一种塔机自动控制系统及方法与流程

本发明属于塔机自动控制技术领域，特别是涉及一种塔机自动控制系统及方法。

背景技术：

塔机作为一种常见的装配建筑运输工具，其利用吊钩与负载相连，并通过大臂、小车、吊钩三个执行机构将负载运送到指定的位置，塔机在港口、仓库、建筑工地等场所得到了十分广泛的应用。

塔机在运行过程中，大臂的运动会导致负载的摆动，使得负载有可能会与周围的人员或物体发生碰撞，从而可能导致负载损坏甚至是人员伤亡。如果塔司的操作水平不高，负载在到达目标点时的残余摆动可能会更加强烈，不仅会带来较大的安全隐患，同时也会严重影响塔机的工作效率。因此，为了有效避免安全隐患，同时提高塔机的工作效率，在操作塔机时，一方面需要物料点和施工点的位置能够快速准确的定位，并能够实时获知大臂、小车、吊钩的实时位置，进而确定合适的减速点，才能实现负载的“无摆“或者”微摆“操作；另一方面需要减少施工现场的人员数量，提高塔机的自动控制水平，以减少塔机运行时的安全隐患。

目前，为了满足塔机快速准确定位和抑制负载摆动的操作要求，通常都是通过提高塔司的操作水平来实现的，而塔司的操作水平基本上只能通过多年的驾驶经验才能获得的，而塔机作为特种设备，其对塔司的操作水平以及技能要求始终都是较高的。另外，由于塔司在工作过程中需要始终处在塔机顶部狭小的驾驶室中，导致塔司的劳动强度较大，随着工作时间的延长，工作效率也会明显下降，同时也会影响到塔司的操作精度。再有，塔司主要依赖与地面信号工的实时通信完成吊装作业，而且盲吊区域比较大，导致安全保障始终比较困难。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种塔机自动控制系统及方法，可以将塔机的驾驶室移至地面，能够大幅度降低对塔司操作水平的要求，可有效降低塔司的劳动强度，可有效提高塔机运行时的安全性，可有效提高塔机的工作效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种塔机自动控制系统，包括塔机系统、gps定位系统、硬件控制系统、无线通讯系统及上位机控制系统；所述塔机系统包括大臂电机、小车电机及吊钩电机；所述gps定位系统包括gps固定基站、第一gps手持基站及第二gps手持基站，所述gps固定基站设置在塔机顶端，所述第一gps手持基站由施工点的工作人员进行携带，所述第二gps手持基站由物料点的工作人员进行携带；所述硬件控制系统包括大臂电机变频器、小车电机变频器、吊钩电机变频器、大臂电机编码器、小车电机编码器及吊钩电机编码器；通过大臂电机变频器对大臂电机的转向和转速进行调节，通过小车电机变频器对小车电机的转向和转速进行调节，通过吊钩电机变频器对吊钩电机的转向和转速进行调节；通过大臂电机编码器对大臂电机的转动圈数和转动角度进行测量，通过小车电机编码器对小车电机的转动圈数和转动角度进行测量，通过吊钩电机编码器对吊钩电机的转动圈数和转动角度进行测量；所述无线通讯系统用于将塔机顶端gps位置信息、施工点gps位置信息、物料点gps位置信息、大臂电机的转动圈数和转动角度、小车电机的转动圈数和转动角度、吊钩电机的转动圈数和转动角度无线传输至上位机控制系统；所述上位机控制系统用于输出大臂电机的减速时间和减速点、小车电机的减速时间和减速点、吊钩电机的减速时间和减速点。

