賈 斌

（上海第一機床廠有限公司，上海 200072）

高精度起重機運行定位系統(tǒng)

賈 斌

（上海第一機床廠有限公司，上海 200072）

用于精細裝配或民用核電起重等領域的起重機要求具有很高的定位精度要求， 介紹了高精度起重機運行定位系統(tǒng)的設計實例，優(yōu)缺點和最新發(fā)展。高精度起重機運行定位系統(tǒng)通過導向裝置的優(yōu)化，不同定位裝置的比較和改進，及精確伺服驅(qū)動機構的引入，解決了起重機精確定位的問題。

高精度定位系統(tǒng)；起重設備

0 引言

起重設備經(jīng)常給人留下粗重的印象，但用于精細裝配或民用核電起重等領域的起重機同樣要求具有很高的定位精度，以部分核電起重機為例，其綜合定位精度要求為±5mm[1]，為達到此要求，單個方向的定位精度須控制在±3mm以內(nèi)。本文將介紹滿足上述要求的高精度運行定位系統(tǒng)的設計。

本文討論的精度，是相對于固定操作點的重復定位精度。操作點一般在現(xiàn)場標定，記錄系統(tǒng)中的坐標值，起重機使用記錄的坐標值再次到達此位置后與實際位置的偏差即為定位精度。

1 導向裝置

起重機要精確定位，前提是起重機運行的軌跡首先必須是高重復精度的，導向裝置因此而設計。其實常規(guī)起重機也含有導向裝置，最簡單的就是車輪的輪緣，對于軌距（跨度）相對于輪距較大的起重機還會設置水平導向輪。但這些導向裝置的初衷僅是為了防止起重機脫軌、卡軌；在常規(guī)導向裝置的限制之下，起重機水平方向的運行作的是微小的蛇形運動。在設計高定位精度的起重機時，對導向裝置進行了改進，使起重機近似直線運行，可以說導向裝置是提高起重機定位精度的基礎。

首先對采購回來的成品軌道進行加工，起重機軌道中一根作為導向軌，導向軌和水平導向輪配合作為起重機運行的導向，導向軌頂面和二個側(cè)面進行機械加工（如圖1所示），另一根運行軌（非導向軌），僅頂面經(jīng)機械加工。加工后軌道本身的直線度和平面度大大改善。

圖1 導向軌截面

然后嚴格要求軌道的安裝精度，軌道安裝采用可調(diào)壓板安裝，導向軌經(jīng)調(diào)整可以達到直線度每米±0.2mm，全長0.5mm。運行軌經(jīng)調(diào)整可達直線度全長±2mm；與導向軌的平行度要求為：兩軌道間距離最大偏差[2]為±2mm。

此外，要求軌道安裝接頭處的高低差[2]≦0.3mm，并將高處打磨，使過渡平滑；導向軌接頭處的側(cè)向錯位[2]≦0.2mm，凸出處打磨，過渡平滑；非導向軌接頭處的側(cè)向錯位≦1mm；軌道安裝接頭處的間隙[2]≤1mm。同一截面兩根軌道的高度最大偏差[2]為2mm。

最后通過控制水平輪與軌道的間隙確保起重機近似直線運行，導向軌側(cè)端梁的兩端各設置一組水平導向輪（如圖2所示），每個水平輪相對于軌道中心線的最大調(diào)整值為±1.5mm。調(diào)整時，通過偏心軸的轉(zhuǎn)動，調(diào)整水平輪與軌道間的間隙，根據(jù)起重機運行情況，將總間隙調(diào)整為0.2～0.4mm，保證起重機全行程平穩(wěn)、無卡滯的運行。起重機在全行程上最大的水平位移小于1mm，對某個固定位置水平位移的重復精度小于0.5mm。

圖2 水平輪組

2 定位裝置

解決了起重機本身運行重復精度的問題，我們還需知道起重機現(xiàn)在運行在什么位置，為了解決這一問題，起重機加入了專門的定位裝置。

2.1 傳統(tǒng)的定位裝置

傳統(tǒng)的定位方式是在各機構的驅(qū)動軸上安裝絕對值編碼器，絕對值編碼器將軸的旋轉(zhuǎn)換算成移動距離輸送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以此判斷設備是否到位。起升機構絕對值編碼器一般安裝在減速器高速軸或卷筒尾部軸上，而運行機構絕對值編碼器安裝在三合一減速電機尾部或車輪軸的尾部。

