韓中成 楊小明 張浩星 王 偉

青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司 青島 266530

0 引言

集裝箱吊具姿態(tài)調(diào)整是集裝箱裝卸效率提高的瓶頸[1]，直接影響裝卸過(guò)程中集裝箱對(duì)位的時(shí)間、操作舒適性和安全[2]。自動(dòng)化輪胎起重機(jī)、軌道起重機(jī)的作業(yè)效率也較大程度取決于其吊具的水平回轉(zhuǎn)、小車方向平移和大車方向平移的姿態(tài)調(diào)整并在整個(gè)起升、下降過(guò)程中始終保持姿態(tài)不變的功能。當(dāng)前，通過(guò)小車系統(tǒng)的鋼絲繩纏繞方式實(shí)現(xiàn)以上功能是設(shè)計(jì)的主要方向。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于繞繩方式、集裝箱質(zhì)量、起升高度、需求姿態(tài)的多樣化組合使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制起來(lái)十分復(fù)雜。本文詳細(xì)介紹一種可以充分綜合考慮以上所有因素得出執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方式的新設(shè)計(jì)方法。

1 原理說(shuō)明

以如圖2所示為例，在4個(gè)方位布置4套輔助鋼絲繩卷筒，卷筒出繩后斜拉向吊具。當(dāng)4個(gè)輔助鋼絲繩卷筒出繩按照一定的邏輯關(guān)系和長(zhǎng)度變化，對(duì)于懸在空中的集裝箱吊具產(chǎn)生水平力，驅(qū)動(dòng)集裝箱吊具在空中實(shí)現(xiàn)水平回轉(zhuǎn)、小車方向平移和大車方向平移的位置調(diào)整。各繩索達(dá)到力的平衡后，吊具保持穩(wěn)定姿態(tài)。實(shí)際設(shè)計(jì)樣機(jī)存在左前輔助卷筒及鋼絲繩、左后輔助卷筒及鋼絲繩、右前輔助卷筒及鋼絲繩、右后輔助卷筒及鋼絲繩。圖2中X坐標(biāo)為大車行走方向，Y坐標(biāo)為小車行走方向，Z坐標(biāo)方向?yàn)槠鹕叨确较?。左前、右前、左后、右?個(gè)方位輔助卷筒收、放鋼絲繩與所實(shí)現(xiàn)的集裝箱動(dòng)作邏輯關(guān)系如表1所示。

表1 輔助卷筒收、放繩動(dòng)作與集裝箱動(dòng)作邏輯關(guān)系

上述邏輯關(guān)系表明集裝箱吊具在某一固定高度可以實(shí)現(xiàn)位置調(diào)整，實(shí)際設(shè)備應(yīng)用中還需要保證調(diào)整好的吊具姿態(tài)（即吊具水平回轉(zhuǎn)角度、小車方向平移距離和大車方向平移距離）在整個(gè)起升、下降過(guò)程中保持不變。這就要求4個(gè)方位布置4套輔助鋼絲繩卷筒出繩的長(zhǎng)度需要在集裝箱吊具上升、下降過(guò)程中根據(jù)集裝箱質(zhì)量、起升高度、需求姿態(tài)做出不斷調(diào)整。

本文即解決考慮繞繩方式、集裝箱質(zhì)量、需求姿態(tài)等因素，得出為保證集裝箱吊具起升、下降過(guò)程中需求姿態(tài)調(diào)整后保持不變，輔助鋼絲繩卷筒控制的一種新設(shè)計(jì)方法。

2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

1）根據(jù)繞繩方式參數(shù)化建立數(shù)字樣機(jī)；2）確定集裝箱吊具在整個(gè)起升、下降過(guò)程中需要達(dá)到并始終保持的姿態(tài)（水平回轉(zhuǎn)角度、小車方向平移距離和大車方向平移距離）為計(jì)算目標(biāo)；3）以集裝箱質(zhì)量、起升高度、計(jì)算目標(biāo)作為自變量，輔助卷筒鋼絲繩收放長(zhǎng)度調(diào)整量作為因變量，計(jì)算并將所得數(shù)據(jù)匯總；4）匯總數(shù)據(jù)擬合出3次擬合方程；5）3次擬合方程，寫(xiě)入輔助鋼絲繩卷筒的電機(jī)控制PLC程序，實(shí)現(xiàn)吊具姿態(tài)按預(yù)期調(diào)整后在整個(gè)起升、下降過(guò)程中姿態(tài)保持功能。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 建立模型

如圖1所示小車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及繞繩形式主要包括相互獨(dú)立同軸起升卷筒、輔助卷筒、起升鋼絲繩和輔助鋼絲繩。

