一种起重机防摇摆控制系统及起重机的制作方法

1.本实用新型涉及起重机技术领域，具体涉及一种起重机防摇摆控制系统及起重机。


背景技术：

2.起重机在工厂、矿山、港口、水电站、建筑、桥梁等领域广泛使用，一些大质量、高精度吊物需要平稳的进行搬运、装卸，为保证关键零件的安全性以及提高作业效率，对搬运过程中的防摇摆控制就显得尤为重要。目前已经出现了一些控制系统，通过控制算法及程序可以实现对起重机搬运速度及加速度的控制，减小吊物在运行中的摆动，但是目前这些方法具有很大的局限性，一些直线搬运货物的起重机搬运的驱动方式都是电机驱动，相对来说对电机驱动的速度和加速度都更容易控制；而汽车起重机和履带式起重机执行搬运工作时是进行圆弧运动，驱动方式都是液压驱动，液压驱动的速度受负载、温度的影响很大，很难做到速度的精确控制，即使控制器发送的控制信号是通过控制算法处理的防摇摆曲线信号，但执行机构无法精准的执行控制信号，转台的运动不能按计算的曲线运动，很难达到理想的防摇摆效果。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型实施例致力于提供一种起重机防摇摆控制系统及起重机，可以解决无法精准控制转台执行防摇摆信号的问题。
4.根据本实用新型的一方面，本实用新型一实施例提供的起重机防摇摆控制系统，包括：检测装置，所述检测装置用于检测所述起重机的状态数据；控制装置，所述控制装置与所述检测装置通信连接，所述控制装置用于根据所述状态数据生成控制指令；以及调节装置，所述调节装置、所述检测装置、所述控制装置互相通信连接，所述调节装置用于根据所述控制指令调节所述起重机的转台的运动方式；其中，所述调节装置包括数字液压机构，所述数字液压机构与所述转台连接形成闭环，所述数字液压机构用于为所述起重机的转台提供回转动力。
5.在一实施例中，所述数字液压机构包括：液压马达，所述液压马达与所述转台传动连接，所述液压马达用于为所述起重机的转台提供回转动力；数字液压阀，所述数字液压阀与所述转台传动连接，所述数字液压阀与所述控制装置通信连接，所述数字液压阀用于根据所述控制指令调节所述液压马达的流量；其中，所述数字液压阀的齿轮与所述转台的反馈齿轮啮合，所述数字液压阀根据所述控制指令打开阀口以驱动所述液压马达，所述液压马达驱动所述转台运动，所述转台运动时所述反馈齿轮转动以关闭所述数字液压阀的阀口。
6.在一实施例中，所述调节装置包括：电比例溢流阀，所述电比例溢流阀与所述控制装置通信连接，所述电比例溢流阀与所述液压马达传动连接；其中，所述电比例溢流阀用于增大或减小所述液压机构的压力。
7.在一实施例中，所述检测装置包括：压力传感器，所述压力传感器与所述液压马达和所述控制装置通信连接，所述压力传感器用于检测所述液压马达的工作压力，以使所述电比例溢流阀根据所述液压马达的工作压力增大或减小所述液压马达的压力。
8.在一实施例中，所述检测装置包括：卷扬编码器，所述卷扬编码器与所述控制装置通信连接，所述卷扬编码器用于检测所述起重机的吊钩绳的圈数，以提供给所述控制装置计算所述吊钩绳的长度。
9.在一实施例中，所述控制装置包括：周期计算器，所述周期计算器与所述卷扬编码器通信连接，所述周期计算器用于根据所述吊钩绳的圈数，计算得到所述吊钩绳的长度，并计算得到所述吊钩的摆动周期；速度计算器，所述速度计算器与所述周期计算器通信连接，所述速度计算器用于根据所述摆动周期，计算得到每个工作阶段对应的所述转台的运动速度；时间计算器，所述时间计算器与所述周期计算器通信连接，所述时间计算器用于根据所述摆动周期，计算得到每个工作阶段对应的所述转台的运动时间；其中，所述工作阶段包括启动阶段和停止阶段。
10.在一实施例中，所述检测装置还包括：回转编码器，所述回转编码器安装在所述起重机的转台上，所述回转编码器与所述控制装置通信连接，所述回转编码器用于获取所述起重机的转台的回转速度以及所述转台的工作阶段。