所述小车电机和吊钩电机均配装有钢丝绳绕线机构，所述钢丝绳绕线机构包括钢丝绳绕线卷筒、主动齿轮、第一从动锥齿轮、第二从动锥齿轮、第三从动锥齿轮、第四从动锥齿轮、往复丝杆、导向杆、捋线滑块及从动齿轮轴；所述主动齿轮固装在钢丝绳绕线卷筒的转轴一端，主动齿轮用于传递小车电机或吊钩电机的驱动力；所述第一从动锥齿轮固装在钢丝绳绕线卷筒的转轴另一端；所述第二从动锥齿轮及第三从动锥齿轮分别固装在从动齿轮轴的两端；所述第四从动锥齿轮固装在丝杆一端；所述丝杆、导向杆及钢丝绳绕线卷筒平行设置，丝杆与从动齿轮轴相垂直；所述第一从动锥齿轮与第二从动锥齿轮相啮合，所述第三从动锥齿轮与第四从动锥齿轮相啮合；所述捋线滑块套装在往复丝杆及导向杆上。

在所述捋线滑块内设置有顶杆销、换向转轮、左旋螺母片、右旋螺母片、左拉杆及右拉杆；所述捋线滑块采用空心结构，所述顶杆销插装在捋线滑块上，顶杆销与往复丝杆相平行，顶杆销在捋线滑块的插装孔内具有直线移动自由度；所述换向转轮为捋线滑块内部，换向转轮通过中心轮轴与捋线滑块相连，换向转轮可绕中心轮轴自由转动，换向转轮的中心轮轴与顶杆销相垂直；所述顶杆销与换向转轮通过齿结构进行传动配合；所述左旋螺母片设置在左拉杆底端，左旋螺母片与往复丝杆的左旋螺纹相配合，左拉杆顶端铰接在换向转轮的轮盘上；所述右旋螺母片设置在右拉杆底端，右旋螺母片与往复丝杆的右旋螺纹相配合，右拉杆顶端铰接在换向转轮的轮盘上。

一种塔机自动控制方法，采用了所述的塔机自动控制系统，分为跟随自动驾驶方式和两点间固定路线自动驾驶方式；

当采用跟随自动驾驶方式时，由物料点的工作人员携带第二gps手持基站进行移动，在物料点的工作人员移动过程中，由gps固定基站和第二gps手持基站向上位机控制系统实时发送位置信息，同时大臂电机、小车电机及吊钩电机的转动圈数和转动角度信息也同步发送至上位机控制系统，塔机的吊钩上升到安全高度，再由上位机控制系统向大臂电机和小车电机发出减速时间和减速点的运行指令，使塔机的吊钩跟随物料点的工作人员从物料点自动移动到施工点；

当采用两点间固定路线自动驾驶方式时，由施工点的工作人员携带第一gps手持基站并停留在施工点处，由物料点的工作人员携带第二gps手持基站并停留在物料点处，由gps固定基站、第一gps手持基站及第二gps手持基站向上位机控制系统发送上述三点的位置信息，同时大臂电机、小车电机及吊钩电机的转动圈数和转动角度信息也同步发送至上位机控制系统，再由上位机控制系统向大臂电机和小车电机发出减速时间和减速点的运行指令，使塔机的吊钩先行移动到物料点，然后等待完成信号，当接收到完成信号后，使塔机的吊钩由物料点移动到施工点，再次等待完成信号，当接收到完成信号后，使塔机的吊钩由施工点返回物料点；使塔机的吊钩在物料点与施工点往复移动；当物料点和施工点的位置发生变化时，使塔机的吊钩在新的物料点和施工点间往复移动。

塔机上小车的移动距离由小车电机的转动圈数和转动角度进行确定，小车电机的转动圈数和转动角度与小车上牵引钢丝绳的收放量相对应；塔机上吊钩的移动距离由吊钩电机的转动圈数和转动角度进行确定，吊钩电机的转动圈数和转动角度与吊钩上牵引钢丝绳的收放量相对应。

对于第一gps手持基站、第二gps手持基站及gps固定基站所发出的位置信息，其初始位置信息坐标为(b，l，h)，坐标(b，l，h)中的b代表经度，l代表纬度，h代表高度，当上位机控制系统5接收到坐标为(b，l，h)的位置信息后，首先需要将坐标(b，l，h)转换为坐标(x，y，z)，然后以gps固定基站的位置信息作为坐标原点将坐标(x，y，z)转化为极坐标。

