CN108675137B - 基于滑动变阻器的桥吊摆角测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于滑动变阻器的桥吊摆角测量装置及测量方法，至少两个摆角检测装置设置在小车驱动机构上，分别与吊具的吊绳接触，用于测量因吊绳摆动而引起的电阻变化值，至少两个信号处理装置一对一的电性连接摆角检测装置，用于将摆角检测装置输出的模拟信号放大整形并转换为数字信号，摆角合成计算机电性连接信号处理装置，用于根据电阻变化值的大小对信号处理装置输出的数字信号进行计算得到摆角信息。本发明结构简单，检测精确度高，使用寿命长，造价低廉，抗干扰性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于滑动变阻器的桥吊摆角测量装置及测量方法。
背景技术
双吊具桥式吊车是一种新型的港口集装箱场地起重设备，它具有两个起升吊具，一次可以吊起两个四十英尺或者四个二十英尺的集装箱，与传统的单吊具桥吊相比，大幅度的提高了集装箱的装卸效率，但是由于这种大跨距双起升双吊具桥吊的结构复杂，工作方式多样且存在耦合性，而且现实环境中存在着风力再加上小车的运动会使得吊绳产生摇摆，这给吊具摆角的检测带来了很大的难度。
桥吊防摇控制的关键问题之一就是对摆角的检测，而现有的桥吊摆角检测装置大都针对单吊具桥吊设计，这些检测装置大致可以分为接触式和非接触式测量。现有的一种接触式摆角检测装置是运用轻质摆架带动一个码盘旋转，这样的测量方法精确度不高，影响测量的效果，并且检测元件易磨损，维护不便。非接触式摆角检测装置常使用激光角度仪，此类仪器角对工作环境要求较高，价格昂贵。同时，现有的桥式吊车操作员往往通过肉眼观察吊具及负载来获得其摆动情况，准确性低且存在安全隐患，影响工作效率及工作质量。
现有的桥吊摆角检测装置从结构、功能上来看，都是针对单吊具桥吊设计的，而大多单吊具桥吊摆角检测装置不适合解决双吊具桥吊的摆角检测问题。
发明内容
本发明提供一种基于滑动变阻器的桥吊摆角测量装置及测量方法，结构简单，检测精确度高，使用寿命长，造价低廉，抗干扰性强。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于滑动变阻器的桥吊摆角测量装置，包含：
至少两个摆角检测装置，其设置在小车驱动机构上，分别与吊具的吊绳接触，用于测量因吊绳摆动而引起的电阻变化值；
至少两个信号处理装置，其一对一的电性连接摆角检测装置，用于将摆角检测装置输出的模拟信号放大整形并转换为数字信号；
摆角合成计算机，其电性连接信号处理装置，用于根据电阻变化值的大小对信号处理装置输出的数字信号进行计算得到摆角信息。
所述的摆角检测装置包含：
轻质摆架，该轻质摆架的一侧为导电材料形成的导电侧，另一侧为绝缘材料形成的绝缘侧，导电侧和绝缘侧之间设置一个方形导体，吊绳穿过方形导体中的通孔，方形导体可沿导电侧和绝缘侧之间滑动，该轻质摆架的绝缘一端连接由导电材料形成的轻质指针，轻质指针与半圆形电阻接触；
方形导体与轻质摆架的导电侧和绝缘侧组成第一滑动变阻器，当吊绳移动时，吊绳带动方形导体在轻质摆架中滑动，第一滑动变阻器的电阻值产生变化；
轻质指针与半圆形电阻组成第二滑动变阻器，轻质摆架的转动带动导电指针的转动，导电指针在半圆形电阻上移动引起第二滑动变阻器的电阻值的变化。
所述的摆角检测装置还包含：约束管，其套设在吊绳上，使得吊绳的摆角测量从约束管的最低点开始测量，从而使得测量的角度范围为
本发明还提供一种基于滑动变阻器的桥吊摆角测量方法，包含以下步骤：