11.在一实施例中，所述控制装置还包括：匹配器，所述匹配器与所述回转编码器通信连接，所述匹配器用于根据所述转台的工作阶段，获取对应的所述运动速度和所述运动时间，且生成所述控制指令，所述控制指令用于指示所述转台的运动方式。
12.在一实施例中，所述检测装置还包括：倾角传感器，所述倾角传感器安装在所述起重机的吊钩上，所述倾角传感器用于检测所述吊钩的摆动幅度；所述控制装置还包括：偏摆计算器，所述偏摆计算器与所述倾角传感器、所述周期计算器通信连接，所述偏摆计算器用于根据所述吊钩的摆动幅度和所述吊钩的绳长，计算所述吊钩的偏摆距离。
13.根据本实用新型的另一方面，本实用新型一实施例提供的一种起重机，包括：起重机本体；转台，所述转台安装在所述起重机本体上；吊钩，所述吊钩安装在所述起重机本体上；如上述任一项实施例所述的起重机防摇摆控制系统，用于在所述转台运动时调节所述吊钩摆动的幅度。
14.本实用新型实施例提供的起重机防摇摆控制系统及起重机，利用检测装置检测起重机的实时状态，然后传递给控制装置进行运算，生成转台的速度控制指令，最后通过调节装置中的数字液压机构精确执行这些指令，达到起重机回转过程中保持吊钩及货物稳定的目的。因为数字液压机构独有的机液闭环的伺服控制技术，可以实现指令的精确执行，并且数字液压机构与转台连接形成闭环，使得转台的速度和位置都和数字液压机构一样精确可控，从而解决了现有技术中无法精准控制转台执行防摇摆信号的问题，达到防摇摆的效果，实现起重机吊钩的稳定工作，提高搬运货物的效率，以及提高了搬运过程的安全性和稳定性。
附图说明
15.图1所示为本实用新型一示例性实施例提供的起重机防摇摆控制系统的结构示意图。
16.图2所示为本实用新型另一示例性实施例提供的起重机防摇摆控制系统的结构示意图。
17.图3所示为本实用新型一示例性实施例提供的回转数字液压机构的结构示意图。
18.图4所示为本实用新型一示例性实施例提供的起重机防摇摆控制系统的流程示意图。
19.图5所示为本实用新型一示例性实施例提供的汽车起重机防摇摆控制系统的结构示意图。
20.图6所示为有防摇摆控制系统的吊钩摆动幅度示意图。
21.图7所示为无防摇摆控制系统的吊钩摆动幅度示意图。
22.附图标记说明：1、起重机防摇摆控制系统；11、检测装置；12、控制装置；13、调节装置；131、数字液压机构；21、卷扬编码器；22、操作手柄；23、控制器；24、电比例溢流阀；25、数字液压阀；26、压力传感器；27、液压马达；28、转台；29、吊钩；30、回转编码器；31、倾角传感器。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.此外，在示例性实施例中，因为相同的参考标记表示具有相同结构的相同部件或相同方法的相同步骤，如果示例性地描述了一实施例，则在其他示例性实施例中仅描述与已描述实施例不同的结构或方法。
25.在整个说明书及权利要求书中，当一个部件描述为“连接”到另一部件，该一个部件可以“直接连接”到另一部件，或者通过第三部件“电连接”到另一部件。此外，除非明确地进行相反的描述，术语“包括”及其相应术语应仅理解为包括所述部件，而不应该理解为排除任何其他部件。
26.图1所示为本实用新型一示例性实施例提供的起重机防摇摆控制系统的结构示意图，如图1所示，该起重机防摇摆控制系统1包括：检测装置11，检测装置11安装在起重机上，检测装置11用于检测起重机的状态数据；控制装置12，控制装置12安装在起重机上，控制装置12与检测装置11通信连接，控制装置12用于根据状态数据生成控制指令；以及调节装置13，调节装置13安装在起重机上，调节装置13、检测装置11、控制装置12互相通信连接，调节装置13用于根据控制指令调节起重机的转台的运动方式；其中，调节装置13包括数字液压机构131，数字液压机构131与控制装置12通信连接，数字液压机构131与转台连接形成闭环，数字液压机构131用于为起重机的转台提供回转动力。
