一种履带起重机吊钩高度检测系统及其实现方法与流程

本发明涉及一种履带起重机吊钩高度检测系统及其实现方法，属于高度检测技术领域。

背景技术：

目前传统的履带起重机没有吊钩离地高度显示或显示不准确，吊钩离地高度主要通过操作人员凭经验目测，但对于一些特殊工况，操作人员无法看到吊钩位置，根本不知道吊钩高度。

现有技术中，履带起重机基本没有实时显示吊钩离地高度。有极少数履带起重机通过加装其他检测设备，来实现检测吊钩高度。自动控制物体与地面距离的系统及其控制方法，其通过具有方向判断功能的出绳长度测量装置，置于驾驶室的人机界面、与人机界面耦合的可编程控制器和角度传感器，具有方向判断功能的出绳长度测量装置通过CAN总线与可编程控制器相连，并向其传单向传输信号，可编程控制器通过CAN总线向人机界面单向传输信号；角度传感器与可编程控制器相连。

但是该种方法存在一定的局限性：首先，该系统每次重物起吊前都要进行零位标定，因为当钢丝绳松弛时，该检测装置不能准确检测出钢丝绳出绳量。其次，该系统中，硬橡胶轮随着钢丝绳的上下滑动而进行滚动，橡胶轮的滚动带动编码器的转动。但实际为了保护钢丝绳，一般都在其上涂抹润滑油脂，这就导致钢丝绳和硬橡胶轮之间的滑动，很难保证准确检测出钢丝绳的出绳量。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种履带起重机吊钩高度检测系统及其实现方法，有效地提高对吊钩高度的测量，解决目前大部分情况下只能依靠视觉估算的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种履带起重机吊钩高度检测系统，其特征是，包括主控模块、角度传感器、编码器、报警装置和显示模块；所述角度传感器分别安装在主臂和副臂上，分别用于检测主臂和副臂的倾斜角并传送到主控模块中；所述报警装置与主控模块相连接，当主卷扬和副卷扬的圈数不多于三圈时，报警装置进行报警；所述编码器和主控模块、显示模块通过CAN总线通讯，编码器用于实时记录对应卷扬的转动圈数；所述编码器包括设置在主卷扬一侧中心轴上的主编码器和设置在副卷扬一侧中心轴上的副编码器。

进一步地，所述主编码器和副编码器各自通过联轴器、编码器安装板与对应的卷扬连接。

进一步地，所述主编码器和副编码器外均设置有编码器防护罩。

一种基于以上所述的履带起重机吊钩高度检测系统的实现方法，其特征是，包括如下步骤：

1)在卷扬缠绳时，当钢丝绳刚露出穿绳口时，开始标定编码器，包括编码器方向、单圈分辨率、总分辨率以及预置当前值。

2)操作卷扬，卷扬转动带动编码器转轴转动，通过编码器记录卷扬转过的圈数，并计算主卷扬和副卷扬每一层的钢丝绳长度；

3)根据步骤2)的结果结合当前的工况，实时计算主钩离地高度和副钩离地高度；

4)根据步骤3)公式计算主卷扬和副卷扬低于三圈时对应的主钩离地高度和副钩离地高度，依据此值设定报警装置的触发值当主卷扬和副卷扬低于三圈时，主控装置输出报警信号，触发报警器工作，同时限制卷扬落方向动作。

进一步地，所述步骤2)中假设主卷编码器当前记录的旋转圈数值为N_m，副卷编码器当前记录的旋转圈数值为N_f，钢丝绳缠绕满卷扬一层编码器旋转圈数为N_d，钢丝绳半径为r；

主卷扬第1层钢丝绳长度为LM₁＝2N_mπR₁；第2层钢丝绳长度为LM₂＝2(N_m-N_d)πR₂，其中R₂＝R₁+1.732r；第n层钢丝绳长度为LM_n＝2(N_m-(n-1)N_d)πR_n,其中R_n＝R₁+1.732(n-1)r；副卷扬第1层钢丝绳长度为LF₁＝2N_fπR₁；第2层钢丝绳长度为LF₂＝2(N_f-N_d)πR₂,其中R₂＝R₁+1.732r；第n层钢丝绳长度为LF_n＝2(N_f-(n-1)N_d)πR_n,其中R_n＝R₁+1.732(n-1)r，其中，R₁表示主卷扬高度R加上第一层钢丝绳半径r的距离和。

进一步地，所述步骤3)中假定主卷扬和主钩对应，副卷扬和副钩对应，主钩的倍率为Reev1，副钩的倍率为Reev2，主卷钢丝绳总长度为LT₁，副卷钢丝绳总长度为LT₂，主钩滑轮到钩底的距离为H₃，副钩滑轮到钩底的距离为H₅，主臂铰点离地面高度为H_o；

选定工况后，主卷到主臂导向滑轮的距离L₁，副卷到主臂导向滑轮距离L₂，主臂长度L_m，主臂导向滑轮到主臂头部滑轮距离L₃，主臂导向滑轮到副臂导向滑轮距离为L₄，副臂导向滑轮到副臂头部滑轮距离为L₅，副臂长度为L_f；设定主臂头到主臂头部滑轮中心的垂直距离为H₁；主臂的倾斜角为α，副臂的倾斜角为β；

