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        斗輪機(jī)煤場定位的控制算法

        2013-01-15 09:33:30史春玲李一紅
        關(guān)鍵詞:行走機(jī)構(gòu)煤場輪機(jī)

        史春玲,李一紅

        (武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院,湖北 武漢430074)

        斗輪堆取料機(jī)(簡稱斗輪機(jī))是火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)中取煤和堆煤的重要設(shè)備之一.為了使斗輪機(jī)運(yùn)行效率更高,并確保煤粉混合均勻,節(jié)約資源,提高燃燒效率,在斗輪機(jī)堆煤和取煤時(shí),必須對斗輪機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確定位[1].本文針對電廠輸煤斗輪堆取料機(jī)煤場的定位算法進(jìn)行了研究,以期進(jìn)一步提高當(dāng)前斗輪堆取料機(jī)的自動化程度.

        1 斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)

        以軌道式斗輪機(jī)為例.斗輪機(jī)主要由金屬架構(gòu)、進(jìn)料皮帶機(jī)(尾車部分)、懸臂皮帶機(jī)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、斗輪及斗輪裝置、俯仰液壓機(jī)構(gòu)等組成[2].

        其中,進(jìn)料皮帶機(jī)位于尾車上.它依靠尾車上兩組液壓缸的作用,完成俯仰動作.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由支撐部分與回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置組成.回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置一般安裝在轉(zhuǎn)盤尾部或側(cè)部,安裝在減速器輸出軸上的驅(qū)動齒輪與軸承的外齒相嚙合,通過電動機(jī)的動力傳動,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤以上部分對于門座的回轉(zhuǎn).行走機(jī)構(gòu)是用來將斗輪機(jī)在軌道上往復(fù)運(yùn)動的機(jī)構(gòu),可以進(jìn)行堆、取料行走和調(diào)車行走.操作室為斗輪機(jī)的中樞,操作室與立柱相固定,由操作盤 、操作儀表、控制設(shè)備及配電屏等組成.

        2 斗輪在煤場中的D-H表示法

        斗輪機(jī)煤場定位系統(tǒng)由傳感器、DSP及其外圍電路等組成.斗輪機(jī)簡化成機(jī)器人手臂形式的模型后,即可建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)方程.為描述斗輪機(jī)相鄰構(gòu)件間平移和轉(zhuǎn)動關(guān)系,可用D-H(Danevit-Hartennberg)方法.D-H方法是為每個(gè)關(guān)節(jié)處的桿件坐標(biāo)系建立4×4齊次變換矩陣,表示它與前一桿件坐標(biāo)系的關(guān)系.這樣逐步變換,即可用基座坐標(biāo)來表示斗輪坐標(biāo).具體做法為:把構(gòu)件坐標(biāo)系嵌入斗輪機(jī)的每一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)中,用齊次變換來描述這些坐標(biāo)系之間的相對位置和方向.描述一個(gè)連桿與下一個(gè)連桿之間關(guān)系的齊次變換矩陣記為An矩陣(其中n表示第n個(gè)連桿).假設(shè)斗輪機(jī)簡化模型尺寸如圖1所示[3].

        連桿各參數(shù)作如下定義:轉(zhuǎn)角θn,連桿n繞關(guān)節(jié)n的Zn-1軸的轉(zhuǎn)角,右手法則;距離dn,連桿n沿關(guān)節(jié)n的Zn-1軸的位移,沿Zn-1正向?yàn)檎?;長度an,連桿n沿Xn方向上的長度,Xn正向一致;扭角αn,連桿n兩關(guān)節(jié)軸線之間的扭角,右手法則.

        對于斗輪機(jī)基座即行走機(jī)構(gòu)來講,距離d1是其關(guān)節(jié)變量;對于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)來講,轉(zhuǎn)角θ2、θ3是其關(guān)節(jié)變量.

        斗輪機(jī)各連桿坐標(biāo)系建立后,n-1系與n系之間的變換關(guān)系可用坐標(biāo)系的平移、旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn).從n-1系到n系的變換步驟如下:

        1)令n-1系繞Zn-1軸旋轉(zhuǎn)θ角,使Xn-1與Xn平行;

        2)沿Zn-1軸平移dn,使Xn-1與Xn重合;

        3)沿Xn-1軸平移an,使兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合;

        4)繞Xn-1的軸旋轉(zhuǎn)αn角,使得n-1系與n系重合.

        圖1 斗輪機(jī)簡化模型尺寸

        用一個(gè)總的變換矩陣An來表示連桿n的齊次變換矩陣為:

        這樣,第n系中的點(diǎn)rn在第n-1系中可表示為

        由此可推出第n坐標(biāo)相對于基座坐標(biāo)系位置齊次變換矩陣為

        式中,[nnpnqn]是固連在第n個(gè)桿件上的第n個(gè)坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣,Wn是由基座坐標(biāo)系原點(diǎn)指向第n個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置矢量.

        對于斗輪機(jī)而言,斗輪機(jī)斗輪相對于行走機(jī)構(gòu)的位置齊次變換矩陣為

        只要求出A1、A2、A3,便可得到斗輪機(jī)斗輪相對于基座坐標(biāo)系位置齊次變換矩陣.

        確定斗輪的運(yùn)動方程后,即可對斗輪進(jìn)行準(zhǔn)確的坐標(biāo)定位.

        3 算法示例

        假設(shè)有一斗輪機(jī)行走輪到回轉(zhuǎn)中心距離為12 m,回轉(zhuǎn)中心軸到俯仰鉸點(diǎn)距離85m,俯仰鉸點(diǎn)到輪中心點(diǎn)距離6m,回轉(zhuǎn)中心至地面帶輪的距離為25m.建立圖1所示的坐標(biāo)系,斗輪機(jī)初始位置在參考坐標(biāo)系(X0,Y0,Z0)中為P(1000).斗輪機(jī)俯仰角度10°,接著回轉(zhuǎn)角度為60°,向前行走100m.求運(yùn)動后,斗輪相對于參考坐標(biāo)系的坐標(biāo).

        所以位置齊次變換矩陣為

        解之得 X0=4.924/629.53=0.0078,Y0=-0.868/629.53=-0.0014,Z0=-8.66/629.53=-0.0138.

        綜上所述,經(jīng)過一系列的變換后,P點(diǎn)相對于參 考 坐 標(biāo) 系 (X0,Y0,Z0) 的 坐 標(biāo) 為 (0.0078,-0.0014,-0.0138).

        4 結(jié)束語

        電廠輸煤系統(tǒng)面積較大,電煤在煤場中的儲運(yùn)是隨機(jī)的,如何實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)高效輸送電煤,如何在煤場中對斗輪機(jī)準(zhǔn)確定位,以準(zhǔn)確控制論斗輪相對煤堆的位置,進(jìn)而提高輸煤效率,對保證鍋爐的正常運(yùn)行,提高生產(chǎn)效率具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.斗輪機(jī)的安全、有效運(yùn)行,對電廠的正常、持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)起關(guān)鍵作用.

        [1] 國電太原第一熱電廠.輸煤系統(tǒng)和設(shè)備[M].北京:中國電力出版社,2008:2-5.

        [2] 中國動力工程學(xué)會.火力發(fā)電廠設(shè)備技術(shù)手冊第四卷火電站系統(tǒng)與輔機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:5-12.

        [3] 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

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