当上位机控制系统接收到来自gps固定基站、第一gps手持基站及第二gps手持基站发出的位置信息，以及大臂电机、小车电机及吊钩电机的转动圈数和转动角度信息后，在上位机控制系统内进行动画图像的同步显示。

本发明的有益效果：

本发明的塔机自动控制系统及方法，可以将塔机的驾驶室移至地面，能够大幅度降低对塔司操作水平的要求，可有效降低塔司的劳动强度，可有效提高塔机运行时的安全性，可有效提高塔机的工作效率。

附图说明

图1为本发明的一种塔机自动控制系统的原理图；

图2为本发明的钢丝绳绕线机构的立体图；

图3为本发明的钢丝绳绕线机构的俯视图；

图4为本发明的捋线滑块的剖视图；

图5为采用本发明的塔机自动控制系统对物料进行吊装转运时的流程图；

图中，1—塔机系统，2—gps定位系统，3—硬件控制系统，4—无线通讯系统，5—上位机控制系统，6—钢丝绳绕线卷筒，7—主动齿轮，8—第一从动锥齿轮，9—第二从动锥齿轮，10—第三从动锥齿轮，11—第四从动锥齿轮，12—往复丝杆，13—导向杆，14—捋线滑块，15—从动齿轮轴，16—顶杆销，17—换向转轮，18—左旋螺母片，19—右旋螺母片，20—左拉杆，21—右拉杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～4所示，一种塔机自动控制系统，包括塔机系统1、gps定位系统2、硬件控制系统3、无线通讯系统4及上位机控制系统5；所述塔机系统1包括大臂电机、小车电机及吊钩电机；所述gps定位系统2包括gps固定基站、第一gps手持基站及第二gps手持基站，所述gps固定基站设置在塔机顶端，所述第一gps手持基站由施工点的工作人员进行携带，所述第二gps手持基站由物料点的工作人员进行携带；所述硬件控制系统3包括大臂电机变频器、小车电机变频器、吊钩电机变频器、大臂电机编码器、小车电机编码器及吊钩电机编码器；通过大臂电机变频器对大臂电机的转向和转速进行调节，通过小车电机变频器对小车电机的转向和转速进行调节，通过吊钩电机变频器对吊钩电机的转向和转速进行调节；通过大臂电机编码器对大臂电机的转动圈数和转动角度进行测量，通过小车电机编码器对小车电机的转动圈数和转动角度进行测量，通过吊钩电机编码器对吊钩电机的转动圈数和转动角度进行测量；所述无线通讯系统4用于将塔机顶端gps位置信息、施工点gps位置信息、物料点gps位置信息、大臂电机的转动圈数和转动角度、小车电机的转动圈数和转动角度、吊钩电机的转动圈数和转动角度无线传输至上位机控制系统5；所述上位机控制系统5用于输出大臂电机的减速时间和减速点、小车电机的减速时间和减速点、吊钩电机的减速时间和减速点。

所述小车电机和吊钩电机均配装有钢丝绳绕线机构，所述钢丝绳绕线机构包括钢丝绳绕线卷筒6、主动齿轮7、第一从动锥齿轮8、第二从动锥齿轮9、第三从动锥齿轮10、第四从动锥齿轮11、往复丝杆12、导向杆13、捋线滑块14及从动齿轮轴15；所述主动齿轮7固装在钢丝绳绕线卷筒6的转轴一端，主动齿轮7用于传递小车电机或吊钩电机的驱动力；所述第一从动锥齿轮8固装在钢丝绳绕线卷筒6的转轴另一端；所述第二从动锥齿轮9及第三从动锥齿轮10分别固装在从动齿轮轴15的两端；所述第四从动锥齿轮11固装在丝杆12一端；所述丝杆12、导向杆13及钢丝绳绕线卷筒6平行设置，丝杆12与从动齿轮轴15相垂直；所述第一从动锥齿轮8与第二从动锥齿轮9相啮合，所述第三从动锥齿轮10与第四从动锥齿轮11相啮合；所述捋线滑块14套装在往复丝杆12及导向杆13上。

