测得的上吊梁10、下吊梁20的水平倾角也同时传递给了控制器60，从而可以根据力学平衡与几何约束条件，建立关于配重位置和吊梁水平倾角的数学方程，如下式，共两个。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Mz}\sin {\mathrm{\θ}}_1+[m_{x}X+\mathrm{Mr}\cos \mathrm{\α}]\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}=0\\ \mathrm{Mz}\sin {\mathrm{\θ}}_2+[m_{y}Y+\mathrm{Mr}\sin \mathrm{\α}]\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}=0\end{array}\right.$

其中，M为载荷的质量；z，r，α表示载荷质心的偏心位置的三个参数(如图5所示)；m_x，m_y，X，Y分别为两配重块80的质量及在两吊梁上的坐标位置；θ₁，θ₂分别为两吊梁的水平倾角。

上述方程表示了两配重块的位置与两吊梁的水平倾角的数学模型。但在该模型中，载荷质心的偏心位置的三个参数z，r，α都是未知的，需要先确定这三个参数。

因此驱动下吊梁20的伺服电机51，带动丝杠90转动，从而将下吊梁20的配重块80移动到+L₂/4处，同时保持上吊梁10的配重块80位置仍为+L₁/4，即两配重块的坐标为(+L₁/4，+L₂/4)，稳定后又可以根据倾角传感器70测得水平倾角θ₁，θ₂，从而又建立起关于配重位置和水平倾角θ₁，θ₂的两个数学方程。这样，联立这四个方程中的任意三个，便可以计算出载荷质心的偏心位置的三个参数z，r，α。如果需要进一步提高精度，可以将四个方程中的任意三个分别联立，共四次，然后将所得质心偏心位置的参数z，r，α取平均值。这样，在确定了载荷质心的偏心位置参数z，r，α之后，上述数学模型即确定了配重块位置与吊梁水平倾角之间的对应关系。因此，由该数学模型及求得的载荷质心的偏心位置参数，可以直接计算出使吊梁水平倾角为零时的两配重块的目标位置。为保证水平调节过程的稳定性，可以分两步调节：首先通过驱动上吊梁10的伺服电机51，调节上吊梁10的配重块80到达相应的目标位置，使得上吊梁10先达到水平状态，这样***的合成重心将出现在下吊梁20上；然后调节下吊梁20的伺服电机51，进一步调节下吊梁20的配重块80，使其到达其目标位置，实现下吊梁20的水平，从而保证吊梁表面的水平。

如果载荷质量不太大，以至于吊挂载荷所用的四根吊绳的伸长量相差不大，则可以近似认为当上下吊梁的表面都水平时，载荷的对接面也处于水平位置。

如果载荷质量很大，使得四根吊绳的伸长量很大且各不相同，那么会导致当两吊梁表面均水平时，载荷的对接面并不水平。这种情况下，由于吊绳长度的变化，使得***的几何约束关系变得更为复杂，必须在吊绳上安装力传感器来实时检测吊绳张力，以便建立起配重块位置和载荷对接面水平倾角之间的数学模型。

建立的方法是：如果可以在载荷对接面上直接安装倾角传感器或者测距仪，则可以通过倾角传感器或者测距仪获得或计算出载荷对接面与水平面的倾角；如果不允许在载荷对接面上安装传感器，则可以在目标对接台的附近安装测距仪，通过距离的差值计算出载荷对接面的水平倾角。由于这种情况下，四根吊绳的长度可以根据各自的力传感器计算出来，因而可以根据上述的调节方法，首先将两配重块移动到(+L₁/4，0)处，检测平衡后的倾角传感器的水平倾角，并根据力学平衡及几何约束条件，建立配重块位置与载荷对接面水平倾角的关系方程，共两个；然后将两配重块移动到(+L₁/4，+L₂/4)处，再次得出两个方程，联立其中任意三个方程并联立求解。如果需要进一步提高精度的话，可以将四个方程中的任意三个分别联立，共四次，然后将所得质心偏心位置参数取平均值。这样，便可以确立配重块位置和载荷对接面水平倾角之间的数学模型。由该数学模型，便可计算出使载荷对接面水平的配重块目标位置。随后，移动配重块到该目标位置，即可以将载荷对接面调节到水平状态。

Claims (6)

