CN108622804A - 变电阻式桥吊摆角测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变电阻式桥吊摆角测量装置，将吊绳的左右摆角信息转换成两滑轮之间两个硬质细绳的传动位移信息，通过在硬质细绳之间设计一个半径与吊绳相等的圆环，让吊绳的左右摆动带动两硬质细绳在滑轮上的传动。通过轻质摆架精确地将吊绳的前后摆动转换成摆架中心轴的转动。绑有等分布电阻导线的圆盘可以将吊绳的前后摆动转换为圆环的转动，进而表现为电阻阻值的变化，最终通过计算得到圆盘的转动角度，即吊绳的前后摆角。本发明具有结构简单，精确性高，维护方便，造价低廉的优点。

Description

变电阻式桥吊摆角测量装置

技术领域

本发明涉及桥吊摆角测量装置，特别涉及一种变电阻式双起升双吊具桥吊摆角测量装置。

背景技术

现在各个港口码头的年吞吐量都在急剧增加，为了扩大港口集装箱的运载速度和效率，单一增加港口泊位是远远达不到输送需求的。为此，相较于传统的单吊具桥吊，提出了一种双起升双吊具桥吊装置，它可以同时运载两个集装箱，大大提高了装卸效率。桥吊控制***的控制任务主要在抑制负载摆动的情况下实现小车的位置移动，而为了提高桥吊的运载效率，桥吊控制***的任务扩展到实现双吊具甚至多吊具的同步控制。

然而，现在的一些大型港口很多还是单起升场桥***，对它的一些控制主要还是基于吊桥操作人员的目测和手动控制。由于小车负载的惯性再加上一些外界环境如风力的扰动，会使吊绳产生摇摆，这种摆动不但对集装箱的运行效率有很大的影响，而且还存在极大的安全隐患。因此需要设计相应的控制器来抑制吊绳的摆动。

而抑制摆动的方法有多种，传统的方法大多数是基于机械防摇装置，这种机械防摇一般是通过机械手段来消耗摆动的能量以达到最终减小摆动的目的。但是这种防摇结构比较复杂，可靠性差、维修开销大，防摇效果也比较差。现在还有一些港口的防摇设备采用了电子防摇装备，电子防摇的基础是要获取吊绳的精确摆角，这也是防摇控制的一个关键问题。

目前摆角检测装置大多数可分为接触式检测和非接触型检测。现有的一种接触式检测装置主要是通过吊绳摆动带动摆架转动，再在相应的摆角编码器上进行测量，但是这种检测装置的准确性不高，尤其是当摆角比较小时，不易检测出小的摆角信息。非接触式检测装置常通使用激光角度仪，此类仪器角对工作环境要求较高，价格昂贵，分辨率不高，易受干扰。

此外，基于机械防摇或电子防摇的装置都不是自动化场桥控制***，所以对负载摆动控制的效率不高且实时性也不强。而对于场桥***的自动化控制，虽然也提出了一些基于C和PLC的一些单起升场桥控制方案，但是这些方案的检测单元采用了一些比较诸如速度传感器、角度传感器和摄像头等检测装置，这些检测装置不仅价格昂贵、使用困难、精度不高，而且对环境要求比较高，抗外界干扰能力差。这些因素对负载的摆角检测都有很大的影响。

并且，现有的桥吊检测装置基本上都是针对单吊具桥吊设计的，由于新型桥吊具有两个可以单独起升的吊具，所以上面提到的摆角检测装置很难分别同时测出它们的摆角。

发明内容

本发明涉及一种变电阻式桥吊摆角测量装置，适用于双吊具桥吊或多吊具桥吊，可以将吊绳的三维摆角信息转换为两个导线电阻阻值的变化信息，根据相应的电路原理分别得到吊绳左右方向导线的变化位移和前后方向圆盘的变化弧长。本发明具有结构简单，精确性高，维护方便，造价低廉等优点。