则H₂＝{LT₁-(LM₁+LM₂+…+LM_n)-L₁-L₃}/Reev1；

主钩离地高度H_m＝L_m·sinα+H_o-H₁-H₂-H₃；

H₄＝{LT₂-(LF₁+LF₂+…+LF_n)-L₂-L₄-L₅}/Reev2；

副钩离地高度H_f＝L_m·sin_α+L_f·sin_β+H_o-H₄-H₅。

本发明所达到的有益效果：本发明可以实时显示吊钩离地高度，且显示精度较高；同时能够替代三圈保护器，实现三圈报警功能；本系统具体操作时通过编码器实时监测卷扬转动，减少外在干扰，并且只需要在缠绳时标定一次即可，方便简单。

附图说明

图1是本系统的示意图；

图2是卷扬剖面结构示意图；

图3是臂架简化模型示意图。

图中附图标记的含义：

1-主卷扬，2-副卷扬，3-主臂导向滑轮，4-主臂头部滑轮，5-主钩滑轮，6-副臂导向滑轮，7-副臂头部滑轮，8-副钩滑轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的目的是实现履带起重机吊钩高度检测，实时显示吊钩离地高度，并可替代卷扬三圈保护器实现三圈报警功能。

本系统是通过在主、副卷扬上加装编码器，在主、副臂上安装角度传感器，把编码器转动的角位移量和臂架变化的角度值输送到控制器，通过控制算法计算出吊钩离地高度和卷扬三圈位置。

具体地包括主控模块、角度传感器、编码器、报警装置和显示模块，其中，显示模块可以设置在驾驶室内的人机界面中，主控模块设置在电器柜内。

角度传感器用于检测主臂和副臂的倾斜角并传送到主控模块中。当主卷扬1和副卷扬2的圈数不多于三圈时，报警装置进行报警。

本发明中所谓的编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。

本系统在进行具体的操作时，包括如下步骤：

1)编码器安装在主、副卷扬一侧的中心轴上，通过联轴器和编码器安装板与卷扬连接，外面加装编码器防护罩。在卷扬缠绳时，当钢丝绳刚露出穿绳口时，开始标定编码器，包括编码器方向、单圈分辨率、总分辨率以及预置当前值。

2)操作卷扬，卷扬转动带动编码器转轴转动，通过编码器记录卷扬转过的圈数，并计算主卷扬1和副卷扬2每一层的钢丝绳长度。

如图2所示：假设主卷编码器当前记录的旋转圈数值为N_m，副卷编码器当前记录的旋转圈数值为N_f，钢丝绳缠绕满卷扬一层编码器旋转圈数为N_d，钢丝绳半径为r；

主卷扬1第1层钢丝绳长度为LM₁＝2N_mπR₁；第2层钢丝绳长度为LM₂＝2(N_m-N_d)πR₂，其中R₂＝R₁+1.732r；第n层钢丝绳长度为LM_n＝2(N_m-(n-1)N_d)πR_n,其中R_n＝R₁+1.732(n-1)r；副卷扬2第1层钢丝绳长度为LF₁＝2N_fπR₁；第2层钢丝绳长度为LF₂＝2(N_f-N_d)πR₂,其中R₂＝R₁+1.732r；第n层钢丝绳长度为LF_n＝2(N_f-(n-1)N_d)πR_n,其中R_n＝R₁+1.732(n-1)r。

3)根据步骤2)的结果结合当前的工况，实时计算主钩离地高度和副钩离地高度。

为了便于说明，如图3。假定主卷扬1和主钩对应，副卷扬2和副钩对应，主钩的倍率为Reev1，副钩的倍率为Reev2，主卷钢丝绳总长度为LT₁，副卷钢丝绳总长度为LT₂，主钩滑轮5到钩底的距离为H₃，副钩滑轮8到钩底的距离为H₅，主臂铰点离地面高度为H_o。

选定工况后，主卷到主臂导向滑轮3的距离L₁，副卷到主臂导向滑轮3距离L₂，主臂长度L_m，主臂导向滑轮3到主臂头部滑轮4距离L₃，主臂导向滑轮3到副臂导向滑轮6距离为L₄，副臂导向滑轮6到副臂头部滑轮7距离为L₅，副臂长度为L_f；设定主臂头到主臂头部滑轮4中心的垂直距离为H₁；

则H₂＝{LT₁-(LM₁+LM₂+…+LM_n)-L₁-L₃}/Reev1；

主钩离地高度H_m＝L_m·sinα+H_o-H₁-H₂-H₃；

H₄＝{LT₂-(LF₁+LF₂+…+LF_n)-L₂-L₄-L₅}/Reev2；

副钩离地高度H_f＝L_m·sin_α+L_f·sin_β+H_o-H₄-H₅。

4)根据步骤3)公式计算主卷扬1和副卷扬2低于三圈时对应的主钩离地高度和副钩离地高度，依据此值设定报警装置的触发值当主卷扬1和副卷扬2低于三圈时，主控装置输出报警信号，触发报警器工作，同时限制卷扬落方向动作。

本发明中的编码器也可以通过在马达上安装转速传感器来代替。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。