1、一种正交式水平自动调节吊具，其特征在于：

具有一上吊梁与一下吊梁相互正交放置，且上吊梁的底面与下吊梁的顶面固定连接，每根吊梁均由两根E型钢材通过联接件连接而成；

具有一吊耳，安装在上吊梁顶面的中部，用来与天车吊钩或吊索相连；

具有两根水平翼梁，其顶面分别固接在下吊梁的底面的两端部并与下吊梁水平正交；

具有四个吊钩分别位于两根水平翼梁底面的端部，可与吊绳连接，用来吊挂载荷；

具有两个配重块，上吊梁和下吊梁中各有一个配重块，每个配重块两侧有凹槽，中心有螺纹孔，与丝杆为螺纹连接；

具有两根丝杠，上吊梁和下吊梁中各有一根丝杠，丝杠穿过配重块的中心螺纹孔，一端通过轴承与吊梁相连接，另一端连接到减速箱的输出轴上；

具有两组滑轨，分别位于上吊梁与下吊梁本体的内部，由两根E型钢材的中间突出部构成；每组滑轨与相应吊梁中的配重块的两凹槽为滑动连接，滑轨用于承受配重块的重量，同时将配重块的重量传递到上吊梁和下吊梁上；丝杠与滑轨平行并带动配重块沿滑轨移动；

具有两定位用复位开关分别固接于上吊梁及下吊梁的内部中心位置；

具有两个伺服电机和两个减速箱，两个减速箱分别安装在上吊梁和下吊梁的一端部；每个伺服电机分别通过一个减速箱与丝杠相连；

具有两个平衡块分别安装在上吊梁和下吊梁的另一端部，用来抵消伺服电机及减速箱的质量引起的自身不平衡；

具有一控制器，安装在上吊梁上，用于接收二维倾角传感器传来的数据，并控制伺服电机；

具有两个二维倾角传感器，对称安装在上吊梁上，用来测量上吊梁的水平倾角和下吊梁的水平倾角。

2、如权利要求1所述的所述的正交式水平自动调节吊具，其特征在于：每根上吊梁和下吊梁都由两根E型钢材连接而成中空梁。

3、如权利要求2所述的所述的正交式水平自动调节吊具，其特征在于：每根E型钢材中间具有一突出部，两根E型钢材的中间突出部构成一组滑轨，并与配重块的两凹槽滑动连接。

4、一种用于正交式水平自动调节吊具的方法，其步骤如下：

步骤1：驱动两伺服电机，将两配重块分别移动到上吊梁、下吊梁的零点位置处，此状态为***初始状态，以初始时刻的伺服电机的编码器角度为参考零度角；

步骤2：驱动上吊梁的伺服电机，将上吊梁的配重块移动到指定位置，而保持下吊梁的配重块的位置不变，仍然在零点位置上；

步骤3：***稳定后，将二维倾角传感器所测得的上吊梁、下吊梁的水平倾角传递给控制器，并建立关于配重位置和吊梁水平倾角的两个数学方程；

步骤4：驱动下吊梁的伺服电机，将下吊梁的配重块移动到另一指定位置，同时保持上吊梁的配重块位置不变；

步骤5：稳定后，再次将二维倾角传感器测得吊梁水平倾角θ₁，θ₂传递给控制器，从而又建立起关于配重位置和吊梁水平倾角θ₁，θ₂的两个数学方程；

步骤6：联立这四个方程中的任意三个，便可以计算出载荷质心的偏心位置参数z，r，α，从而建立起配重位置与吊梁水平倾角的数学模型；

步骤7：由该数学模型及求得的载荷质心的偏心位置参数，可以直接计算出使吊梁水平倾角为零时的配重的目标位置；

步骤8：根据目标位置进行分步调节，从而保证调节过程的稳定和调节结果的精度。

5、如权利要求4所述的正交式水平自动调节吊具的方法，其特征在于：所述重心补偿是上吊梁和下吊梁由两根E型钢材通过联接件连接，在两根E型吊梁中安装有丝杠和定位用复位开关，每根吊梁中有一个配重块，配重块中间有螺纹孔和丝杠为螺纹连接，通过伺服电机和减速器驱动丝杠转动，带动配重块在滑轨上滑动，改变配重块相对于零点位置的力矩，实现载荷的水平调节。

6、如权利要求4所述的正交式水平自动调节吊具的方法，其特征在于：所述配重块位置和吊梁水平倾角满足的关系，如下所述：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Mz}\sin {\mathrm{\θ}}_1+[m_{x}X+\mathrm{Mr}\cos \mathrm{\α}]\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}=0\\ \mathrm{Mz}\sin {\mathrm{\θ}}_2+[m_{y}Y+\mathrm{Mr}\sin \mathrm{\α}]\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}=0\end{array}\right.$

其中，M为载荷的质量；z，r，α表示载荷质心的偏心位置的三个参数；m_x，m_y，X，Y分别为两配重块的质量及在上吊梁和下吊梁上的位置；θ₁，θ₂分别为两吊梁的水平倾角。

Images