起重机的钢丝绳吊着5➤全功能小车轨道式集装箱起重机辅机自动控制研究

谭兴福刘春明

上海 200125

摘要：通过对全功能小型轨道式集装箱起重机主钢丝绳和辅钢丝绳的空间关系进行建模，主钢丝绳和辅钢丝绳长度的空间表达式为得到，并计算辅助电机速度设置与主起重速度设置之间的关系。它们之间的关系实现了副钢丝绳和主钢丝绳的同步控制。为实现吊具微动控制，对辅助钢丝绳进行微分计算，计算吊具微动速度与辅助钢丝绳收放卷速度的关系，采用PD控制技术控制吊具微动速度。最后，进行现场试验。经测试起重机的钢丝绳吊着5，该型现场桥能满足自动化的需要。

关键词：轨道式集装箱起重机；全功能手推车；局放控制；点动控制

CLC 编号：U653.921：TP273 文档代码：A 文章编号：1001-0785 (2020) 12-0032-05

0 前言

随着科学技术的进步，码头趋向于向自动化、智能化方向发展。轨道式集装箱起重机（以下简称堆场桥）作为自动化堆场的重要组成部分，发挥着越来越重要的作用。国内外厂商在桥梁领域的竞争越来越激烈。近年来，国内劳动力相对于外资企业的成本优势逐渐减弱。在这种情况下，要想在竞争中脱颖而出，就需要提高产品质量并降低制造成本。

野战桥按钢丝绳的缠绕方式主要可分为两种结构，即八绳结构和四绳结构。在实际作业中，由于大车、小车加减速的影响，吊具会出现较大的晃动。八绳结构的钢丝绳一般按倒三角形或正三角形两种结构缠绕。这种结构大大提高了悬挂刚度，能迅速消除大车、小车在加减速过程中产生的摆动。简单易加吊具微动设备。但通过机械结构吸收吊具的动能会降低钢丝绳的使用寿命。同时，由于台车架内应力较大，台车架结构较重，造价较高。四绳结构钢丝绳的缠绕方式类似于矩形，刚度很小，几乎不能吸收吊具的摆动动能。因此，钢丝绳和小车架受力小，小车架重量轻，钢丝绳寿命长。工作中只能使用电子防摇。虽然国内外许多学者对这类场桥的抗摇进行了很多研究，也有很多抗摇算法，但基本上都是通过控制小车的速度来实现的。自动运行时，小车需要实现目标定位和防摆控制，控制难度大，定位精度较低。同时，结构场桥在取放箱子时难以实现吊具的转动。为此，国内一家公司设计了一种新型的车场桥，称为全功能小型车场桥。

1 全功能电车场桥架结构

全功能台车场桥与普通四绳场桥相比，在台车架上增加了4台辅助电机、减速机、副卷筒、变频器，并在每个副卷筒上增加了绝对编码器等，4个动滑轮已添加到吊具上。4根防摇钢丝绳在空间排列上等长，互不交叉。一端缠绕在主卷筒上，随主卷扬钢丝绳一起移动。在卷上。主钢丝绳和副钢丝绳的缠绕图如图1所示。

图1 全功能电车场桥钢丝绳缠绕示意图

卷绕式结构可通过辅助钢丝绳实现吊具的平移和回转，通过左右主卷筒实现吊具的左右倾斜，故称为全功能小车结构。该结构野战桥保留了四索结构自重轻、受力小、设备寿命长的优点。增加的辅助钢丝绳可以实现吊具的平移和旋转功能，并将防摇功能和定位分开。小车只负责定位。防摇由辅助钢丝绳实现，简化了程序，同时提高了小车方向的定位精度。

该类轨道起重机防摇的实现可参考参考文献[1]。本文主要研究该型场桥辅机与起重主钢丝绳的同步控制和微动实现。

2 微电机与主葫芦的同步控制

从图1和图2可以看出，副钢丝绳的一端缠绕在主卷筒上，另一端缠绕在副卷筒上；主钢丝绳的一端缠绕在主卷筒上，另一端固定在锁具上。缠绕在主卷筒上的主钢丝绳和副钢丝绳随着主卷筒的转动而收放，从而实现吊具的升降。由于副钢丝绳与主钢丝绳之间存在一定的角度，且主钢丝绳的直径不一定与副钢丝绳的直径相同，当主卷筒旋转时，副卷筒的配合是实现提升机正常运行所必需的。

假设主钢丝绳锁与吊具动滑轮之间的钢丝绳长度为L1，主卷筒与吊具动滑轮之间的主钢丝绳长度为L2，吊具上主卷筒与副钢丝绳动滑轮之间的副钢丝绳长度为L3，副卷筒与副钢丝绳动滑轮之间的长度为L4，起升高度为H(t)。

图2 副钢丝绳与主钢丝绳结构图

忽略绕在动滑轮上的钢丝绳长度，每根钢丝绳的长度可表示为

式中：Loffset1为起升高度为零时主钢丝绳动滑轮圆点到主钢丝绳锁的距离，Loffset2为主钢丝绳动滑轮圆点到主钢丝绳锁安装平面的距离起升高度为零时的主卷筒，Loffset3为起升高度为零时副钢丝绳动滑轮圆点到主卷筒安装平面的距离。

辅助钢丝绳L4位于较大角度，其空间结构如图3所示，根据空间关系图可得

式中：X、Y为吊具副卷筒与吊具动滑轮在大、小小车方向的偏差，Loffset4为副钢丝绳动滑轮点到安装点的垂直距离起升高度为零时副滚筒的平面。

图3 L4空间关系图

主钢丝绳和副钢丝绳的长度随提升高度的变化而变化，而提升高度的变化是由主卷筒的转动产生的。现在假设滚筒旋转一个很小的角度2△φ，在旋转2△φ的过程中吊具不平移旋转，即X和Y保持不变。由于系统为动滑轮结构，主钢丝绳长度变化为

