一种臂结构动作限位控制方法及限位控制系统与流程

本发明涉及铁路、轨道交通和工程机械技术领域，尤其是涉及一种臂结构动作限位控制方法及限位控制系统。

背景技术：

在铁路和轨道交通技术领域，在使用机械设备进行施工时，往往需要对其作业幅度、范围进行限制，在规定的作业限界内进行施工作业(如限高，限宽等)，避免因为误操作等原因使机械设备与其他设施或车辆发生碰撞，如触碰到接触网或侵入临线与其他车辆发生碰撞，造成设备和人员伤亡。

本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：

现有的铁路设备限高、限位方式比较单一，基本以单一方向运动为主，利用拉线的测量方式测量高度进行限位，利用限位开关进行左右区域限位。对于多关节的臂结构来说，由于工作用具的多样性不同工作用具的大小和限制范围不同，由于各个机构组合动作，多方向动作，导致拉线方式和限位开关方式不适用于多关节的臂结构，不能做到准确的限高或者左右限位以及实时监测各机构位置，适用范围窄。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种臂结构动作限位控制方法及限位控制系统，以解决现有技术中存在的设备限位方式适用范围窄，且无法监测设备所处位置的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种臂结构动作限位控制方法，包括如下步骤：

步骤100、基准面选择：选择臂结构的底座顶部为基准面，作为高度测量的一个基准，以底座中心为起点向外朝任意方向设为底座角度0基准，并在系统中建立坐标系原点；

步骤200、基本数据录入：基本数据包括主臂长度、伸缩臂长度、辅助臂长度l3、限位高度h9；

步骤300、动态参数获取：启动臂结构，并实时采集设置在主臂上的主臂倾角传感器测得的主臂倾角a数据、设置在主臂末端的伸缩臂测距传感器测得的辅助臂伸出长度、设置在辅助臂上的辅助臂倾角传感器测得的辅助臂倾角b；

步骤400、高度计算：根据主臂长度与伸缩臂伸出长度计算第一臂总长l1，并根据主臂倾角a，根据数学三角函数计算第一臂末端与基准面之间的垂直高度l2，l2＝l1*cos(a)；根据辅助臂长度l3、辅助臂倾角b，根据数学三角函数计算辅助臂在竖直方向的垂直高度l4，l4＝l3*cos(180-b)；

步骤500、臂结构总高计算：当辅助臂倾角b小于90度时，辅助臂在竖直方向的垂直高度l4为负高度；当辅助臂倾角b大于90度时，辅助臂在竖直方向的垂直高度l4为正高度；当辅助臂在竖直方向的垂直高度l4为负高度时，臂结构总高l5以第一臂末端与基准面之间的垂直高度l2为准，并进行判断是否超过限位位置h9；当辅助臂在竖直方向的垂直高度l4为正高度时，臂结构总高l5＝l2+l4；当臂结构总高l5小于限高位置h9时，臂结构可自由运动；当臂结构总高l5大于或者等于限高高度h9时，臂结构只能向降低高度的方向运动；

步骤600、臂结构运动到指定位置：根据基本数据以及臂结构指定位置坐标测算主臂倾角a、辅助臂倾角b、第一臂总长l1，并根据测算数据通过plc模块控制臂结构运动，当主臂倾角传感器、伸缩臂测距传感器、辅助臂倾角传感器测得的数值达到测算数值时，plc模块控制对应的主臂、伸缩臂或辅助臂停止动作，并最终实现臂结构上的旋转头抵达指定位置，实现精准动作；

步骤700、左右旋转区域限位：臂结构根据使用的不同工作用具，系统设定不同的底座左右限位角度，根据底座旋转角度传感器计算当前位置相对于底座0基准的准确位置，当前角度位置和系统设定的左右限位角度进行比较，并最终实现臂结构对不同工作用具的左右限位控制，得以控制臂结构在限定范围内施工。

本发明提供的一种限位控制系统，包括底座、主臂、伸缩臂、辅助臂、旋转头、主臂倾角传感器、伸缩臂测距传感器、辅助臂倾角传感器和底座旋转角度传感器；其中：

所述底座转动设置在待安装位置，可沿水平方向进行左右无限制旋转；

所述主臂一端与所述底座转动连接，能相对于所述底座进行竖直方向的转动；另一端套设在所述伸缩臂外侧，并通过伸缩装置实现二者之间的连接，使得所述伸缩臂能相对于所述主臂伸出或缩回；

