摘" 要：汽車起重機因機動性好、吊載靈活的優(yōu)點已成為施工作業(yè)中的吊載主力，其主要包含汽車底盤、變幅機構、回轉機構、伸縮機構和吊重機構，傳統(tǒng)模式下要完成伸臂動作，必須不斷地放主鉤、放副鉤、伸臂、再次放鉤，并且稍不留神吊鉤容易沖頂毀壞臂頭滑輪。完成縮臂動作首先要收主鉤、收副鉤、縮臂、再次收繩，不然吊鉤容易落地引起張力不足導致卷揚鋼絲繩亂繩。卷揚隨動技術能夠很好地解決這些痛點，在伸縮臂過程中卷揚自動跟隨旋轉，旋轉速度跟隨臂長變化率，實時保證吊鉤懸掛于安全范圍內，包含3種模式①臂頭變化模式——伸縮臂過程中吊鉤和臂頭的距離實時保持固定；②地面隨動模式——吊鉤和地面的距離實時保持固定；③智能隨動模式——根據(jù)臂長自動調整吊鉤高度，伸臂越長放繩越多。

關鍵詞：汽車起重機；卷揚隨動；系統(tǒng)設計；吊載；應用

中圖分類號：TH213" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0127-04

Abstract： Truck cranes have become the main lifting force in construction operations due to their advantages of good mobility and flexible lifting. They mainly include car chassis， luffing mechanism， slewing mechanism， telescopic mechanism and lifting mechanism. In the traditional mode， to complete the arm extension action， you must constantly release the main hook， the auxiliary hook， the arm extension， and the hook again. Moreover， if you are not careful， the hook can easily hit and destroy the arm head pulley; To complete the arm retraction action， we must first retract the main hook， the auxiliary hook， the arm， and the rope again. Otherwise， the hook will easily fall to the ground， causing insufficient tension and causing chaos to the winding wire rope. Winding follow-up technology can solve these pain points well. During the telescopic boom process， the winch automatically follows the rotation， and the rotation speed follows the change rate of the boom length， ensuring that the hook is suspended within a safe range in real time. There are three modes， ① Arm head change mode-the distance between the hook and the arm head remains fixed in real time during the telescopic boom process; ② Ground follow-up mode-the distance between the hook and the ground remains fixed in real time; ③ Intelligent follow-up mode-According to the arm length， the height of the hook is automatically adjusted， and the longer the arm is extended， the more ropes are placed.

Keywords： truck crane; winch follow-up; system design; lifting load; application

汽車起重機伸縮機構分為繩排和單缸插銷2種：①繩排結構由臂內鋼絲繩和滑輪組組成，可實現(xiàn)多節(jié)臂同時伸縮，伸縮速度快但是吊載性能弱，常用于5節(jié)臂及以下機型；②單缸插銷由于臂段之間機械連接，伸縮臂只能按順序一節(jié)一節(jié)完成繩排機構，吊載能力強但是伸縮操作繁瑣，常用于6節(jié)臂及以上機型。

傳統(tǒng)模式下用于動作繁瑣，操作者需要保持高度警惕，否則吊鉤極易沖頂或者落地，給作業(yè)帶來安全隱患，卷揚隨動技術能夠很好地解決這些痛點。設計臂頭、對地、智能3種隨動模式（圖1）來保證作業(yè)自動化及吊鉤位置的安全性。

相較傳統(tǒng)操作模式，卷揚隨動的主要優(yōu)點有：①減少繁瑣的操作，解放人力；②提高伸縮臂效率，減少作業(yè)等待時間；③摒棄發(fā)動機轉速和倍率對操作的影響。

本文從起重機伸縮過程存在的痛點和迫切的需求出發(fā)，綜合運用自動控制原理、軟件編程技術，設計一種可行的卷揚隨動控制方法，包含卷揚隨動的3種模式。

1" 系統(tǒng)設計

1.1" 硬件及輔助模型

1.1.1" 采集終端

①電子三圈保護器，提供卷揚當前轉速Vcur，卷揚當前圈數(shù)Ncur，三圈報警Alarm；②長度傳感器，提供當前臂長Lcur。

1.1.2" 控制終端

①主卷揚比例閥，輸入信號0～1 000 mA電流；②副卷揚比例閥，輸入信號0～1 000 mA電流。

1.1.3" 卷筒繞繩模型

卷簡繞繩模型如圖2所示。輸入單層總匝數(shù)N，總層數(shù)LN，鋼絲繩直徑計算得到每一層鋼絲繩的周長LcArray。

1.2" 系統(tǒng)設計

將伸臂過程多周期化分解，上一周期臂長的變化ΔL作為下一周期卷揚放繩長度（圖3），引入卷筒繞繩模型，得到當前卷揚放繩周長，卷揚放繩長度/當前卷揚放繩周長/周期長度即為卷揚目標轉速，應用閉環(huán)負反饋控制理念，卷揚目標轉速和當前轉速的差值作為PID算法的輸入，其輸出作為控制卷揚比例閥的電流完成跟隨控制，具體算法如下（圖4）。