式中：R1为主卷筒上主钢丝绳位置半径，主钢丝绳位置半径可与副钢丝绳不同，r1为主钢丝半径绳索

辅助钢丝绳需改长至

式中：R2为副钢丝绳在主卷筒上位置的半径，r2为副钢丝绳的半径。

由于大部分时间△L1+△L2≠△L3+△L4，为保持吊具的平衡，需要通过辅助钢丝绳补偿副钢丝绳与主钢丝绳之间的不匹配伸缩。鼓。辅助钢丝绳的补偿量△LH为

提升机运行时，设主卷筒的角速度为ω，则△φ=ω·△t，两边同时除以△t可得

因此，在起升作业过程中，可以根据起升速度指令计算出辅助卷筒的速度。

3 吊具微动的实现

为实现堆场内集装箱的自动取放，自动堆场桥首先要确定吊具的当前位置和目标集装箱的位置，然后控制吊具向目标位置微移容器。为实现吊具自动取放箱，需要吊具检测系统和目标检测系统。

3.1 吊具检测系统介绍

吊具检测系统主要由安装在小车平台下的摄像头和安装在吊具上架的三盏红外发射灯组成。三个红外发射灯按照一定的空间关系组成一个结构光源。通过摄像头实时获取三个发光灯的图像，通过图像处理的方法获取光源坐标，从而转换吊具在空间中的位置和姿态。具体实现方法可以查询参考文献[2]，通过本系统可以实时获取吊具的实时姿态。

3.2 目标检测系统

目标检测系统主要由两台带有旋转机构的病态激光器构成，如图4所示。由于现有的激光扫描仪一般只能检测二维信息，因此将激光扫描仪安装在旋转机构上。当旋转机构旋转时，将检测到的二维信息存储起来，与旋转机构的编码器信息进行匹配，得到目标容器的图像，再通过图像处理技术确定目标的位置信息。获取目标集装箱位置和吊具当前位置后，可对吊具进行微控，实现集装箱的自动取放。

图4 目标检测系统示意图

3.3 吊具点动控制原理

通过对缠绕结构的分析，可以通过张紧或放松不同辅助电机的钢丝绳来实现吊具的平移或旋转。为分析方便，假设吊具在微运动时处于静止状态，吊具平移相当于△X、△Y的运动。吊具平移时，一侧辅助钢丝绳放绳，另一侧拉绳，因此前后或左右辅助电机速度相反。由于X、Y无关紧要，吊具平移范围一般在20cm以内，对X、Y的影响很小。以其中一根钢丝绳为分析，可得式4的导数

3.4 基于PD确定吊具点动速度

给定的吊具点动速度X′、Y′既不能太快也不能太慢。过快易引起吊具抖动，过慢则降低效率，因此吊具微动速度的设定必须合理控制。PID控制器以其结构简单、稳定性好、调节方便等优点成为工业控制的主要技术之一。其中，比例控制是在系统产生误差后立即产生减小偏差的控制作用；积分控制是为了消除稳态误差；微分控制可以克服误差调整过程中产生的振荡。由于积分作用可能导致积分饱和，输入量过大，故采用PD控制。

当检测系统检测到吊具需要平移到X0和Y0时，根据PD控制算法，X´和Y´的计算方法为

式中：KP1、KP2为X、Y方向的比例系数，Kd1、Kd2为微分控制系数。

由于起升作业、吊具平移X、吊具平移Y等变量相互独立起重机的钢丝绳吊着5，因此所得速度可以叠加。根据式（8）、式（11）、式（12），当吊具在升降时点动时起重机的钢丝绳吊着5➤全功能小车轨道式集装箱起重机辅机自动控制研究，点动电机综合速度给定LΛ为

由于在实际应用过程中辅助电机通过减速器与辅助卷筒相连，因此电机转速设定与辅助钢丝绳收放卷速度的关系为

式中：n为辅机转速，i为减速比。

由此，可以得到辅助电机的转速

4 实践测试

现以实际工程的全功能小车轨道起重机进行验证。本工程主卷筒主钢丝绳侧和副钢丝绳侧直径为0.624m，主钢丝绳直径为0.026m，副钢丝绳直径为0.016m ，副电机减速比为146.49，副电机额定转速为1 460 rad/min，副滚筒直径为0.288 m，副滚筒安装位置与动滑轮的偏差吊具在大小货车方向的最大位移为 1.865 m，Y 为 1.405 m，Loffset4 为 21.1 m。自动运行时，目标检测系统检测到吊具X方向需要移动到1.910m的位置，升降侧和下降侧采用点动控制方式。起升速度曲线、其中一个副卷筒的速度曲线、吊具小车方向 目标位置和实时位置曲线如图5所示。

图 5 吊具入箱时提升度、其中一个辅助电机转速及微动响应图

通过实际测试，副卷轴速度与主卷轴的同步性能良好。微动过程中虽有波动，但波动范围在±2cm以内，满足自动化运行要求。

参考

[1] 张氢，葛云飞，陈淼，等．ARMG吊具辅助钢丝绳牵引主动防摇方法[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2019(4): 36-42.

[2] 倪飞，毛世群，郭飞，等．基于机器视觉的吊具姿态检测系统[J]．起重运输机械, 2011(10): 43-47.