步骤S1、摆角检测装置检测与其对应的吊具的吊绳摆动所引起的电阻值变化，将电阻变化值发送给信号处理装置；
步骤S2、信号处理装置将摆角检测装置输出的模拟信号放大整形并转换为数字信号；
步骤S3、摆角合成计算机根据电阻变化值的大小对信号处理装置输出的数字信号进行计算得到摆角信息。
所述的步骤S1中，检测电阻变化值的方法包含：
吊绳在平行于轻质摆架方向上的摆动带动方形导体在轻质摆架中滑动，引起第二滑动变阻器的电阻值发生变化；
吊绳在垂直于轻质摆架方向上的摆动引起轻质摆架转动，轻质摆架转动带动导电指针转动，导电指针在半圆形电阻上移动引起第一滑动变阻器的电阻值发生变化；
实时获取第一滑动变阻器和第二滑动变阻器的电阻变化值。
所述的步骤S3中，根据电阻变化值计算摆角的方法包含：
步骤S3.1、分别计算平行于轻质摆架方向上的摆角θy和垂直于轻质摆架方向上的摆角θx；
其中，ΔR为电阻变化值，k为定常数，rx为半圆形电阻的半径，ry为轻质摆架的半径；
步骤S3.2、合成摆角分量得到摆角值θ；
本发明采用先进电子技术，能应用在极恶劣的工业环境中，不易受外部条件的影响，因此提高了检测的可靠性和装置的使用寿命；敏感材料非接触，不断重复检测的过程中不会对其造成任何机械磨损；而且是实时检测，具有环境适应性强、装置使用寿命长、检测精度高等优点。解决了双起升双吊具桥式吊车摆动角度方向与大小的检测、摆角信息处理及显示问题。双吊具桥式吊车运用摆角检测装置，将得到的电信号经过处理和计算得到吊绳的摆动角度和摆动方向问题，这些数据可以作为桥吊防摇***的反馈信息，也可以直观出到操作室的显示屏，给驾驶员作为运作参考。本发明不仅可为桥吊操作员的操作提供摆角参考信息，还可为单吊具和双吊具桥吊的防摇定位控制提供准确的反馈信息。以本发明为基础，可以推广到多吊具的防摇工作。
附图说明
图1是基于滑动变阻器的桥吊摆角测量装置的整体安装结构示意图。
图2是摆角检测装置的结构示意图。
图3是轻质摆架的局部俯视图。
图4是轻质指针与半圆形电阻的局部示意图。
图5是基于滑动变阻器的桥吊摆角测量方法的流程图。
图6是桥吊摆角合成图。
具体实施方式
以下根据图1～图6，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，以双吊具桥吊为例，大车驱动机构4驱动桥吊大车3移动，桥吊小车机构1设置在桥吊大车3上，小车驱动机构2驱动桥吊小车机构1移动，桥吊驾驶舱10设置在桥吊大车3上，吊具起升电机5设置在桥吊小车机构1上，负责吊具与负载的升降运动，第一吊具7和第二吊具8分别通过吊绳12连接吊具起升电机5的电机转轴15(如图2所示)，用于起吊集装箱，这两个吊具可以互锁工作，也可以独立工作。
如图1所示，本发明提供一种基于滑动变阻器的桥吊摆角测量装置，包含：
两个摆角检测装置11，其设置在小车驱动机构2上，分别与第一吊具7和第二吊具8的吊绳12接触，用于测量因吊绳摆动而引起的电阻变化值；
两个信号处理装置13，其分别电性连接摆角检测装置11，用于将摆角检测装置11输出的模拟信号放大整形并转换为数字信号；
摆角合成计算机9，其电性连接信号处理装置13，用于根据电阻变化值的大小对信号处理装置13输出的数字信号进行计算得到摆角信息。
如图2所示，所述的摆角检测装置11包含：
轻质摆架16，该轻质摆架16的一侧为导电材料形成的导电侧19，另一侧为绝缘材料形成的绝缘侧20，导电侧19和绝缘侧20之间设置一个方形导体21，吊绳12穿过方形导体21中的通孔，方形导体21可沿导电侧19和绝缘侧20之间滑动，该轻质摆架16的绝缘一端连接由导电材料形成的轻质指针17，轻质指针17与半圆形电阻18接触。
