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1、起重機(jī)空間防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 摘要:起重機(jī)空間防撞系統(tǒng)通過(guò)建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，以及空間函數(shù)運(yùn)算，得出潛在的空間干涉沖突，并提供避讓操作提示。這種空間防撞系統(tǒng)具備主動(dòng)防撞和被動(dòng)防撞功能。關(guān)鍵詞:坐標(biāo)系;空間干涉;起重機(jī);碰撞;防撞系統(tǒng)隨著現(xiàn)代起重運(yùn)輸機(jī)械產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同一作業(yè)區(qū)域中起重運(yùn)輸機(jī)械的密度增大，導(dǎo)致起重運(yùn)輸機(jī)械之間非安全接近的概率大大增加。為了避免起重運(yùn)輸機(jī)械之間危險(xiǎn)接近或碰撞的情況發(fā)生，面對(duì)不同機(jī)型應(yīng)用范圍和用戶實(shí)際需求，出現(xiàn)多種防撞系統(tǒng)，各自原理和實(shí)施形式存在一定差異，導(dǎo)致防撞系統(tǒng)的完整性和經(jīng)濟(jì)性差異較大。起重機(jī)空間防撞系統(tǒng)，其區(qū)別于紅外線或激光之類的直線性或平面性防撞系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)這些起重
2、機(jī)的相對(duì)空間位置和已知外形尺寸參數(shù)，建立空間函數(shù)關(guān)系，通過(guò)電氣系統(tǒng)計(jì)算機(jī)函數(shù)運(yùn)算，得出潛在的空間干涉沖突，并為駕駛員提供避讓操作咨詢?，F(xiàn)代船廠為了提高造船效率和設(shè)備高效利用，同一造船工作平臺(tái)上使用不同起重機(jī)協(xié)同作業(yè)，造船門式起重機(jī)和門座起重機(jī)是最常見(jiàn)的起重運(yùn)輸機(jī)械，一般是以較大的門式起重機(jī)為主，門座起重機(jī)為輔，進(jìn)行交叉運(yùn)行作業(yè)。起重機(jī)空間防撞系統(tǒng)依照這兩種起重機(jī)的外形尺寸參數(shù)和使用功能不同，系統(tǒng)程序自動(dòng)監(jiān)控各起重設(shè)備之間體型是否重疊干涉，避免相互碰撞導(dǎo)致不安全事故。這種空間防撞系統(tǒng)具備主動(dòng)防撞和被動(dòng)防撞功能。1工作原理11防撞系統(tǒng)組成防撞系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件主要包含檢測(cè)編碼器、計(jì)算機(jī)和無(wú)
3、線通訊設(shè)備。軟件主要有電氣控制系統(tǒng)和空間運(yùn)算程序。12空間防撞系統(tǒng)特點(diǎn)起重機(jī)空間防撞系統(tǒng)，不僅適用于新建的起重機(jī)，也適用于局部改造的起重運(yùn)輸設(shè)備。區(qū)別于以前的起重機(jī)之間面域防撞系統(tǒng)和線性防撞系統(tǒng)，空間防撞系統(tǒng)是空間立體性，兩關(guān)聯(lián)起重機(jī)可以空間交叉作業(yè)，只要兩關(guān)聯(lián)起重機(jī)沒(méi)有空間干涉，門座起重機(jī)可以在臂架大幅度低位時(shí)在門式起重機(jī)下作業(yè)。13防撞系統(tǒng)原理門式起重機(jī)和門座起重機(jī)在同一船塢平臺(tái)上工作，兩臺(tái)起重機(jī)都安裝空間防撞系統(tǒng)，起重機(jī)之間通過(guò)無(wú)線通訊設(shè)備建立數(shù)據(jù)信息聯(lián)系，通過(guò)起重機(jī)相互交換位置形態(tài)數(shù)據(jù)，檢測(cè)、跟蹤和運(yùn)算出鄰近立體空間區(qū)域，根據(jù)接近程度，向各自司機(jī)和系統(tǒng)提供警告和推薦避讓措施。防撞系統(tǒng)程