为了达到上述目的，本发明提供一种变电阻式桥吊摆角测量装置，在桥式吊车的小车机构处设置有摆角检测装置，其中：

一个绝缘硬质细绳的两端与一个第一电阻等分布式导线的两端相应连接后绕在两个滑轮上；所述绝缘硬质细绳与第一电阻等分布式导线相连的其中一端设有圆环，上端与吊具起升电机转轴连接的吊绳穿过圆环的小孔后通过吊具连接负载；

所述第一电阻等分布式导线两端的端口，固定有可随该第一电阻等分布式导线的传动而移动的第一引出线和第三引出线；与所述第一电阻等分布式导线滑动接触但不随其传动而移动的第二引出线，固定在其中一个滑轮的边缘；通过第一引出线和第三引出线外接恒定电压源为第一电阻等分布式导线提供恒定电压，通过第一引出线和第二引出线来检测电压值。

可选地，所述摆角检测装置中，轻质摆架的顶部与中心轴连接，所述中心轴一侧固定有轻质的圆盘；两个所述滑轮的中心固定在轻质摆架底部的两个端口处，吊绳的摆动得以通过轻质摆架带动中心轴的转动，进而带动圆盘的转动；

所述圆盘一半的边缘上绑定了可随圆盘转动的第二电阻等分布式导线；第二电阻等分布式导线两端的端口，固定有可随圆盘转动而移动的第四引出线和第六引出线；与所述第二电阻等分布式导线滑动接触但不随圆盘转动而移动的第五引出线，通过与固定杆的连接而定位在圆盘的边缘；通过第四引出线和第六引出线外接恒定电压源为所述第二电阻等分布式导线提供恒定电压，通过第四引出线和第五引出线来检测电压值。

可选地，其中一个滑轮的外侧固定有不会移动的第一导电环套来与第二引出线相连接，所述第一电阻等分布式导线从第一导电环套中穿过；在吊绳左右摆动时，第一电阻等分布式导线在滑轮之间传动，并与第一导电环套产生滑动接触。

可选地，所述固定杆上固定有第二导电环套，其定位于圆盘的边缘，第二电阻等分布式导线从所述第二导电环套中穿过；当圆盘转动时，所述第二电阻等分布式导线与第二导电环套滑动接触。

可选地，所述圆环小孔的半径与吊绳半径相等。

可选地，通过信号处理装置接收从第一引出线和第二引出线检测到的电压，来求取吊绳在左右方向的摆角θ₁：

其中，吊具起升电机转轴距离两个滑轮之间的绝缘硬质细绳、第一电阻等分布式导线的高度为H₁；

向第一引出线和第三引出线提供的恒定电压为U；

平衡状态下从第一引出线和第二引出线检测到的电压为

平衡状态下第一引出线和第二引出线之间的电阻长度为L₁；

吊绳左右摆动时从第一引出线和第二引出线检测到的电压为

吊绳左右摆动时第一引出线和第二引出线之间的电阻长度为

。

可选地，通过信号处理装置接收从第四引出线和第五引出线检测到的电压，来求取吊绳在前后方向的摆角θ₂：

圆盘的半径R；

向第四引出线和第六引出线提供的恒定电压为U；

平衡状态下从第四引出线和第五引出线检测到的电压为

平衡状态下第四引出线和第五引出线之间的电阻长度为

吊绳前后摆动时从第四引出线和第五引出线检测到的电压为

平衡状态下第四引出线和第五引出线之间的电阻长度为

。

可选地，信号处理装置根据吊绳在左右方向的摆角θ₁、在前后方向的摆角θ₂，来求取吊绳的三维摆角θ：

。

可选地，所述信号处理装置进一步包含：

两个输入端口，分别接收从第一引出线和第二引出线检测到的第一电压信号，和从第四引出线和第五引出线检测到的第二电压信号；

信号接收及处理单元，对连续的输入信号进行类型转换，输出与第一电压信号或第二电压信号相对应的电压数字信号；

摆角处理单元，根据第一电压信号对应的电压数字信号进行吊绳左右方向摆角的计算，根据第二电压信号对应的电压数字信号进行吊绳前后方向摆角的计算，以及对吊绳的三维摆角进行计算；