所述辅助臂一端与所述伸缩臂转动连接，能相对于所述伸缩臂进行竖直方向的转动，另一端通过转动装置与所述旋转头转动连接，使所述旋转头能相对于所述辅助臂的周向转动；

所述主臂倾角传感器安装在所述主臂上，用于测量主臂的倾斜角度；

所述伸缩臂测距传感器设置在所述主臂末端上，用于测量伸缩臂的伸出长度；

所述辅助臂倾角传感器安装在所述辅助臂上，用于测量辅助臂的倾斜角度；

所述底座旋转传感器安装在所述底座上，用于测量底座的旋转角度。

作为本发明的进一步改进，所述底座旋转角度范围为360度。

作为本发明的进一步改进，所述旋转头相对于所述辅助臂进行的顺时针或逆时针旋转角度范围为180度。

作为本发明的进一步改进，所述主臂与所述底座之间通过铰轴和液压缸转动连接，所述伸缩臂与所述辅助臂之间通过铰轴和液压缸转动连接。

作为本发明的进一步改进，所述主臂倾角传感器的测量范围为正负180度，用于测量所述主臂到所述铰轴位置的垂直高度。

作为本发明的进一步改进，所述伸缩臂测距传感器的测量范围为0-1000毫米，根据所述主臂长度和所述伸缩臂的伸出长度总和，计算所述伸缩臂末端测距所述主臂和所述底座上铰轴的垂直高度。

作为本发明的进一步改进，所述辅助臂倾角传感器的测量范围为正负180度，可根据该倾角值计算所述旋转头上的作业用具测距所述辅助臂和所述伸缩臂上铰轴位置的垂直高度。

作为本发明的进一步改进，所述底座旋转角度传感器的测量范围为无限角度，可根据该角度值计算臂结构相对初始位置旋转的角度。

作为本发明的进一步改进，所述伸缩装置为设置在所述主臂内的伸缩油缸，所述伸缩油缸的活塞杆与所述伸缩臂连接，用以带动所述伸缩臂的往复伸缩运动。

作为本发明的进一步改进，所述转动装置为正反转液压缸。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明提供的限位控制系统，通过各类传感器组合，实现实时数据监控，对机械设备进行动作范围限制和实现自动控制；具体的，通过角度、测距等传感器的组合应用实现对机械设备(或铁路如机械臂、吊车等作业设备)动作、位置的实时监测，实现智能控制，解决了机械设备在作业过程中可能出现的超出限界，超高，超出作业范围等问题；同时可通过读取实时数据，并通过plc或其他控制系统，利用数学三角函数，对机械设备各机构动作实现精准定位和控制，达到智能控制和动作的目的；本发明的限位控制系统，通过安装在多个运动机构上，对各机构的角度、伸缩长度进行实时监测，并通过计算得出具体位置，进一步的通过plc控制限制机械设备各机构所能到达的长度、角度，也可通过plc控制使各机构运动到指定角度或长度，从而实现复杂动作的自动控制；本发明提供的限位智能控制方法，利用数学三角函数计算高度。可进行多纬度、多关节结构的计算，特别是针对铁路和轨道交通领域中由多个活动结构组成的机械设备；比现有技术更加智能化，可实现机械设备各机构的实时位置监测和自动动作，从而减少繁琐的人工操作，减少误操作的几率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明限位控制系统的结构示意图。

图中1、底座；2、主臂；3、伸缩臂；4、辅助臂；5、旋转头；6、主臂倾角传感器；7、伸缩臂测距传感器；8、辅助臂倾角传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种臂结构动作限位控制方法，包括如下步骤：

步骤100、基准面选择：选择臂结构的底座1顶部为基准面，作为高度测量的一个基准，以底座中心为起点向外朝任意方向设为底座角度0基准，并在系统中建立坐标系原点；

步骤200、基本数据录入：基本数据包括主臂长度、伸缩臂长度、辅助臂长度l3、限位高度h9；

步骤300、动态参数获取：启动臂结构，并实时采集设置在主臂2上的主臂倾角传感器6测得的主臂倾角a数据、设置在主臂2末端的伸缩臂测距传感器7测得的辅助臂4伸出长度、设置在辅助臂4上的辅助臂倾角传感器8测得的辅助臂倾角b；

步骤400、高度计算：根据主臂长度与伸缩臂伸出长度计算第一臂总长l1，并根据主臂倾角a，根据数学三角函数计算第一臂末端与基准面之间的垂直高度l2，l2＝l1*cos(a)；根据辅助臂长度l3、辅助臂倾角b，根据数学三角函数计算辅助臂在竖直方向的垂直高度l4，l4＝l3*cos(180-b)；

步骤500、臂结构总高计算：当辅助臂倾角b小于90度时，辅助臂4在竖直方向的垂直高度l4为负高度；当辅助臂倾角b大于90度时，辅助臂4在竖直方向的垂直高度l4为正高度；当辅助臂4在竖直方向的垂直高度l4为负高度时，臂结构总高l5以第一臂末端与基准面之间的垂直高度l2为准，并进行判断是否超过限位位置h9；当辅助臂4在竖直方向的垂直高度l4为正高度时，臂结构总高l5＝l2+l4；当臂结构总高l5小于限高位置h9时，臂结构可自由运动；当臂结构总高l5大于或者等于限高高度h9时，臂结构只能向降低高度的方向运动；

步骤600、臂结构运动到指定位置：根据基本数据以及臂结构指定位置坐标测算主臂倾角a、辅助臂倾角b、第一臂总长l1，并根据测算数据通过plc模块控制臂结构运动，当主臂倾角传感器、伸缩臂测距传感器、辅助臂倾角传感器测得的数值达到测算数值时，plc模块控制对应的主臂、伸缩臂或辅助臂停止动作，并最终实现臂结构上的旋转头抵达指定位置，实现精准动作；