對常規(guī)的起重機來說，此設計是可行的，也在廣泛的應用，但用在高精度起重機上，當定位精度被要求在±1mm以內(nèi)時，卻發(fā)現(xiàn)運行機構的定位經(jīng)常出現(xiàn)偏差。究其原因有三：1）主動車輪偶發(fā)的輕微打滑，車輪軸旋轉(zhuǎn)了但實際并未發(fā)生位移，造成定位系統(tǒng)不穩(wěn)定；2）由于軌道的高低差，某個車輪和軌道在一小段距離內(nèi)不接觸（較多發(fā)生在剛性很好的小車上）。這種情況大多發(fā)生在被動車輪處，但也可能發(fā)生在主動車輪處，此時車輪轉(zhuǎn)動量和位移不再對應；3）受軌道質(zhì)量的影響很大。絕對值編碼器安裝在主動、被動車輪軸都有各自的問題，故傳統(tǒng)定位裝置無法滿足高精度起重機的要求。

2.2 齒輪齒條式定位系統(tǒng)

為了解決定位精度的問題，齒輪齒條式定位系統(tǒng)應運而生。

第一代的齒輪齒條式定位系統(tǒng)如圖3所示，齒條安裝在軌道側(cè)面，齒輪安裝在起重機端梁側(cè)面，隨著起重機移動，齒輪齒條嚙合，齒輪的轉(zhuǎn)動量被絕對值編碼器記錄并輸出給控制系統(tǒng)。齒輪齒條不存在打滑問題，并能允許微量的高低方向的錯位。

第一代的齒輪齒條式定位系統(tǒng)試驗下來情況良好，但在實際使用中發(fā)現(xiàn)面朝上的齒條容易積塵，并偶有跳齒現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場反饋，齒輪齒條系統(tǒng)進行了改進：齒條向側(cè)面安裝；優(yōu)化了齒輪尺寸和安裝形式；齒輪依靠鉸鏈上的扭轉(zhuǎn)彈簧壓在齒條上，確保嚙合；并增加了護罩，如圖4所示。

圖3 第一代齒輪齒條式定位系統(tǒng)

第二代齒輪齒條式定位系統(tǒng)徹底解決了定位精度問題，在后續(xù)核電項目的裝卸料機中大量使用了此技術。但齒輪齒條定位系統(tǒng)仍有需要改進的地方：需要全長敷設齒條；齒條本身加工精度要求高；安裝精度要求相對較高；調(diào)試不便：齒輪齒條采用扭轉(zhuǎn)彈簧壓緊，彈簧壓緊力不好調(diào)，太緊太松都不好，容易跳齒。

2.3 拉線編碼器的引入

在齒輪齒條式定位系統(tǒng)使用的同時，針對長行程且需要精確定位的起重機，我方嘗試使用了拉線編碼器，拉線編碼器由拉線盒和絕對值編碼器組成，隨著拉線抽出和收回，編碼器測量拉線盒內(nèi)測量鼓的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為測量信號輸出給系統(tǒng)。

圖4 第二代齒輪齒條式定位系統(tǒng)

安裝時只需將拉線編碼器安裝在起重機上，拉線端部固定在廠房上，就能實時檢測出起重機的位置，最大行程可達50m，并且精度能符合要求。

但是通過實際使用，發(fā)現(xiàn)拉線部分在安裝調(diào)試和使用中較易損壞；運行軌跡上存在一條鋼絲影響人員活動，故并沒有推廣到短行程的起重機上。所以目前已生產(chǎn)的高定位精度要求的起重機，短行程使用的是齒輪齒條式定位系統(tǒng)，長行程使用拉線編碼器。

2.4 條碼定位系統(tǒng)

目前的定位系統(tǒng)都是基于絕對值編碼器來使用的，齒輪齒條定位系統(tǒng)是制造廠為安裝使用絕對值編碼器，特別設計的系統(tǒng)；而拉線編碼器則是編碼器供應商自行集成的拉線盒與絕對值編碼器。在上述兩種各有一些不完美的情況下，我們又在探究除了絕對值編碼器還有什么可以用來改進定位系統(tǒng)的方法。

經(jīng)過調(diào)研和與編碼器供應商的溝通，綜合使用方便性和經(jīng)濟性方面的考慮，最終在新型定位系統(tǒng)中，選定了條碼定位的方式（如圖6所示）。條碼定位由兩部分組成，沿行程全長布置的條碼帶和安裝在起重機上光學原理的線性傳感器。通過掃描條碼信息，線性傳感器獲取當前的位置信息（精度達0.1mm），從而對起重機進行快速和精確的定位。

圖5 拉線編碼器

圖6 條碼定位系統(tǒng)簡圖

通過試驗，條碼式定位與之前的定位系統(tǒng)相比有下列優(yōu)勢：

1） 安裝精度要求低，現(xiàn)場定位、安裝方便，運行時的兼容性高

條碼帶與齒條一樣需要全行程安裝，但不同的是條碼帶所需要的安裝精度極低。線性傳感器具有廣角、景深大、覆蓋面大，抗抖動能力強的特點。自粘條碼帶可牢固粘在不銹鋼表面，利用條碼的高度，掃碼器與條碼在豎直方向可有±3°的偏角誤差（如圖6所示）；而在水平方向條碼帶可有±20mm的安裝誤差，±3°偏角誤差（如圖7所示）。