信号输出单元，将摆角处理单元运算得到的信号量通过信号处理装置的输出端口输送到桥吊防摇装置和/或驾驶室工作台处的显示器。

可选地，桥式吊车设有一个、或两个、或两个以上的吊具起升电机，通过各自对应的吊绳及吊具来连接相应的负载；所述变电阻式桥吊摆角测量装置对每个吊绳设置有相应的摆角检测装置。

本发明提供一种变电阻式桥吊摆角测量装置，根据电阻阻值与电阻长度的比值关系来确定相应的位移，具体地说，就是吊绳的摆动可以分别带动所设计装置滑轮上的导线传动和该装置上圆盘的转动，而导线传动的距离和圆盘转动的距离都是通过电阻的阻值来进行判断的，从而可以得到吊绳的三维摆角信息。该摆角信息可以显示在桥吊驾驶室的人机界面上，供集装箱起重机操作员的参考，从而提高操作员的工作质量和工作效率并且减轻工作负担。

本发明的结构装置十分简单且灵巧，易于搭建，成本低廉且方便维护。同时，本发明采用的变电阻式检测位移的原理基本上不受外界环境干扰，精确性高，所以基本上完全克服了现有技术存在的一些问题。并且，本发明设计的结构不仅可以检测单吊具场桥的三维摆角，而且还可以检测双吊具甚至多吊具场桥的三维摆角。

附图说明

图1为基于变电阻式双起升双吊具桥吊摆角测量装置整体结构示意图。

图2为摆角测量装置放大图。

图3为旋转圆盘局部放大图。

图4为左右摆角检测装置结构图以及滑轮部分放大图。

图5为三维摆角的分解图。

图6为双吊具桥吊摆角测量流程图。

图7为信号处理装置的组成结构图。

具体实施方式

以下结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，双起升双吊具桥吊中，包含桥式吊车1，大车机构2，小车机构3，摆角检测装置4，吊绳5，负载6，信号处理装置7。所述信号处理装置7主要用来接收和处理摆角检测装置4从两处测得的电压信号，同时包括对两个方向摆角的计算及合成运算，具体的功能在下文摆角的计算及合成过程中详述。

图2中，以单个吊具为例，展示了摆角检测装置4的详细构造。其中，轻质摆架11顶部的两端与中心轴10连接，所述中心轴10处固定有圆盘8(更为具体的局部图见图3所示)，可以与中心轴10一起转动；轻质摆架11底部的两端分别与两个滑轮14连接，使滑轮14的中心固定在轻质摆架11的端口处。

绝缘硬质细绳15和电阻等分布式导线16的两端相应连接后绕在两个滑轮14上；所述电阻等分布式导线16也是硬性材质，其导线长度不会被拉伸。绝缘硬质细绳15和电阻等分布式导线16相连的其中一端设有圆环13，圆环13小孔的半径与吊绳半径相等；吊绳5上端与吊具起升电机转轴12连接，吊绳5穿过圆环13的小孔后通过吊具连接负载6；吊绳5的摆动可以通过轻质摆架11带动中心轴10的转动，进而带动圆盘8的转动。

如图3所示，圆盘8的中心固定在中心轴10上，该圆盘8为轻质圆盘，在其一半的边缘上绑定了另一根电阻等分布式导线23，该导线可以跟着圆盘8一起转动。圆盘8旁设置有固定杆9，主要用来固定电阻等分布式导线23的一个引出线(下文详述)。对应圆盘8边缘的一处，设置有导电环套24，其固定在固定杆9上，使电阻等分布式导线23从该导电环套24中穿过，当圆盘8转动时，绑定在圆盘8边缘的电阻等分布式导线23可以与导电环套24滑动接触。