說明：第7步中370作為卷揚旋轉的比例閥最小電流，不同車型會不一樣，并且卷揚正轉和反轉的閾值也不一樣，需實際測試得出。

1.3" 隨動模式

1.3.1" 臂頭模式

臂頭模式要求吊鉤和臂頭的距離實時保持一致，所以只需將臂長變化量Lcur-Lold作為ΔL輸入上述算法即可（第三步）。

1.3.2" 對地模式

對地模式要求吊鉤和地面的距離實時保持一致，所以ΔL需是臂長變化量和高度變化量的和，即ΔL=（Lcur-Lold）+（Lcur-Lbase）×sin（Θ）×Mul，Θ為當前主臂角度，Mul為當前倍率。

1.3.3" 局限性分析

①臂頭模式在起重機全伸臂時隨著主臂不斷伸長，主臂側的鋼絲繩逐漸放長導致主臂側拉力逐漸加重，吊鉤側重量不足以拉緊整條主臂上的鋼絲繩，故而卷揚空轉引起亂繩；②臂頭模式如果有放繩誤差容易觸發(fā)高度限位，導致吊鉤沖頂造成臂頭滑輪損壞；③對地模式為了維持吊鉤和地面的距離固定，因為受主卷倍率的放大主卷需要以很快的速度旋轉，特別是在縮臂時若卷揚旋轉太快也會出現(xiàn)排列不齊；④對地模式因為放繩太多容易觸發(fā)三圈報警。鑒于2種常規(guī)的隨動模式都有不可避免的使用局限性，筆者通過大量的實踐設計出一種較為實用的智能隨動模式。

1.3.4" 智能隨動模式

整體算法改進如下。

1）標定臂頭位置：全縮臂狀態(tài)下主、副鉤剛剛觸碰高度限位，記錄此時電子三圈的已旋轉圈數(shù)Lp0，得到初始卷筒上已纏繞鋼絲繩長度L0。

2）計算吊鉤和臂頭的實時高度。實時讀取電子三圈已旋轉圈數(shù)Lp，計算得到當前卷筒上鋼絲繩長度L；主鉤高度（距臂頭）：（（L-L0）的絕對值-（當前臂長-基本臂長））/倍率；副鉤高度（距臂頭）：（L-L0）的絕對值-（當前臂長-基本臂長）。

3）設置2種卷揚放繩速度。慢速模式（臂頭模式）：放繩速度=臂長變化；快速模式（對地模式）：放繩速度=臂長變化+高度變化量×倍率。

4）吊鉤高度控制策略。伸臂：臂長小于50 m，慢速模式；臂長大于等于50 m，快速模式；縮臂：臂長大于50 m，慢速模式；臂長小于等于50 m，快速模式。

5）安全限制。未標定臂頭位置：慢速。高度比=吊鉤高度（距臂頭）/臂頭高度。伸臂：高度比小于0.2，快速放繩，直到高度比大于0.25，高度比大于0.4，慢速放繩，直到高度比小于0.35；縮臂：高度比小于0.2，慢速收繩，直到高度比大于0.25，高度比大于0.4，快速收繩，直到高度比小于0.35，以防止卷揚轉速頻繁地在快慢速切換。

6）縮臂限速：由于縮臂的時候臂長變化量是一個波動值，在快速模式下受倍率的放大，若按實際值放繩，此時卷揚會忽快忽慢（類似于正弦）非常影響用戶體驗，故在縮臂時將臂長變化量最大限制在某特定值。

7）臂頭臂尾平滑處理：根據(jù)選定的目標臂段，在（實際缸長百分比-目標缸長百分比）的絕對值小于3的時候開始斜坡減速，減速斜坡和剩余缸長百分比有關。

8）副鉤補償：在雙卷隨動時，若主鉤高度-副鉤高度gt;特定值，則加快或減慢副卷速度，具體數(shù)值和高度差有關，并且設置副卷轉速上限以防止高度差過大時副卷超速旋轉。

9）虛擬高度限位：標定臂頭位置后系統(tǒng)會記住此位置，如果吊鉤距離改位置小于0.5 m，系統(tǒng)會認為高度限位觸發(fā)自動停止卷揚旋轉防止其沖頂。為設備提供二次安全保護。

通過算法改進實現(xiàn)放繩的長度和總臂長有關，伸臂越長放繩越多，但是吊鉤總是處于安全范圍之內（高度比0.2～0.4），并且吊鉤從任意高度開始跟隨最終都會進入這個安全范圍內，極大地提高了系統(tǒng)的智能性和實用性。