如图3所示，方形导体21与轻质摆架16的导电侧19和绝缘侧20组成第一滑动变阻器，当吊绳12移动时，吊绳12带动方形导体21在轻质摆架16中滑动，检测此时第一滑动变阻器的电阻值的变化，将电阻的变化值通过信号处理装置13传送给摆角合成计算机9可以得到实时检测轻质摆架16摆动角度的大小。
如图4所示，轻质指针17与半圆形电阻18组成第二滑动变阻器，轻质摆架16的转动会带动导电指针17的转动，导电指针17在半圆形电阻18上移动引起第二滑动变阻器的电阻值的变化，检测此时第二滑动变阻器的电阻值的变化，将电阻的变化值通过信号处理装置13传送给摆角合成计算机9可以得到实时检测轻质摆架16摆动角度的大小。
如图2所示，吊具起升电机5驱动吊具起升电机转轴15转动，使连接在电机转轴15上的吊绳12进行收放，进而实现负载或吊具的升降。约束管22套设在吊绳12上，使得吊绳的摆角测量从约束管22的最低点开始测量，这样使得测量的角度范围为
所述的信号处理装置13包含CPU、存储器、信号处理电路以及I/O接口等部件，其中CPU与存储器和信号处理电路连接，I/O接口电路与信号处理电路连接，信号处理电路可以同时处理两路信号。信号处理装置13将摆角检测装置11送来的与x、y坐标轴对应的两路信号(作为一组信号)分别进行前置放大、整形滤波和A/D转换，将转换得到的数字信号送给摆角合成计算机9进行进一步的分析处理。本实施例中，信号处理装置13可以同时处理两组信号。
所述的摆角合成计算机9接收与两个吊具各自对应的信号处理装置13传来的数字信号，并按照电阻值的变化大小对信号进行相应的处理测算，最终获取摆角信息。第一吊具7和第二吊具8各自的摆角信息由信号处理装置13分别采用不同的串行通信接口接入到摆角合成计算机9，摆角合成计算机9根据信号输入信号的串口不同来判断计算出的摆角信息来自哪个吊具，将所得摆角信息传输至驾驶室10内的桥吊显示器，为桥吊驾驶员的操作提供参考，还可以反馈至桥吊防摇/同步控制器作为控制参考信息。
本发明可以推广应用到多吊具桥吊，只需要根据吊具的数量匹配摆角检测装置11和信号处理装置13即可，保证每一个吊具匹配一个摆角检测装置11和信号处理装置13。
如图5所示，本发明还提供一种基于滑动变阻器的桥吊摆角测量方法，包含以下步骤：
步骤S1、摆角检测装置检测与其对应的吊具的吊绳摆动所引起的电阻值变化，将电阻变化值发送给信号处理装置；
步骤S2、信号处理装置将摆角检测装置输出的模拟信号放大整形并转换为数字信号；
步骤S3、摆角合成计算机根据电阻变化值的大小对信号处理装置输出的数字信号进行计算得到摆角信息。
所述的步骤S1中，所述的检测电阻变化值的方法包含：
吊绳在平行于轻质摆架方向上的摆动带动方形导体在轻质摆架中滑动，引起第二滑动变阻器的电阻值发生变化；
吊绳在垂直于轻质摆架方向上的摆动引起轻质摆架转动，轻质摆架转动带动导电指针转动，导电指针在半圆形电阻上移动引起第一滑动变阻器的电阻值发生变化；
实时获取第一滑动变阻器和第二滑动变阻器的电阻变化值。
所述的步骤S3中，根据电阻变化值计算摆角的方法包含：
步骤S3.1、分别计算平行于轻质摆架方向上的摆角θy和垂直于轻质摆架方向上的摆角θx；
其中，ΔR为电阻变化值，k为定常数，rx为半圆形电阻的半径，ry为轻质摆架的半径；
步骤S3.2、合成摆角分量得到摆角值θ；
在本发明的实施例中，以双吊具桥吊为例，基于滑动变阻器的桥吊摆角测量方法具体工作过程如下：