步骤700、左右旋转区域限位：臂结构根据使用的不同工作用具，系统设定不同的底座左右限位角度，根据底座旋转角度传感器计算当前位置相对于底座0基准的准确位置，当前角度位置和系统设定的左右限位角度进行比较，并最终实现臂结构对不同工作用具的左右限位控制，得以控制臂结构在限定范围内施工。

如图1所示，本发明提供的一种限位控制系统，包括底座1、主臂2、伸缩臂3、辅助臂4、旋转头5、主臂倾角传感器6、伸缩臂测距传感器7、辅助臂倾角传感器8和底座旋转角度传感器；其中：

底座1转动设置在待安装位置，可沿水平方向进行左右无限制旋转；安装完成后，底座1顶面与水平面平齐；

主臂2一端与底座1转动连接，能相对于底座1进行竖直方向的转动，也就是说主臂2能进行抬起或降下动作，能以与底座1连接点为轴进行上下运动；主臂2另一端套设在伸缩臂3外侧，并通过伸缩装置实现二者之间的连接，使得伸缩臂3能相对于主臂2伸出或缩回；伸缩臂3的运动是与主臂2轴线相平行的往复伸缩。

辅助臂4一端与伸缩臂3转动连接，能相对于伸缩臂3进行竖直方向的转动，另一端通过转动装置与旋转头5转动连接，使旋转头5能相对于辅助臂4的周向转动；旋转头5上用于夹装不同的作业用具。

主臂倾角传感器6安装在主臂2上，用于测量主臂2的倾斜角度a；

伸缩臂测距传感器7设置在主臂2末端上，用于测量伸缩臂3的伸出长度；具体的，伸缩臂测距传感器7采用现有技术中的产品实现，可根据产品需要进行按条件安装。

辅助臂倾角传感器8安装在辅助臂4上，用于测量辅助臂4的倾斜角度b。

底座旋转角度传感器安装在底座1上，用于测量底座1的旋转角度。

进一步的，为了提高产品适用范围，底座1旋转角度范围为360度。且可逆时针或顺时针旋转360度。

进一步的，旋转头5相对于辅助臂4进行的顺时针或逆时针旋转角度范围为180度。

进一步的，主臂2与底座1之间通过铰轴和液压缸转动连接，伸缩臂3与辅助臂4之间通过铰轴和液压缸转动连接。

进一步的，主臂倾角传感器6的测量范围为正负180度，用于测量主臂2到铰轴位置的垂直高度，所述倾角传感器可以使用陀螺仪传感器但不限于其他方式的倾角传感器。

进一步的，伸缩臂测距传感器7的测量范围为0-1000毫米，根据主臂2长度和伸缩臂3的伸出长度的总和，计算伸缩臂3末端距离主臂2和底座1上铰轴的垂直高度,所述测距传感器可以使用超声波测距但不限于其他方式的测距传感器。

进一步的，辅助臂倾角传感器8的测量范围为正负180度，可根据该倾角值计算旋转头5上的作业用具距离辅助臂4和伸缩臂3上铰轴位置的垂直高度。进一步的，底座旋转角度传感器的测量范围为无限角度，可根据该角度值计算臂结构底座相对初始0基准位置的旋转角度，所述旋转角度传感器可以使用旋转编码器但不限于其他方式角度测量传感器。

进一步的，伸缩装置为设置在主臂2内的伸缩油缸，伸缩油缸的活塞杆与伸缩臂3连接，用以带动伸缩臂3的往复伸缩运动。

进一步的，转动装置为正反转液压缸。

本发明提供的限位控制系统，通过各类传感器组合，实现实时数据监控，对机械设备进行动作范围限制和实现自动控制；具体的，通过角度、测距等传感器的组合应用实现对机械设备(或铁路如机械臂、吊车等作业设备)动作、位置的实时监测，实现智能控制，解决了机械设备在作业过程中可能出现的超出限界，超高，超出作业范围等问题；同时可通过读取实时数据，并通过plc或其他控制系统，利用数学三角函数，对机械设备各机构动作实现精准定位和控制，达到智能控制和动作的目的；本发明的限位控制系统，通过安装在多个运动机构上，对各机构的角度、伸缩长度进行实时监测，并通过计算得出具体位置，进一步的通过plc控制限制机械设备各机构所能到达的长度、角度，也可通过plc控制使各机构运动到指定角度或长度，从而实现复杂动作的自动控制；本发明提供的限位智能控制方法，利用数学三角函数计算高度。可进行多纬度、多关节结构的计算，特别是针对铁路和轨道交通领域中由多个活动结构组成的机械设备；比现有技术更加智能化，可实现机械设备各机构的实时位置监测和自动动作，从而减少繁琐的人工操作，减少误操作的几率。

这里首先需要说明的是，“向内”是朝向容置空间中央的方向，“向外”是远离容置空间中央的方向。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。