在所述捋线滑块14内设置有顶杆销16、换向转轮17、左旋螺母片18、右旋螺母片19、左拉杆20及右拉杆21；所述捋线滑块14采用空心结构，所述顶杆销16插装在捋线滑块14上，顶杆销16与往复丝杆12相平行，顶杆销16在捋线滑块14的插装孔内具有直线移动自由度；所述换向转轮17为捋线滑块14内部，换向转轮17通过中心轮轴与捋线滑块14相连，换向转轮17可绕中心轮轴自由转动，换向转轮17的中心轮轴与顶杆销16相垂直；所述顶杆销16与换向转轮17通过齿结构进行传动配合；所述左旋螺母片18设置在左拉杆20底端，左旋螺母片18与往复丝杆12的左旋螺纹相配合，左拉杆20顶端铰接在换向转轮17的轮盘上；所述右旋螺母片19设置在右拉杆21底端，右旋螺母片19与往复丝杆12的右旋螺纹相配合，右拉杆21顶端铰接在换向转轮17的轮盘上。

钢丝绳缠绕在钢丝绳绕线卷筒6上，脱离绕线卷筒的钢丝绳直接由捋线滑块14进行把持，在绕线卷筒与往复丝杆12同步转动过程中，捋线滑块14沿着往复丝杆12移动到最左侧时，顶杆销16被直接顶到右侧，同时带动换向转轮17顺时针转动，此时左旋螺母片18从往复丝杆12上抬起，而右旋螺母片19落下并与往复丝杆12啮合，随着往复丝杆12的转动，右旋螺母片19开始沿着往复丝杆12向右移动，进而带动捋线滑块14沿着往复丝杆12向右移动，直到移动到往复丝杆12的最右端，顶杆销16被直接顶到左侧，同时带动换向转轮17逆时针转动，此时右旋螺母片19从往复丝杆12上抬起，而左旋螺母片18落下并与往复丝杆12啮合，随着往复丝杆12的转动，左旋螺母片18开始沿着往复丝杆12向左移动，进而带动捋线滑块14沿着往复丝杆12向左移动，如此往复，实现钢丝绳的收放线，同时可以保证钢丝绳收放量的误差可以达到厘米级别。

一种塔机自动控制方法，采用了所述的塔机自动控制系统，分为跟随自动驾驶方式和两点间固定路线自动驾驶方式；

当采用跟随自动驾驶方式时，由物料点的工作人员携带第二gps手持基站进行移动，在物料点的工作人员移动过程中，由gps固定基站和第二gps手持基站向上位机控制系统5实时发送位置信息，同时大臂电机、小车电机及吊钩电机的转动圈数和转动角度信息也同步发送至上位机控制系统5，塔机的吊钩上升到安全高度，再由上位机控制系统5向大臂电机和小车电机发出减速时间和减速点的运行指令，使塔机的吊钩跟随物料点的工作人员从物料点自动移动到施工点；

当采用两点间固定路线自动驾驶方式时，由施工点的工作人员携带第一gps手持基站并停留在施工点处，由物料点的工作人员携带第二gps手持基站并停留在物料点处，由gps固定基站、第一gps手持基站及第二gps手持基站向上位机控制系统5发送上述三点的位置信息，同时大臂电机、小车电机及吊钩电机的转动圈数和转动角度信息也同步发送至上位机控制系统5，再由上位机控制系统5向大臂电机和小车电机发出减速时间和减速点的运行指令，使塔机的吊钩先行移动到物料点，然后等待完成信号，当接收到完成信号后，使塔机的吊钩由物料点移动到施工点，再次等待完成信号，当接收到完成信号后，使塔机的吊钩由施工点返回物料点；使塔机的吊钩在物料点与施工点往复移动；当物料点和施工点的位置发生变化时，使塔机的吊钩在新的物料点和施工点间往复移动。