圖1 小車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及繞繩形式

根據(jù)圖1參數(shù)化建立模型如圖2所示。為便于修改，模型建立時(shí)參數(shù)化變量如表2所示。

圖2 參數(shù)化建立模型示意

表2 模型建立所使用的參數(shù)化變量

3.2 確定計(jì)算目標(biāo)（實(shí)現(xiàn)吊具姿態(tài)）

驅(qū)動(dòng)輔助卷筒實(shí)現(xiàn)以下吊具姿態(tài)：吊具大車方向平移± 200 mm；吊具小車方向平移± 200 mm；吊具水平回轉(zhuǎn)± 5°。

3.3 運(yùn)行計(jì)算

以吊具大車方向平移± 200 mm為例，在某一特定起升高度、特定集裝箱起重量計(jì)算模型下，得出吊具質(zhì)心X大車方向位移曲線、輔助卷筒驅(qū)動(dòng)及跟隨位移曲線、輔助卷筒驅(qū)動(dòng)繩拉力載荷曲線如圖3所示，從而得出集裝箱吊具質(zhì)心X向位移分別為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的輔助卷筒驅(qū)動(dòng)、跟隨繩收放位移量及驅(qū)動(dòng)繩拉力載荷數(shù)據(jù)。

圖3 某特定起升高度、起重量下的曲線圖

3.4 數(shù)據(jù)匯總

將不同的集裝箱質(zhì)量、起升高度、計(jì)算目標(biāo)作為自變量匯總到數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以分別取0.25、0.5、0.75、1倍的變量數(shù)據(jù)進(jìn)行組合。將計(jì)算出的輔助鋼絲繩收放長(zhǎng)度調(diào)整量作為因變量。以40 000 kg吊重X向平移200 mm運(yùn)動(dòng)控制為例數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)匯總舉例

3.5 數(shù)據(jù)擬合

對(duì)得出的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合，以集裝箱質(zhì)量、高度、調(diào)整量為自變量x、y、z，輔助卷筒鋼絲繩收放長(zhǎng)度調(diào)整量為因變量，擬合考慮上述因素的近似方程。以X向位移200 mm為例擬合出的方程如表4所示，這里采用3次擬合方程

表4 X向位移200 mm擬合方程

同樣，以此方式可以得出吊具小車方向平移±200 mm及吊具水平回轉(zhuǎn)±5°的數(shù)據(jù)及擬合方程，在此不再列舉。

3.6 控制實(shí)施

將得到的大車方向平移、小車方向平移、吊具水平回轉(zhuǎn)的3次擬合方程，寫(xiě)入輔助鋼絲繩卷筒的電機(jī)控制PLC程序。2個(gè)自變量為吊重、起升高度在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)采集，1個(gè)自變量為控制姿態(tài)目的值，3個(gè)自變量輸入各擬合方程，得到因變量輔助卷筒鋼絲繩收放長(zhǎng)度調(diào)整量。輔助鋼絲繩卷筒的變頻電機(jī)配置絕對(duì)值編碼器，通過(guò)程序準(zhǔn)確控制鋼絲繩收放長(zhǎng)度。

4 結(jié)論

1）參數(shù)化建立模型 將計(jì)算模型進(jìn)行了參數(shù)化處理，在不同方案判斷時(shí)可以快速修改，以適應(yīng)多方案的快速比選工作；

2）計(jì)算方法考慮多因素影響 主要考慮了起重量、起升高度、吊具姿態(tài)目標(biāo)值等多項(xiàng)因素同時(shí)對(duì)控制輔助鋼絲繩收放長(zhǎng)度需要調(diào)整量的綜合影響。并能模擬出鋼絲繩自身柔性的影響、集裝箱吊重懸垂?fàn)顟B(tài)下的動(dòng)力影響等；

3）可精確實(shí)現(xiàn)吊具姿態(tài)調(diào)整并保持 通過(guò)本方法擬合出的方程可精確實(shí)現(xiàn)水平回轉(zhuǎn)角度、小車方向平移距離和大車方向平移距離的快速調(diào)整，且調(diào)整后的姿態(tài)在集裝箱吊具起升、下降整個(gè)過(guò)程中保持不變；

4）數(shù)字樣機(jī)節(jié)約成本 算例為數(shù)字樣機(jī)，無(wú)需試驗(yàn)等實(shí)體消耗，可以從理論上確認(rèn)各方案的可行性和優(yōu)劣程度，規(guī)避了預(yù)期目標(biāo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)；

5）控制方程可直接用于電氣控制 擬合出的3次多項(xiàng)次方程可以編譯程序用于姿態(tài)控制，對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制程序設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

本控制集裝箱吊具姿態(tài)調(diào)整并保持的設(shè)計(jì)方法，可以多因素考慮、快速預(yù)先評(píng)判設(shè)計(jì)方案的可行性和優(yōu)劣程度，為電氣精確控制程序設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持，為實(shí)現(xiàn)集裝箱吊具姿態(tài)調(diào)整、保持提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。