1、在安装摆角检测装置11时，需要对各个部件进行初始位置信息设定，以此为初始参考位置，设定过程如下：在桥吊小车机构1尚未运动的情况下，双吊具桥吊的第一吊具7和第二吊具8自然下垂，此时吊绳12无任何摆角，此时信号处理装置13接收到两组摆角检测装置11传来的电阻值作为摆角计算的初始参考值，此时的摆角为0。
2、驾驶室10向双吊具桥吊发出运行指令，桥吊根据不同运行指令控制第一吊具7和第二吊具8的运行，由于桥吊小车机构1的运动带动各自的吊绳12发生摆动。
3、如图2所示，当吊绳只在y轴方向摆动时，吊绳从初始竖直位置向y正方向摆动时，吊绳12带动方形导体21向y轴正方向移动(此时轻质摆架16保持不动)，此时的信号处理装置13获得的电阻值减小；同理，吊绳12向y负方向摆动时，方形导体21往y轴负方向移动导致信号处理装置13获得的电阻值变大。电阻值的变化经过计算得到对应的角度变化和摆动方向，进而计算得出y轴轴向的摆角值。
当吊绳只在x轴方向摆动时，吊绳从初始竖直位置向x轴正方向摆动时，吊绳带动y轴向的轻质摆架16向x轴正方向摆动(此时方形导体21保持不动)，摆架的摆动带动导电指针17摆动，进而导致电阻值变小；同理，吊绳向x负方向摆动时，带动y轻质摆架向x负方向摆动，导致电阻值增大。电阻值的变化经过计算得到对应的角度变化和摆动方向，进而计算得出x轴轴向的摆角值。
当吊绳在任意方向摆动时，吊绳的摆动会同时带动轻质摆架16产生摆动和方形导体21的移动，得到相对的电阻值的变化，得到吊绳12在各个方向上的角度和方向，将x轴、y轴向各自的运动方向进行合成即为吊具摆角的运动方向，将x轴、y轴各自分量上的摆角值进行合成即为吊具的摆角值。
驾驶室10发出桥吊运行指令的同时，信号处理装置13接收由摆角检测装置11发来的两路吊绳摆动的信号，将信号经过放大、A/D转换后通过计算机串口送入摆角合成计算机9处理，通过摆角合成计算机9进行计算可以实时检测到摆角的位置及大小。
根据公式
得知，电阻大小与电阻的长度有关，且成线性关系，进而简化为R＝kΔR，下面推出电阻值的变化与角度的关系：
Δl＝kΔR
Δl＝θr
得
其中，ΔR为电阻变化值，k为比例常数，Δl为滑动距离，θ为轻质摆角转动的角度，r为半径。
导电指针17转动角度与轻质摆架16的转动角度相同，通过计算得出轻质摆架16转动的角度
ΔR为电阻变化值，k为定常数，rx为半圆形电阻18的半径，当ΔR＞0时，吊绳12往x轴的负方向运动，当ΔR＜0时，吊绳往x轴正方向运动；方形导体21在轻质摆架16上移动，根据
计算得出在y轴的吊绳12摆动角度与方向，ΔR为电阻变化值，k为定常数，ry为轻质摆架的半径，当ΔR＞0时，吊绳12往y轴的负方向运动，当ΔR＜0时，吊绳往y轴正方向运动。
如图5所示，合成摆角分量θx、θy得到摆角值θ；
由公式
计算可得摆角值。
4、另一组吊具的工作与上述一致，在得到该组摆角的信息后，将两组的吊具摆角信息传送给驾驶室10的显示器上供桥吊驾驶员参考，或者作为反馈信息送入防摇/同步控制装置中。
在双起升双吊具桥吊的实际工况中，第一吊具7和第二吊具8可相互独立工作也可互锁同步工作。在独立工作模式时，两个吊具互不影响，分别得到两个角度值；在互锁工作模式时，摆角合成计算机9计算处理的第一吊具7和第二吊具8的摆角值理论上应该相同，如果不同，可以将异同信号再通过摆角合成计算机9进行相应处理，使两路摆角值相互对照进行修正，以保证更好的同步效果。