电阻导线的引出线17、18、19、20、21、22，它们的电阻阻值可以忽略不计。其中，引出线19和22为圆盘8上电阻等分布式导线23两端的引出线，固定在该电阻等分布式导线23的端口，外接恒定电压源为整个电阻等分布式导线23提供恒定的电压U；引出线19和22可以随着圆盘的转动而移动。电阻等分布式导线23上的另一引出线20，通过固定杆9定位在圆盘8的一处。

引出线17和21，固定在电阻等分布式导线16两端的端口，可以随着该电阻等分布式导线16的传动而移动。电阻等分布式导线16的另一引出线18，固定在其中一个滑轮14边缘的一处，具体的固定方式见图4所示。恒定电压源通过引出线17和21为电阻等分布式导线16提供恒定电压U，同时通过引出线17和18来检测电压值。

在图4中可以清楚地看到吊绳5与滑轮14上绝缘硬质细绳15的连接方式，以及绝缘硬质细绳15与两滑轮14之间的连接方式。一滑轮14上的导电环套25，固定在该滑轮14的外侧，不会发生任何的移动，与引出线18相连接，电阻等分布式导线16从中穿过。当吊绳5左右摆动时，电阻等分布式导线16会在滑轮14之间传动，此时电阻等分布式导线16会与导电环套25产生滑动接触。

图6为双吊具桥吊摆角测量流程图。假设吊具a和吊具b分别为同一双吊具小车上的两个吊具。双吊具桥吊工作时，首先由驾驶室发出工作指令信号，大车机构2和小车机构3开始运转，两个吊具上的吊绳5开始摆动，信号处理装置7开始接收引出线17和18、19和20之间的电压，并通过相应的计算得到两个吊具上吊绳5的摆角值θ₁和θ₂，所得到的摆角值可以输送到桥吊防摇装置上或驾驶室工作人员的显示屏上。

如图7所示，信号处理装置7主要包含信号接收及处理单元26、摆角处理单元27和信号输出单元28。信号处理装置7的输入端口29、30，输出端口31。

各个单元的具体情况如下：

信号接收及处理单元26是一个转换单元，其功能是对连续的输入信号进行类型转换(比如A/D转换)，其输入端口接收的是输入端口29、30对应的引出线17和18、19和20之间的电压信号(该信号为弱信号)，输出端口输出稳定的电压数字信号。该转换单元包含信号滤波器、A/D转换器、存储单元、I/O总线单元和电源***。

摆角处理单元27是一个运算单元，其功能是对接收的信号进行相应的运算，该运算主要包含两个方面，一是对吊绳的前后摆角和左右摆角进行计算，二是对前后摆角和左右摆角进行合成，变成吊绳的三维摆角，具体的运算步骤在下文可见。摆角处理单元27的输入端口与信号接收及处理单元26的输出接口相连，即对转换后的数字电压信号进行运算。该摆角处理单元27包含信号调理单元、CPU单元、存储单元、I/O接口和电源***，信号调理单元主要用来对弱的电压信号进行放大，使它成为CPU可以处理的信号。而CPU作为整个单元的核心，分别对摆角的计算与合成设计了不同的算法，具体的算法也在运算步骤中说明。

信号输出单元28是一个传送单元，其功能是将摆角处理单元27运算得到的信号量通过信号处理装置7的输出端口31输送到一些外接设备上，如工作台显示器上或特定的防摇装置的输入端口。该传送单元主要包含功率放大器、I/O接口和电源。

首先，对于吊绳5的左右摆角计算，已知吊具起升电机转轴12距两个滑轮14之间绝缘硬质细绳15、电阻等分布式导线16的高度为H₁，当给引出线17和21提供恒定电压U后，平衡状态下引出线17和固定在滑轮边界的引出线18的电压为U₁(由电阻分压原理可知)，其两端的电阻长度为L₁，当吊绳5左右摆动时，设信号处理装置7检测到的电压信号为则根据电路原理可知，设摆动时两引出线17、18端口之间的电阻长度为