如图5所示，为采用本发明的塔机自动控制系统对物料进行吊装转运时的流程图；具体的，首先开始系统上电，然后校验塔机的位置，再选择手动控制或自动控制，接下来判断料场点和施工点的gps手持基站是否就位，当就位后，由塔司按下定位按钮，物料点和施工点的gps信息上传至上位机控制系统5，然后将大臂、小车及吊钩进行复位(先复位吊钩后复位小车)，当吊钩复位到原点(吊钩与小车距离最短)时，通过物料点、施工点的位置信息计算出大臂、小车及吊钩的移动距离和移动路线，并分别计算大臂电机、小车电机及吊钩电机的减速点，然后由上位机控制系统5向大臂电机、小车电机及吊钩电机发送运动命令，同时上位机控制系统5开始计时，计时结束后向大臂电机、小车电机及吊钩电机发送停止指令，用于自动控制，当吊钩到达物料点后，重复计算大臂电机、小车电机及吊钩电机的减速时间和减速点，当吊钩上的物料完成卸载后，重复执行上述步骤，完成后续物料的吊装转运。

塔机上小车的移动距离由小车电机的转动圈数和转动角度进行确定，小车电机的转动圈数和转动角度与小车上牵引钢丝绳的收放量相对应；塔机上吊钩的移动距离由吊钩电机的转动圈数和转动角度进行确定，吊钩电机的转动圈数和转动角度与吊钩上牵引钢丝绳的收放量相对应。

对于第一gps手持基站、第二gps手持基站及gps固定基站所发出的位置信息，其初始位置信息坐标为(b，l，h)，坐标(b，l，h)中b代表经度，l代表纬度，h代表高度，当上位机控制系统5接收到坐标为(b，l，h)的位置信息后，首先需要将坐标(b，l，h)转换为坐标(x，y，z)，然后以gps固定基站的位置信息作为坐标原点将坐标(x，y，z)转化为极坐标。

当上位机控制系统5接收到来自gps固定基站、第一gps手持基站及第二gps手持基站发出的位置信息，以及大臂电机、小车电机及吊钩电机的转动圈数和转动角度信息后，在上位机控制系统5内进行动画图像的同步显示。

上位机控制系统5内设有显示屏，动画图像可以显示在显示屏上，可以将塔机的大臂、小车和吊钩以二维动画形式显示出来，通过动画图像可以试试显示大臂、小车和吊钩的位置，并且根据真实塔机的运动，动画图像可以跟随真实塔机进行同步运动。在上位机控制系统5的显示屏内还可以显示用户交互界面，在用户交互界面内，用户登录后，可以选择工作模式，通过动画图像监控塔机动作，可以提供报警提醒和日志保存功能。

上位机控制系统5可以进行无线通讯的字符串接收、字符串的解析、gps坐标转化、坐标轴偏移的转化、塔机运动机构(大臂、小车及吊钩)运动距离和运动时间的计算，塔机运动机构电机(大臂电机、小车电机及吊钩电机)减速时间的计算、塔机运动机构电机(大臂电机、小车电机及吊钩电机)减速命令的发送；字符串解析是按标识符将有用的数据进行提取；gps坐标转化，坐标偏移的转化，塔机运动机构(大臂、小车及吊钩)的运动距离，是gps初始位置信息坐标(b，l，h)换算成空间直角坐标(x，y，z)，由于坐标(x，y，z)的z轴是地球短半轴的方向，无法和塔机立柱的方向平行，需要将坐标(x，y，z)的z轴方向与塔机立柱的方向调整到平行。