4、序利用起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的編碼器檢測(cè)起重機(jī)的位置和工作狀態(tài)，再通過(guò)防撞系統(tǒng)程序運(yùn)算空間坐標(biāo)矢量值，得到每臺(tái)起重機(jī)的空間外形尺寸參數(shù)，系統(tǒng)程序自動(dòng)監(jiān)控各臺(tái)起重設(shè)備之間實(shí)時(shí)體型參數(shù)是否重疊干涉，判定起重機(jī)是否可能相互碰撞。電氣控制系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)工況及使用功能，設(shè)定這兩臺(tái)起重機(jī)的外形尺寸參數(shù)相互干涉重疊的預(yù)警范圍，到達(dá)預(yù)警值時(shí)，可提供防撞警示。為了統(tǒng)一各臺(tái)起重機(jī)之間檢測(cè)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系。統(tǒng)一空間坐標(biāo)系后，按照?qǐng)D3基本控制原理，通過(guò)檢測(cè)元件檢測(cè)各臺(tái)起重機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，防撞系統(tǒng)需要采集的基本數(shù)據(jù)如表1和表2。14系統(tǒng)集成按照?qǐng)D3所示的系統(tǒng)原理，門式起重機(jī)和門座起重機(jī)均需增加通訊模塊，建立相互之間通
5、訊。對(duì)于起重機(jī)控制系統(tǒng)共性和差異，多數(shù)情況建議采用無(wú)線通訊系統(tǒng)，并且均連接各自的控制系統(tǒng)總線。對(duì)于新建的起重機(jī)，防撞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量裝置可集成到系統(tǒng)中，對(duì)于改造的起重設(shè)備，可在原有控制系統(tǒng)中加裝有防撞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量裝置、通訊設(shè)備和控制程序模塊。防撞系統(tǒng)是及時(shí)防撞警示操控運(yùn)行情況系統(tǒng)，每臺(tái)起重機(jī)的司機(jī)室和顯要位置都增設(shè)報(bào)警裝置，提供聲光報(bào)警或語(yǔ)音報(bào)警，報(bào)警裝置能有效警示操作人員和其它相關(guān)人員，并在控制系統(tǒng)的監(jiān)視器上能突出顯示碰撞信息?？臻g防撞系統(tǒng)能做到全空間和全時(shí)域防撞。防撞系統(tǒng)是每臺(tái)起重機(jī)設(shè)置有檢測(cè)裝置，同時(shí)還需計(jì)算程序，由電氣控制程序計(jì)算出相互之間的空間位置關(guān)系?？臻g防撞系統(tǒng)在其中一臺(tái)起重機(jī)停
6、機(jī)或短時(shí)間停機(jī)時(shí)，其它起重機(jī)也能有效避免與之干涉碰撞，這樣就要求系統(tǒng)有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能。空間防撞系統(tǒng)還可以對(duì)起重機(jī)群都停機(jī)之后，僅對(duì)某臺(tái)起重機(jī)啟動(dòng)運(yùn)作，能有效避免與其它起重機(jī)干涉碰撞，這就要求系統(tǒng)有位置儲(chǔ)存和復(fù)位功能。2設(shè)計(jì)分析21基本參數(shù)檢測(cè)按照防撞系統(tǒng)要求，參照?qǐng)D1可推測(cè)門式起重機(jī)和門座起重機(jī)之間可能發(fā)生的基本碰撞有:臂架與主梁空間干涉;臂架與上小車吊鉤鋼絲繩空間干涉;臂架與下小車吊鉤鋼絲繩空間干涉?？臻g防撞系統(tǒng)要進(jìn)行空間矢量運(yùn)算，除需要檢測(cè)表1和表2所示的基本數(shù)據(jù)外，還需儲(chǔ)備門式起重機(jī)的主梁外形尺寸參數(shù)和小車吊鉤鋼絲繩外圍尺寸參數(shù)以及門座起重機(jī)的臂架外形尺寸參數(shù)。22空間坐標(biāo)參數(shù)根據(jù)上述測(cè)得
