戴文駿， 馬向華， 張未坤

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 上海 201418)

起重機(jī)制動(dòng)環(huán)節(jié)的性能會(huì)對(duì)整個(gè)起吊系統(tǒng)產(chǎn)生舉足輕重的影響。制動(dòng)性能直接和整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性掛鉤，而制動(dòng)下滑量是評(píng)定制動(dòng)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，所以對(duì)下滑量的研究自然地成為了重中之重[1]。

起重機(jī)在制動(dòng)后，吊鉤在自重或者載荷的狀態(tài)下，受重力和慣性的雙重影響，沿垂直方向滑動(dòng)一段距離，這個(gè)距離量就是制動(dòng)下滑量[2-3]?，F(xiàn)在列舉出市面上常見(jiàn)的幾種測(cè)量下滑量的方法以及它們各自存在的不足。

目測(cè)法：即在額定載荷狀態(tài)下，檢驗(yàn)人員在視線可及范圍內(nèi)，觀察起重機(jī)制動(dòng)下滑量產(chǎn)生的過(guò)程，大致評(píng)估出一個(gè)下滑量的近似值[4]。該方法測(cè)量精度低，測(cè)量結(jié)果完全依賴檢測(cè)人員的主觀判斷，易受施工環(huán)境、天氣條件、觀測(cè)站位點(diǎn)等外在因素影響。

行程開(kāi)關(guān)控制的檢測(cè)法：取極細(xì)的鋼絲繩，細(xì)繩的一端連接固定的觸點(diǎn)閉合的行程開(kāi)關(guān)，常閉觸點(diǎn)與控制下降回路的控制器相連，另一端掛上一個(gè)重量足以閉合、斷開(kāi)下降電路的小秤砣，測(cè)量時(shí)小秤砣放在載荷上，額定載荷低速下降到某一位置時(shí)，小秤砣從載荷上脫落，與此同時(shí)，下降電路被切斷，從載荷立刻下降制動(dòng)直到載荷靜止時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)，通過(guò)測(cè)量小秤砣和載荷之間的垂直距離，獲取制動(dòng)下滑量的數(shù)據(jù)[5]。此法存在以下缺點(diǎn)：選取的小秤砣的質(zhì)量很難保證；從行程開(kāi)關(guān)與小秤砣接觸到起重機(jī)斷電制動(dòng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)，存在一個(gè)很短的延時(shí)段的下移距離；在下滑量讀取時(shí)，還需測(cè)量小秤砣和載荷的位置，實(shí)際操作時(shí)受測(cè)量環(huán)境條件制約；最突出的缺點(diǎn)是二次測(cè)量時(shí)要對(duì)行程開(kāi)關(guān)復(fù)位，不利于保障檢測(cè)人員的人身安全。

光控繼電器檢測(cè)法：將原來(lái)的行程開(kāi)關(guān)用光控繼電器替換掉，實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)下降回路的控制。把鋼尺固定在負(fù)載砝碼的一側(cè)，通過(guò)讀取鋼尺刻度獲得下滑量[6]。此法測(cè)量一次產(chǎn)生的偏差較大，需多次測(cè)量，取平均值。

綜合旋轉(zhuǎn)編碼器與光電計(jì)數(shù)器的檢測(cè)法：該方法是在起升機(jī)構(gòu)高速級(jí)軸線上的一個(gè)傳動(dòng)件器件上，對(duì)圓形傳動(dòng)器件的側(cè)面進(jìn)行12等分(等分的個(gè)數(shù)越多測(cè)量的結(jié)果也就越精確)，并且做好等分標(biāo)記線。將光電計(jì)數(shù)器與起升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)建立聯(lián)鎖，控制系統(tǒng)斷電的瞬間光電計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。將等分標(biāo)記線的側(cè)頭與計(jì)數(shù)器的測(cè)量探頭對(duì)準(zhǔn)重合，起升機(jī)構(gòu)慢檔低速穩(wěn)定運(yùn)行，下降制動(dòng)停止后下滑量的讀取通過(guò)對(duì)所測(cè)得的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值進(jìn)行換算獲得[7]。此法在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)很難對(duì)傳動(dòng)器件的側(cè)平面絕對(duì)等分；對(duì)等分線的標(biāo)記也很難實(shí)際操作；而且光電計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)過(guò)程中不一定準(zhǔn)確。

