起重電機專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫宏達2022年6月8日訊 隨著科技的進步，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（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)。在實際運行時，受大車及小車加減速的影響會導致吊具產(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)防搖通過機械實現(xiàn)，控制程序簡單，并可方便添加吊具微動設(shè)備。但通過機械結(jié)構(gòu)吸收吊具的動能會降低鋼絲繩使用壽命，同時由于小車架內(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)外眾多學者對該類型場橋的防搖進行過很多研究，防搖算法也有多種，但基本都是通過控制小車速度實現(xiàn)的。在自動化作業(yè)時，小車既要實現(xiàn)目標定位又要進行防搖控制，控制難度較高，定位精度相對較低。同時該結(jié)構(gòu)場橋在抓放箱時難以實現(xiàn)吊具旋轉(zhuǎn)。因此，國內(nèi)某公司設(shè)計了一種新型場橋，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、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動，另一端分別通過4 個導向滑輪纏繞在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現(xiàn)吊具的平移和旋轉(zhuǎn)，并通過左右主卷筒實現(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，增加的輔助鋼絲繩可實現(xiàn)吊具平移和旋轉(zhuǎn)功能，將防搖功能和定位進行了分離，小車只負責定位，防搖由輔助鋼絲繩實現(xiàn)，簡化了程序，同時提高了小車方向定位精度。

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

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，需要輔助卷筒的配合才能實現(xiàn)起升的正常運行。

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 為起升高度為零時主鋼絲繩動滑輪圓點到主鋼絲繩鎖扣的距離，Loffset2 為起升高度為零時主鋼絲繩動滑輪圓點到主卷筒安裝平面的距離，Loffset3 為起升高度為零時輔助鋼絲繩動滑輪圓點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 為起升高度為零時輔助鋼絲繩動滑輪圓點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。

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

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

因此，在起升運行時，根據(jù)起升速度命令就可計算出輔助卷筒的速度。

自動化場橋要實現(xiàn)堆場內(nèi)自動抓放集裝箱，首先要確定吊具當前位置和目標集裝箱的位置，然后控制吊具微動到目標集裝箱位置。為了實現(xiàn)自動吊具抓放箱，需要一套吊具檢測系統(tǒng)和目標檢測系統(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，通過相機實時獲取三個發(fā)射燈的圖像，通過圖像處理方法得到光源坐標，從而換算出吊具在空間中的位置和姿態(tài)，具體實現(xiàn)方法可查詢參考文獻[2]，通過該系統(tǒng)，可實時獲取吊具的實時姿態(tài)。

目標檢測系統(tǒng)主要由兩個帶轉(zhuǎn)動機構(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)動機構(gòu)上。當轉(zhuǎn)動機構(gòu)轉(zhuǎn)動時，將檢測的2D 信息進行存儲并與轉(zhuǎn)動機構(gòu)的編碼器信息進行匹配，從而獲取目標集裝箱的圖像，然后通過圖像處理技術(shù)確定目標的位置信息。在獲取目標集裝箱位置和當前吊具位置后，即可對吊具進行微動控制，實現(xiàn)自動抓放箱。

通過對纏繞結(jié)構(gòu)進行分析，通過對不同輔助電機鋼絲繩進行張緊或放松可以實現(xiàn)吊具的平移或旋轉(zhuǎn)。為了便于分析，假定微動時起升處于靜止狀態(tài)，吊具進行平移相當于產(chǎn)生一個△ X，△ Y 的移動，當?shù)蹙咂揭茣r，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 進行求導可得

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致積分飽和，輸入量過大，因此采用PD 控制。

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

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)生的速度可以進行疊加，根據(jù)式(8)、式(11)、式(12) 可得，當起升邊下降邊進行吊具微動時，微動電機綜合的速度給定L? 為

由于實際在應(yīng)用過程中，輔助電機通過減速器接到輔助卷筒，因此電機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 為輔助電機的轉(zhuǎn)速，i 為減速比。

由此，可得出輔助電機的速度

現(xiàn)以實際項目的全功能小車軌道吊進行驗證。該項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，輔助電機的減速度比為146.49，輔助電機額定轉(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，經(jīng)過目標檢測系統(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位置和實時位置曲線如圖5 所示。

通過實際測試，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)大學學報，2019(4)：36-42.

[2] 倪菲，茅時群，費國，等. 基于機器視覺的吊具位姿檢測系統(tǒng)[J]. 起重運輸機械，2011(10)：43-47.