7、的空間防撞系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)合已知的體形尺寸進(jìn)行空間矢量運(yùn)算，門式起重機(jī)的空間坐標(biāo)參數(shù)為:23干涉計(jì)算判定起重機(jī)防撞系統(tǒng)要求先判斷門座起重機(jī)和門式起重機(jī)的軌道方向坐標(biāo)X的初判值X0：防撞系統(tǒng)對(duì)于防撞安全范圍設(shè)定或減速防轉(zhuǎn)距離，可適當(dāng)增加緩沖區(qū)域，主梁與臂架緩沖距離為hl，為了安全，設(shè)定hl=5m，小車與臂架緩沖距離hc，為了安全，設(shè)定hc=5m。調(diào)試過(guò)程中可設(shè)定這兩臺(tái)起重機(jī)的外形尺寸參數(shù)相互干涉重疊的預(yù)警范圍到達(dá)最佳預(yù)警范圍值，這樣即可安全生產(chǎn)又可發(fā)揮起重機(jī)協(xié)同作業(yè)能力，實(shí)現(xiàn)最佳綜合經(jīng)濟(jì)效益。3停機(jī)防撞設(shè)計(jì)空間防撞系統(tǒng)不僅能對(duì)運(yùn)作中的起重機(jī)實(shí)現(xiàn)空間防撞，也可以對(duì)其中一臺(tái)起重機(jī)停機(jī)或短時(shí)間停機(jī)時(shí)實(shí)現(xiàn)空
8、間防撞。其中一臺(tái)起重機(jī)停機(jī)后其它起重機(jī)記錄其最后的位置數(shù)據(jù)，在沒(méi)有進(jìn)一步數(shù)據(jù)更新的情況下，以最近的數(shù)據(jù)計(jì)算分析，避免與之干涉碰撞。同理，可以對(duì)起重機(jī)群都停機(jī)之后，僅某臺(tái)起重機(jī)啟動(dòng)運(yùn)作，能有效避免與其它起重機(jī)干涉碰撞。如門座起重機(jī)停機(jī)，電控系統(tǒng)斷電，門式起重機(jī)的防撞系統(tǒng)記錄門座起重機(jī)停機(jī)狀態(tài)參數(shù)，臂架仰起處于小幅度位置，臂架頂點(diǎn)高于主梁下底面。運(yùn)行門式起重機(jī)靠近門座起重機(jī)，空間防撞系統(tǒng)可以即時(shí)檢測(cè)門式起重機(jī)主梁與臂架的干涉碰撞，并分析小車與臂架的干涉碰撞。如門式起重機(jī)停機(jī)，電控系統(tǒng)斷電，防撞系統(tǒng)檢測(cè)門座起重機(jī)的停機(jī)狀態(tài)參數(shù)，門式起重機(jī)停機(jī)，上下小車設(shè)定位置，小車吊鉤均下降到設(shè)定高度。運(yùn)行門座起重
9、機(jī)靠近門式起重機(jī)，防撞系統(tǒng)能即時(shí)檢測(cè)運(yùn)算分析停機(jī)防撞可能性。4結(jié)論空間防撞系統(tǒng)通過(guò)建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，空間函數(shù)運(yùn)算，計(jì)算得出潛在的空間干涉沖突，并提供避讓操作提示。空間防撞系統(tǒng)不僅實(shí)用于兩臺(tái)起重機(jī)之間的相互防碰撞，還可應(yīng)用拓展到多臺(tái)多類型起重機(jī)之間的防碰撞。防撞系統(tǒng)依靠相互之間位置數(shù)據(jù)交換和儲(chǔ)存，具備主動(dòng)防撞和被動(dòng)防撞功能，起重機(jī)在停機(jī)狀態(tài)下也可以有效起到防撞功能。參考文獻(xiàn)1熊冠楚多臺(tái)起重機(jī)防撞保護(hù)系統(tǒng)J起重運(yùn)輸機(jī)械，2017(6):51532李劼人，徐莉，徐青山，等無(wú)線定位技術(shù)在移動(dòng)式起重機(jī)中的應(yīng)用J中國(guó)機(jī)械工程，2019，30(6):90953孫吉云起重機(jī)防撞系統(tǒng)的分析與研究J中國(guó)科技信息，2013(20):1111124孫劍萍，湯兆平基于變頻器通訊的PLC在同跨架起重機(jī)防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用J制造業(yè)自動(dòng)化，2009，31(10):55575丁麗娟，程杞元數(shù)值計(jì)算方法:第2版M北京:北京理工大學(xué)出版社，2005.
起重機(jī)空間防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究