具体的，将塔机顶端的gps固定基站与地面之间的向量与z轴的夹角设为α，将塔机顶端的gps固定基站与地面之间的向量与y轴的夹角设为β。

将坐标(x，y，z)绕x轴旋转，可得x′＝x，y′＝y·cosα-z·sinα，z′＝z·cosα-y·sinα；

将坐标(x，y，z)绕y轴旋转，可得x′＝x·cosβ-z·sinβ，y′＝y，z′＝z·cosα+xsinα；

通过旋转坐标(x，y，z)的z轴和塔机立柱方向调整到平行，将坐标(x，y，z)转化后的gps固定基站的坐标点记为x0、y0、z0，将坐标(x，y，z)转化后的物料点的坐标点记为x1、y1、z1，将坐标(x，y，z)转化后的施工点的坐标点记为x2、y2、z2；

通过函数sqrt(pow(x0-x1，2)*pow(y0-y1，2))计算小车前进到物料点的距离；

通过公式z0-z1计算吊钩下降到物料点的距离；

通过函数atan((y0-y1)/(x0-x1))计算大臂旋转到物料点的角度；

通过函数sqrt(pow(x0-x2，2)*pow(y0-y1，2))计算小车前进到施工点的距离；

通过公式z0-z2计算吊钩下降到施工点的距离；

通过函数atan((y0-y2)/(x0-x2))计算大臂旋转到施工点的角度。

关于塔机运动机构(大臂、小车及吊钩)运动速度的计算，可将大臂电机最新上传的转动角度和第n次前上传的角度通过时间戳的差值来计算速度，通过类与类之间的缓冲区传送给动画图像，用于在动画图像中同步显示大臂的运动状态；将小车最新上传的距离和第n次前上传的距离通过时间戳的差值来计算速度，通过类与类缓冲区传送给动画图像，用于在动画图像中同步显示小车的运动状态；将吊钩最新上传的距离和第n次前上传的距离通过时间戳的差值来计算速度，通过类与类缓冲区传送给动画图像，用于在动画图像中同步显示吊钩的运动状态。

关于塔机运动机构电机(大臂电机、小车电机及吊钩电机)，在钢丝绳绕线卷筒6上没有钢丝绳缠绕时，塔机运动机构电机(大臂电机、小车电机及吊钩电机)的转动圈数为0，在上位机控制系统5启动前，分别输入与塔机运动机构电机(大臂电机、小车电机及吊钩电机)配套的绕线卷筒型号，在上位机控制系统5的后台数据库中，可以自动查找出钢丝绳在对应型号的绕线卷筒上单圈缠绕时的长度数据；塔机运动机构电机(大臂电机、小车电机及吊钩电机)通过编码器获取的转动圈数、转动角度及转动方向数据，并将这些数据直接传输至上位机控制系统5中，将吊钩移动到最高处，此时吊钩与小车距离最短，并记录下吊钩的位置信息，通过上传塔机运动机构电机(大臂电机、小车电机及吊钩电机)通过编码器获取的转动圈数、转动角度及转动方向数据，可获得塔机运动机构(大臂、小车及吊钩)的移动速度，通过类与类之间的缓冲区将速度传输给动画图像，进而使动画图像中的大臂、小车及吊钩同步运动。

塔机运动机构电机(大臂电机、小车电机及吊钩电机)减速时间的计算以及减速命令的发送，是通过各电机的起始位置(当前位置)、终点位置(物料点或施工点位置)、加速时间、挡位速度、挡位信息进行计算的，当上位机控制系统5发出开始运动命令时开始计时，在计时结束后将停止命令下发至塔机运动机构电机(大臂电机、小车电机及吊钩电机)，塔机运动机构电机(大臂电机、小车电机及吊钩电机)停止运动，每当塔机吊钩停止的时候，则计算一次大臂电机、小车电机及吊钩电机的减速时间，用于控制塔机进行自动驾驶。

上位机控制系统5以cpu作为数据处理系统，而工控一体机的显示屏、扬声器(内含音量调节芯片)、无线接收模块、减速点计算模块、gps定位模块、大臂电机、小车电机、吊钩电机的数据处理全部通过cpu实现。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。