由上式可以得到在经过相应的运算即可求得吊绳5的左右摆角θ₁：

其中当θ₁为正时，表示吊绳5向左摆θ₁度；当θ₁为负时，表示吊绳5向右摆θ₁度。

而对于吊绳5的前后摆角计算，已知圆盘8的半径为R，当给引出线19和22提供恒定电压U后，平衡状态下引出线19和固定在固定杆9上引出线20的电压为U₂ 其两端的电阻长度为L₂(该结构下的L₂等于)，当吊绳5前后摆动时，设信号处理装置7检测到的电压信号为则根据电路原理可知，设摆动时两引出线19、20端口之间的电阻长度为

由上式可以得到在经过相应的运算即可求得圆盘的转动角度即吊绳5的前后摆角θ₂：

其中当θ₂为正时，表示吊绳5向前摆θ₂度；当θ₂为负时，表示吊绳5向后摆θ₂度。

如图5所示，对于整个吊绳5的三维摆角，可以分别通过左右方向和前后方向的摆角合成而得来。由三角函数定理可知，吊绳5的三维摆角θ：

综上所述，本发明将吊绳5的左右摆角信息转换成两滑轮14之间两硬质细绳的传动位移信息，通过在硬质细绳之间设计一个半径与吊绳5相等的圆环13，进而让吊绳5的左右摆动来带动两硬质细绳在滑轮14上的传动。同时，由于两端用滑轮14进行传送，所以两硬质细绳传动时的所受的摩擦力很小，进而保证了检测的精度。

本发明设计的轻质摆架11可以精确地将吊绳5的前后摆动转换成摆架中心轴10的转动。绑有等分布电阻导线21的圆盘8可以将吊绳5的前后摆动转换为圆环8的转动，进而表现为电阻阻值的变化，最终通过计算得到圆盘8的转动角度，即吊绳5的前后摆角。

本发明分别在固定杆9和滑轮14上固定了一个导电环套22、23，使得它们可以与电阻导线滑动接触。从而可以直接地将两硬质细绳的位移信息和圆盘8的转动信息转变为电阻的阻值大小。

本发明选用的硬质细绳可以在吊绳5发生前后摆动时，在细绳不出现拉伸的情况下，直接通过吊绳5给圆环13一个带动细绳15、16摆动的力，确保了检测的准确性。

本发明所设计的信号处理装置7所含的各种信号处理单元可以直接将测得的电压信号转换为吊绳5的摆角信息。

本发明可以适用于双吊具桥吊，也可以推广到多吊具桥吊上使用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种变电阻式桥吊摆角测量装置，其特征在于，在桥式吊车的小车机构处设置有摆角检测装置，其中：

一个绝缘硬质细绳的两端与一个第一电阻等分布式导线的两端相应连接后绕在两个滑轮上；所述绝缘硬质细绳与第一电阻等分布式导线相连的其中一端设有圆环，上端与吊具起升电机转轴连接的吊绳穿过圆环的小孔后通过吊具连接负载；

所述第一电阻等分布式导线两端的端口，固定有可随该第一电阻等分布式导线的传动而移动的第一引出线和第三引出线；与所述第一电阻等分布式导线滑动接触但不随其传动而移动的第二引出线，固定在其中一个滑轮的边缘；通过第一引出线和第三引出线外接恒定电压源为第一电阻等分布式导线提供恒定电压，通过第一引出线和第二引出线来检测电压值。

2.权利要求1所述的变电阻式桥吊摆角测量装置，其特征在于，

所述摆角检测装置中，轻质摆架的顶部与中心轴连接，所述中心轴一侧固定有轻质的圆盘；两个所述滑轮的中心固定在轻质摆架底部的两个端口处，吊绳的摆动得以通过轻质摆架带动中心轴的转动，进而带动圆盘的转动；