本发明采用先进电子技术，能应用在极恶劣的工业环境中，不易受外部条件的影响，因此提高了检测的可靠性和装置的使用寿命；敏感材料非接触，不断重复检测的过程中不会对其造成任何机械磨损；而且是实时检测，具有环境适应性强、装置使用寿命长、检测精度高等优点。解决了双起升双吊具桥式吊车摆动角度方向与大小的检测、摆角信息处理及显示问题。双吊具桥式吊车运用摆角检测装置，将得到的电信号经过处理和计算得到吊绳的摆动角度和摆动方向问题，这些数据可以作为桥吊防摇***的反馈信息，也可以直观出到操作室的显示屏，给驾驶员作为运作参考。本发明不仅可为桥吊操作员的操作提供摆角参考信息，还可为单吊具和双吊具桥吊的防摇定位控制提供准确的反馈信息。以本发明为基础，可以推广到多吊具的防摇工作。
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 (2)
1.一种基于滑动变阻器的桥吊摆角测量装置，其特征在于，包含：
至少两个摆角检测装置(11)，其设置在小车驱动机构(2)上，分别与吊具的吊绳(12)接触，用于测量因吊绳摆动而引起的电阻变化值；
至少两个信号处理装置(13)，其一对一的电性连接摆角检测装置(11)，用于将摆角检测装置(11)输出的模拟信号放大整形并转换为数字信号；
摆角合成计算机(9)，其电性连接信号处理装置(13)，用于根据电阻变化值的大小对信号处理装置(13)输出的数字信号进行计算得到摆角信息；
所述的摆角检测装置(11)包含：
轻质摆架(16)，该轻质摆架(16)的一侧为导电材料形成的导电侧(19)，另一侧为绝缘材料形成的绝缘侧(20)，导电侧(19)和绝缘侧(20)之间设置一个方形导体(21)，吊绳(12)穿过方形导体(21)中的通孔，方形导体(21)可沿导电侧(19)和绝缘侧(20)之间滑动，该轻质摆架(16)的绝缘一端连接由导电材料形成的轻质指针(17)，轻质指针(17)与半圆形电阻(18)接触；
方形导体(21)与轻质摆架(16)的导电侧(19)和绝缘侧(20)组成第一滑动变阻器，当吊绳(12)移动时，吊绳(12)带动方形导体(21)在轻质摆架(16)中滑动，第一滑动变阻器的电阻值产生变化；
轻质指针(17)与半圆形电阻(18)组成第二滑动变阻器，轻质摆架(16)的转动带动导电指针(17)的转动，导电指针(17)在半圆形电阻(18)上移动引起第二滑动变阻器的电阻值的变化；
所述的摆角检测装置(11)还包含：约束管(22)，其套设在吊绳(12)上，使得吊绳的摆角测量从约束管(22)的最低点开始测量，从而使得测量的角度范围为
2.一种采用如权利要求1所述的基于滑动变阻器的桥吊摆角测量装置进行的基于滑动变阻器的桥吊摆角测量方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、摆角检测装置检测与其对应的吊具的吊绳摆动所引起的电阻值变化，将电阻变化值发送给信号处理装置；
步骤S2、信号处理装置将摆角检测装置输出的模拟信号放大整形并转换为数字信号；
步骤S3、摆角合成计算机根据电阻变化值的大小对信号处理装置输出的数字信号进行计算得到摆角信息；
所述的检测电阻变化值的方法包含：
吊绳在平行于轻质摆架方向上的摆动带动方形导体在轻质摆架中滑动，引起第二滑动变阻器的电阻值发生变化；
吊绳在垂直于轻质摆架方向上的摆动引起轻质摆架转动，轻质摆架转动带动导电指针转动，导电指针在半圆形电阻上移动引起第一滑动变阻器的电阻值发生变化；
实时获取第一滑动变阻器和第二滑动变阻器的电阻变化值；
所述的根据电阻变化值计算摆角的方法包含：
步骤S3.1、分别计算平行于轻质摆架方向上的摆角θy和垂直于轻质摆架方向上的摆角θx；
其中，ΔR为电阻变化值，k为定常数，rx为半圆形电阻的半径，ry为轻质摆架的半径；
步骤S3.2、合成摆角分量得到摆角值θ；
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