2" 程序設計

整體程序采用Codesys編寫，輪詢周期20 ms，包含以下幾部分。①電子三圈標定：設置ID，標定三圈零點；②計算放繩長度：計算當前卷揚上已纏繞繩長；③卷揚隨動算法：主體算法設計；④PID：計算輸出電流值。部分代碼如下。

2.1" 電子三圈標定

CASE DviceID OF

1：CanWriteMsg（wDrvNr：=0，dwID：=16#07E5，ucLen：=8，bRtrFrame：=FALSE，ucByte1…

ucByte8：= 16#11，16#26， 16#16， 16#0…）

2：CanWriteMsg（wDrvNr：=0，dwID：=16#07E5，ucLen：=8，bRtrFrame：=FALSE，ucByte1…

ucByte8：= 16#17，16#26， 16#0…）

END_CASE

以上代碼用于設置電子三圈的ID，因為裝機的主副卷揚三圈其實是同一物料，CAN總線中需要修改其ID以實現(xiàn)區(qū)分。

2.2" 計算放繩長度

以上代碼用于計算當前卷揚上已纏繞的鋼絲繩長，其和初始纏繞繩長的差即為放出繩長。

2.3" 卷揚隨動算法

以上代碼用于在每秒臂長變化大于20 mm的情況下引入卷筒繞繩模型，得到卷揚的目標轉速，將其和實際轉速一起輸入到PID中計算控制電流。

3" 試驗驗證

3.1" 控制精度測試

選用某6節(jié)臂起重機測量臂頭模式吊鉤隨動精度，大臂全縮狀態(tài)時將2把皮尺分別固定在臂頭和鉤頭（主鉤4倍率），測量鉤頭至臂頭的距離（2把皮尺的刻度差），然后按順序伸臂，每伸一節(jié)臂測量一次直至全伸記錄試驗結果；再按照順序全縮記錄試驗結果。

綜合分析表1、表2數(shù)據(jù)得出：臂頭模式下主鉤（4倍率）隨動誤差0.6 m，副鉤（1倍率）隨動誤差0.8 m，隨動精度高，控制算法穩(wěn)定可靠。

3.2" 成果及價值

①伸縮臂操作由多次頻繁的操作變?yōu)橐绘I即可完成，解放雙手的同時降低吊裝作業(yè)的勞動強度；②在增加少量成本的前提下提高操控便利性，6節(jié)臂機型全伸臂效率提升20%～25%，卷揚隨動作為起重機智能化提升的亮點之一已成為當前客戶指定要求的功能，已推廣至100、130、800 t等多個系列1 000余臺車。

4" 結束語

本文從起重機伸縮臂操作的痛點入手，設計出3種解決繁瑣操作、減少作業(yè)等待時間的卷揚隨動模式，分析了每種隨動模式的優(yōu)勢和局限性，并詳細給出了算法設計和程序實現(xiàn)，最后通過實車測試測得在臂頭模式下從基本臂到全伸臂得過程中主鉤隨動高度誤差0.6 m，副鉤0.8 m，隨動精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、動作過度平滑，具有較高的推廣應用價值。

參考文獻：

[1] 徐春博，趙丁選，孔維天，等.基于視覺的吊裝機器人卷揚隨動控制研究[J].農業(yè)機械學報，2020，5（1）：417-426.

[2] 何冰，葉樺，孔曉潔，等.全地面起重機卷揚隨動策略研究[J].信息技術與信息化，2013（4）：88-91.

[3] 郭麗娟，劉志超，張永學，等.拖拉機柴油機負載工況數(shù)據(jù)分析與PID控制研究[J].農機化研究，2023，45（9）：250-254.

[4] 王懷康，趙立業(yè).改進預估模糊PID控制在氣動閥門定位系統(tǒng)中的應用[J].組合機床與自動化加工技術，2023（1）：142-146.

[5] 彭繼慎，李希桐.LBSO-PID控制方法在工業(yè)控制中的應用[J].制造業(yè)自動化，2023，45（1）：192-194.

[6] 王明錦，孫春耕，董湘湘，等.模糊PID控制10 MN液壓機閥控馬達轉速研究[J].重慶理工大學學報（自然科學），2023，37（1）：330-336.

[7] 丁兆驛，趙斌，張曉剛，等.流量反饋型電液比例閥的模糊PID控制特性[J].機床與液壓，2022，50（22）：119-124.

[8] 王志亮，劉志民，滑利光，等.基于電液比例閥的干法輥壓造粒機工作特性研究[J].機床與液壓，2022，50（13）：162-167.

[9] 向小強，李建松.某型液壓起重機卷揚系統(tǒng)抖動故障診斷與分析[J].液壓氣動與密封，2023，43（1）：124-128.

[10] 羅炎熱，郭堃，李林巖，等.起重機卷揚閉式液壓系統(tǒng)負扭矩控制策略研究[J].液壓氣動與密封，2023，4（2）：42-46.