所述圆盘一半的边缘上绑定了可随圆盘转动的第二电阻等分布式导线；第二电阻等分布式导线两端的端口，固定有可随圆盘转动而移动的第四引出线和第六引出线；与所述第二电阻等分布式导线滑动接触但不随圆盘转动而移动的第五引出线，通过与固定杆的连接而定位在圆盘的边缘；通过第四引出线和第六引出线外接恒定电压源为所述第二电阻等分布式导线提供恒定电压，通过第四引出线和第五引出线来检测电压值。

3.权利要求1所述的变电阻式桥吊摆角测量装置，其特征在于，

其中一个滑轮的外侧固定有不会移动的第一导电环套来与第二引出线相连接，所述第一电阻等分布式导线从第一导电环套中穿过；在吊绳左右摆动时，第一电阻等分布式导线在滑轮之间传动，并与第一导电环套产生滑动接触。

4.权利要求2所述的变电阻式桥吊摆角测量装置，其特征在于，

所述固定杆上固定有第二导电环套，其定位于圆盘的边缘，第二电阻等分布式导线从所述第二导电环套中穿过；当圆盘转动时，所述第二电阻等分布式导线与第二导电环套滑动接触。

5.权利要求1所述的变电阻式桥吊摆角测量装置，其特征在于，

所述圆环小孔的半径与吊绳半径相等。

6.权利要求1或2所述的变电阻式桥吊摆角测量装置，其特征在于，

通过信号处理装置接收从第一引出线和第二引出线检测到的电压，来求取吊绳在左右方向的摆角θ₁：

其中，吊具起升电机转轴距离两个滑轮之间的绝缘硬质细绳、第一电阻等分布式导线的高度为H₁；

向第一引出线和第三引出线提供的恒定电压为U；

平衡状态下从第一引出线和第二引出线检测到的电压为

平衡状态下第一引出线和第二引出线之间的电阻长度为L₁；

吊绳左右摆动时从第一引出线和第二引出线检测到的电压为

吊绳左右摆动时第一引出线和第二引出线之间的电阻长度为

。

7.权利要求6所述的变电阻式桥吊摆角测量装置，其特征在于，

通过信号处理装置接收从第四引出线和第五引出线检测到的电压，来求取吊绳在前后方向的摆角θ₂：

圆盘的半径R；

向第四引出线和第六引出线提供的恒定电压为U；

平衡状态下从第四引出线和第五引出线检测到的电压为

平衡状态下第四引出线和第五引出线之间的电阻长度为

吊绳前后摆动时从第四引出线和第五引出线检测到的电压为

平衡状态下第四引出线和第五引出线之间的电阻长度为

。

8.权利要求7所述的变电阻式桥吊摆角测量装置，其特征在于，

信号处理装置根据吊绳在左右方向的摆角θ₁、在前后方向的摆角θ₂，来求取吊绳的三维摆角θ：

。

9.权利要求8所述的变电阻式桥吊摆角测量装置，其特征在于，

所述信号处理装置进一步包含：

两个输入端口，分别接收从第一引出线和第二引出线检测到的第一电压信号，和从第四引出线和第五引出线检测到的第二电压信号；

信号接收及处理单元，对连续的输入信号进行类型转换，输出与第一电压信号或第二电压信号相对应的电压数字信号；

摆角处理单元，根据第一电压信号对应的电压数字信号进行吊绳左右方向摆角的计算，根据第二电压信号对应的电压数字信号进行吊绳前后方向摆角的计算，以及对吊绳的三维摆角进行计算；

信号输出单元，将摆角处理单元运算得到的信号量通过信号处理装置的输出端口输送到桥吊防摇装置和/或驾驶室工作台处的显示器。

10.权利要求1-9中任一项所述的变电阻式桥吊摆角测量装置，其特征在于，桥式吊车设有一个、或两个、或两个以上的吊具起升电机，通过各自对应的吊绳及吊具来连接相应的负载；所述变电阻式桥吊摆角测量装置对每个吊绳设置有相应的摆角检测装置。