激光測(cè)距的檢測(cè)法：該方法將激光測(cè)距儀放置在負(fù)載正下方來(lái)檢測(cè)距離信息數(shù)據(jù)，利用無(wú)線通信計(jì)數(shù)，將測(cè)得的距離數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)分析能力，自動(dòng)計(jì)算出制動(dòng)下滑量并實(shí)時(shí)顯示下滑量隨時(shí)間的變化曲線圖[8]。此法雖智能化程度較高，測(cè)量精度較高，但由于激光測(cè)量設(shè)備處于負(fù)載正下方，對(duì)負(fù)載和激光測(cè)量設(shè)備都會(huì)存在一定的安全隱患。

高速圖像捕捉設(shè)備的檢測(cè)法：利用手持式控制器控制吊重系統(tǒng)抱閘制動(dòng)，載荷制動(dòng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的位置高度值h1被高速圖像捕捉設(shè)備快速精確地記載下來(lái)，接著在制動(dòng)載荷下降直到處于穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的高度值h2捕捉記錄下來(lái)。結(jié)合特定行業(yè)開(kāi)發(fā)的專門(mén)軟件，快速精確地計(jì)算出下降過(guò)程中的高度差Δh=h1-h2，即起重機(jī)的制動(dòng)下滑量[9]。此法對(duì)捕捉圖像的設(shè)備性能要求極高，無(wú)形之中提高了測(cè)量的成本，而且測(cè)量距離有限，具體距離視高速圖像捕捉設(shè)備的性能而定。

為了彌補(bǔ)上述方法中的缺陷，本文采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思維兼顧高效節(jié)能的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了一種攜帶方便、現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、測(cè)量精度優(yōu)良的制動(dòng)下滑量檢測(cè)系統(tǒng)[10]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文研究并設(shè)計(jì)了一種起重機(jī)制動(dòng)下滑量檢測(cè)系統(tǒng)，其主要構(gòu)成有：用于安裝在起重機(jī)吊鉤表面上的磁力基座、內(nèi)置數(shù)據(jù)采集SD卡的下滑量檢測(cè)儀、手持式檢測(cè)儀無(wú)線控制器以及安裝上位機(jī)軟件的計(jì)算機(jī)[11]。下滑量檢測(cè)儀內(nèi)置數(shù)據(jù)采集功能的加速度傳感器、陀螺儀傳感器、磁力傳感器，將采集的數(shù)據(jù)保存到單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，藍(lán)牙模塊發(fā)射端與上位機(jī)相連，接收到手持式檢測(cè)儀無(wú)線控制器的數(shù)據(jù)采集指令，將傳感器捕捉到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)軟件對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，計(jì)算出起重機(jī)制動(dòng)下滑量的結(jié)果，同時(shí)生成制動(dòng)過(guò)程中加速度、速度、位移隨時(shí)間變化的曲線圖并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化管理。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 System overall design

下滑量檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程，如圖2所示。該檢測(cè)系統(tǒng)的手持式檢測(cè)儀無(wú)線控制器可以完成信號(hào)的接收、發(fā)射以及檢測(cè)儀的狀態(tài)切換。檢測(cè)儀的狀態(tài)分為以下3種模式：開(kāi)始測(cè)量前的初始化狀態(tài)、測(cè)量開(kāi)始狀態(tài)、測(cè)量結(jié)束狀態(tài)。當(dāng)手持式檢測(cè)儀無(wú)線控制器的測(cè)量啟動(dòng)按鈕被觸發(fā)時(shí)，發(fā)送檢測(cè)信號(hào)以開(kāi)始測(cè)量，下位機(jī)接收到采集的數(shù)據(jù)后，執(zhí)行隨后的數(shù)據(jù)處理。

圖2 下滑量檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程圖Fig.2 Work flow chart of the slide distance detector system

基于VB6.0設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，利用藍(lán)牙通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)下滑量檢測(cè)儀的遠(yuǎn)程控制，經(jīng)過(guò)對(duì)加速度傳感器的數(shù)據(jù)積分處理以獲得制動(dòng)下滑量數(shù)據(jù)值[12]。檢測(cè)結(jié)果的下滑量值與上位機(jī)軟件設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍對(duì)比，判斷它是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，數(shù)據(jù)采集加工系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集加工系統(tǒng)Fig.3 Data acquisition and processing system