圖7 條碼定位系統(tǒng)安裝要求

線性傳感器單次掃描三個條碼塊，三個條碼塊中任何一個損壞都不會影響定位信息，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時利用這一特性，可對條碼帶進行分段，分段間隔即為一個條碼塊的寬度（如圖8所示）。條碼帶在廠內(nèi)分段貼于不銹鋼底板上，隨不銹鋼底板運至現(xiàn)場，安裝至現(xiàn)場支架上即可。

線性傳感器通過背面的4個安裝孔可方便的安裝在起重機上，線性傳感器的LED光源提供了強亮度，非常易于在安裝調(diào)試時對準條碼同時也大大增強了讀碼的能力和抗環(huán)境光干擾的能力。

圖8 條碼分段

2） 維護保養(yǎng)方便、成本低

非接觸式的定位與距離測量傳感器不會帶來運行磨損。

條碼帶特殊紙張本身不會積灰，并可直接用濕布除污。條碼帶分段安裝并且條碼帶本身具有一定彈性可承受溫度從-30℃到+60℃變化所帶來的熱脹冷縮的影響。

單個條碼塊損壞不會影響定位系統(tǒng)，局部條碼受到損害或者臟污，可直接打印相應的條碼段進行替換，并且可打印在普通紙打印紙張上作零時替換使用。

3）使用范圍廣

除了直線運行的起重機，因條碼帶的安裝十分方便和靈活，條碼式定位系統(tǒng)還可以使用在弧形，環(huán)形軌道的起重機上，適應直線或曲線的不同軌跡要求。

綜上所述，條碼式定位系統(tǒng)兼具靈活、便利的安裝方式、可靠的工業(yè)性能，以及低成本的安裝使用和維護的優(yōu)點。此條碼式定位系統(tǒng)的試樣，在抓取機調(diào)試時零時安裝在抓取機上進行了調(diào)試試驗，試驗結論符合預期的效果，其將正式用于大、小車定位系統(tǒng)中。

3 驅(qū)動裝置

有了導向裝置，我們確保了起重機的直線運行；有了定位裝置，系統(tǒng)知道了設備現(xiàn)在處在什么位置；最后我們還要有精確的驅(qū)動機構，讓起重機停在需要的位置。

要聲明的是，具有了導向裝置和定位裝置，傳統(tǒng)的起重機驅(qū)動機構就已經(jīng)可以滿足定位要求。常規(guī)起重機變頻調(diào)速的運行機構可以靠制動來滿足定位要求，通過測試制動后的偏移量，采用提前制動的方法將起重機停在需要的位置。

本套驅(qū)動裝置采用的是伺服驅(qū)動系統(tǒng)，與常規(guī)變頻調(diào)速相比伺服驅(qū)動具有恒扭矩、調(diào)速范圍大、額定速度高、精度高的優(yōu)勢，理論上其精度可以精確到伺服電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動±1°的量。根據(jù)我們實際使用情況，控制電機轉(zhuǎn)軸精確到±45°完全沒有問題。以大車運行機構為例，車輪直徑為380mm，最大運行速度15m/min，對應車輪轉(zhuǎn)速12.57rpm。采用伺服電機驅(qū)動，減速器速比為201（伺服電機額定轉(zhuǎn)速3000rpm，實際最高運轉(zhuǎn)速度為2527rpm），伺服電機精度可控制在轉(zhuǎn)動45°，對應車輪運行0.72mm；而對應的變頻調(diào)速系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)減速器速比111.37（4級電機額定速度1400rpm），電動機可控制在一圈，對應車輪運行10.7mm。伺服系統(tǒng)的運行精度遠遠高于變頻控制系統(tǒng)。

通過伺服電機及伺服驅(qū)動的使用，徹底解決了驅(qū)動機構的精度問題，可以做到通過驅(qū)動裝置直接停車到位，然后制動器才抱閘。

4 結論

本文介紹了起重機高精度運行定位系統(tǒng)，由導向裝置保證起重機直線運行；定位裝置檢測設備當前位置傳輸給控制系統(tǒng)；最后通過伺服驅(qū)動裝置精確定位停車，達到用戶精確定位的要求。起重機高精度運行定位系統(tǒng)為高定位精度的使用工況提供了解決方案，并為之后起重機通過程序自動運行打下了堅實的基礎。

[1] EJ-T801-93,核電廠專用起重機設計準則[s].中國核工業(yè)總公司, 1993.

[2] GB/T 10183.1-2010,起重機 車輪及大車和小車軌道公差 第1部分:總則[S].中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,2011.

High accuracy crane positioning system

JIA Bin

TH12

：B

1009-0134(2017)01-0153-04

2016-12-01

賈斌（1983 -），男，高級工程師，本科，主要從事橋式起重機和民用核電起重設備的設計工作。