1.2 系統(tǒng)工作原理

加速度傳感器、陀螺儀傳感器及磁力傳感器本身就是敏感元件，它們檢測(cè)加速度、角速度以及磁場(chǎng)強(qiáng)度物理量并輸出與該物理量有確定關(guān)系的信號(hào)，轉(zhuǎn)換元件將這些輸入的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，電信號(hào)經(jīng)過(guò)變換電路的放大調(diào)制，輸出易于測(cè)量的電信號(hào)量[13]。只要使用 ADC 測(cè)量出電壓值，并參照轉(zhuǎn)換關(guān)系即可求得實(shí)際物理量，如圖4所示。

圖4 傳感器工作原理圖Fig.4 Sensor working principle diagram

其中，陀螺儀傳感器和磁力傳感器的引入起到校正姿態(tài)角的作用，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。

數(shù)據(jù)采集處理模塊對(duì)原始的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪音處理之后，再進(jìn)行積分運(yùn)算得到載荷的速度信息，即

(1)

式中，A為下滑量檢測(cè)儀采集到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻的下滑量數(shù)值。

起重機(jī)運(yùn)動(dòng)的理想過(guò)程為:靜止(AB段)—?jiǎng)蚣铀傧陆?BC段)—?jiǎng)蛩傧陆?CD段)—?jiǎng)驕p速下降(DE段)—停止(EF段)。采用最小二乘法對(duì)求得的實(shí)際速度曲線進(jìn)行分段擬合，獲得各速度區(qū)域的速度函數(shù)，其理想速度曲線，如圖5所示。

圖5 理想速度曲線圖Fig.5 Ideal speed graph

圖中:

式(2)中K1為靜止?fàn)顟B(tài)前，負(fù)載速度擬合后，結(jié)果為零的速度數(shù)值；式(3)中K2、K3為起重機(jī)勻加速下降的速度擬合過(guò)程中，建立速度與時(shí)間關(guān)系的2個(gè)參數(shù)；式(4)中K4為勻速下降速度。而

式(5)中K5、K6為起重機(jī)下降制動(dòng)的速度擬合過(guò)程中，建立速度與時(shí)間關(guān)系的2個(gè)參數(shù)；式(6)中K7為制動(dòng)停止后起重機(jī)的運(yùn)行速度，其數(shù)值為0。

起重機(jī)制動(dòng)下滑量就是起重機(jī)在下降制動(dòng)過(guò)程中，勻減速下降到完全靜止，這一時(shí)間段下滑的距離，根據(jù)上述公式分析可得，制動(dòng)下滑量為

(7)

化簡(jiǎn)后的下滑量可表達(dá)為：

(8)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控制芯片選用ST公司的STM32L476RG芯片。該系統(tǒng)主要由STM32L476RG單片機(jī)及外圍電路、數(shù)據(jù)采集模塊、通信管理模塊、OLED顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、鋰電池模塊等整合而成。構(gòu)成數(shù)據(jù)模塊的加速度傳感器采集加速度數(shù)據(jù)，陀螺儀傳感器采集角速度數(shù)據(jù)，磁力傳感器采集磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)量。通信模塊主要涉及到傳感器和主控芯片之間的連接，主控芯片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和無(wú)線發(fā)射端的連接以及無(wú)線發(fā)射端與上位機(jī)的連接。整個(gè)硬件系統(tǒng)由節(jié)能環(huán)保重復(fù)利用率較高的鋰電池提供電能。

STM32L476RG單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及JTAG調(diào)試接口電路。電源管理模塊由鋰電池供電，為系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的電源；數(shù)據(jù)采集模塊涉及到加速度計(jì)、陀螺儀等傳感器電路；通信管理模塊主要采用無(wú)線藍(lán)牙通信。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件圖Fig.6 Data acquisition system hardware diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)測(cè)試軟件系統(tǒng)通過(guò)總線接口與下位機(jī)的加速度等傳感器串聯(lián)成一個(gè)整體，能對(duì)整個(gè)下滑量檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，也可以利用手持式下滑量檢測(cè)儀的控制器進(jìn)行。用戶在人機(jī)交互的測(cè)試界面上發(fā)布指令，經(jīng)過(guò)總線接口的控制模塊向起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)傳達(dá)指令，起重機(jī)接收指令，做出相應(yīng)動(dòng)作。緊隨其后，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)總線接口的數(shù)據(jù)采集模塊，采集加速度等傳感器的輸出信號(hào)。上位機(jī)具有的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)加工處理能力，將處理所得的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在測(cè)試軟件系統(tǒng)的人機(jī)交互界面上[14]。檢測(cè)系統(tǒng)工作原理，如圖7所示。

圖7 檢測(cè)系統(tǒng)工作原理圖Fig.7 Fundamental diagram of the detection system

上位機(jī)的測(cè)試軟件系統(tǒng)監(jiān)控整個(gè)測(cè)試過(guò)程，對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終在人機(jī)交互界面顯示測(cè)量過(guò)程中的加速度、速度、位移隨時(shí)間的變化曲線以及制動(dòng)下滑量的數(shù)據(jù)結(jié)果，用戶根據(jù)測(cè)試軟件設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍，觀察測(cè)得的數(shù)據(jù)量是否超過(guò)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

下位機(jī)軟件主要涉及系統(tǒng)初始化、通信管理、數(shù)據(jù)采集等。下位機(jī)配置好各種輸入設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。主程序首先完成系統(tǒng)初始化，接著控制加速度傳感器、陀螺儀傳感器和磁力傳感器的主控芯片STM32L476RG中寄存器WHO_AM_I的值，與數(shù)據(jù)手冊(cè)中的寄存器參數(shù)0x73比對(duì)，若參數(shù)相同，則表明傳感器處于正常工作狀態(tài)。此時(shí)可以對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和讀取[15]。若參數(shù)不同，則表明傳感器處于異常工作狀態(tài)。具體流程如圖8所示。

圖8 下位機(jī)軟件的工作流程圖Fig.8 Work flow chart of the lower computer software

若檢測(cè)到傳感器處于正常工作狀態(tài)，就可以讀取數(shù)據(jù)寄存器，獲取采樣數(shù)據(jù)。利用固件庫(kù)函數(shù)分別讀取三軸加速度、角速度以及磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)值。把讀取得的 ADC值除以各自的分辨率，即可求得各自實(shí)際物理量數(shù)值。這僅是采集的原始的數(shù)據(jù)，可以利用卡爾曼濾波算法，去除不需要的隨機(jī)噪聲干擾，得到所需的真實(shí)數(shù)據(jù)[16]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1中數(shù)據(jù)是在結(jié)構(gòu)與安全工程實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。一共測(cè)得30組數(shù)據(jù)。其中10組是負(fù)載為空載時(shí)測(cè)得的下滑量；10組是負(fù)載為200 kg時(shí)測(cè)得的下滑量；剩余10組是負(fù)載為400 kg時(shí)測(cè)得的下滑量。

表1 下滑量數(shù)據(jù)表Tab.1 Slide distance data sheet mm

表2數(shù)據(jù)反映了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)量值，相對(duì)于計(jì)量值，所設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置的測(cè)量精度及波動(dòng)值大小。

表2 下滑量數(shù)據(jù)對(duì)比表Tab.2 Slide distance data comparison table mm

由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過(guò)測(cè)量?jī)x檢驗(yàn)測(cè)得的多組數(shù)據(jù)比較集中，可反映出該檢測(cè)儀檢測(cè)下滑量的穩(wěn)定性。由表2的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，檢測(cè)得的數(shù)據(jù)同計(jì)量值相比，誤差較小，測(cè)量值的準(zhǔn)確性較高。

5 結(jié) 語(yǔ)

檢測(cè)系統(tǒng)的加速度檢測(cè)裝置固定在滑輪吊鉤頸部，外形小巧，安裝拆卸簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高且抗干擾能力強(qiáng)。使用人員可以遠(yuǎn)距離操縱，減少了因制動(dòng)失效而導(dǎo)致重物墜落等危及生命安全的事故發(fā)生，使得檢測(cè)過(guò)程中測(cè)量人員的工作安全得到保障。