27.检测装置11用于检测起重机的实时状态数据，检测装置11将起重机的实时状态数据传达到控制装置12中，控制装置12根据状态数据可以判断当前起重机的状态，以及可以根据起重机的当前状态生成对应的控制指令，状态数据可以包括起重机液压马达1311的工作压力数据、起重机的吊钩绳的圈数数据、起重机的转台的回转速度数据以及转台的工作阶段数据、起重机的吊钩的摆动幅度数据等。控制指令可以指示起重机的运动速度或运动
时间，控制装置12还可以进行运算，根据多种实时状态数据计算出起重机的各种参数，根据各种参数也可以生成对应的控制指令，用于指示起重机的运动。调节装置13用于接收控制装置12生成的各种指令，并根据指令去执行调节动作，调节装置13用于直接调节起重机的运动方式。
28.调节装置13中包括液压数字机构，液压数字机构之所以被称为数字液压，其最大区别于伺服液压系统之处在于，数字液压器件的工作或称运动特性完全被标量化或称数字化，即电脉冲的频率与数字液压作动器的运动速度对应，电脉冲的数量与数字液压作动器的行程或转角对应，而这种对应关系是通过其内部的设计、制造过程确定好的，无需任何外部的诸如：传感器、调节器、调节参数等来保障。因此，数字液压机构131可以精确执行指令，实现对起重机回转运动过程和运动速度的精确快速调节。
29.数字液压机构与转台连接形成闭环，使得转台的速度和位置都和数字液压机构一样精确可控。数字液压机构中的步进电机驱动阀口打开，通过阀口为转台运动提供驱动力，而转台运动又通过齿轮传动的方式关闭数字液压机构的阀口，数字液压机构与转台形成闭环控制，控制精度高，速度刚度好，匀速运行稳定，能够起到防摇摆控制的作用。
30.本实用新型提供的防摇摆控制系统，利用检测装置11检测起重机的实时状态，然后传递给控制装置12进行运算，生成转台的速度控制指令，最后通过调节装置13中的数字液压机构131精确执行这些指令，达到起重机回转过程中保持吊钩及货物稳定的目的。因为数字液压机构131独有的机液闭环的伺服控制技术，可以实现指令的精确执行，并且数字液压机构与转台连接形成闭环，使得转台的速度和位置都和数字液压机构一样精确可控，从而解决了现有技术中无法精准控制转台执行防摇摆信号的问题，达到防摇摆的效果，实现起重机吊钩的稳定工作，提高搬运货物的效率，以及提高了搬运过程的安全性和稳定性。
31.数字液压机构131包括：液压马达，液压马达与转台传动连接，液压马达用于为起重机的转台提供回转动力；数字液压阀，数字液压阀与转台传动连接，所述数字液压阀与所述控制装置12通信连接，所述数字液压阀用于根据所述控制指令调节所述液压马达的流量；其中，数字液压阀的齿轮与转台的反馈齿轮啮合，数字液压阀根据控制指令打开阀口以驱动液压马达，液压马达驱动转台运动，转台运动时反馈齿轮转动以关闭数字液压阀的阀口。
32.数字液压机构131仅完成了控制的数字化，或流道通径的数字化，由于负载、系统压力、油液流动性等诸多因素的不确定，依然无法保证最终液压执行器件的速度稳定，更无法控制其位移量，依然需要借助其它检测、控制手段来实现液压执行器件的控制调节，因此，液压马达需要配合数字液压阀，共同精准执行指令。
33.数字液压机构131还包括步进电机、电机驱动器，其中，步进电机需要与起重机的转台齿轮反馈组成闭环系统，使得转台的速度和位置都和步进电机一样精确可控，即转台的速度和控制器发送的脉冲速度成正比，转台运行的距离和控制器发送的脉冲个数成正比。数字液压机构131具有控制精度高，速度刚度好，匀速运行稳定等特点，因此，起重机的转台结合数字液压机构131可以精确的进行速度控制，以及执行防摇摆控制算法。
34.数字液压阀的齿轮与转台的反馈齿轮啮合，步进电机驱动数字液压阀的阀口打开，数字液压阀通过阀口输出流量驱动液压马达，液压马达再驱动转台开始转动，从而起重机开始工作。转台转动时，转台下方设有反馈齿轮，反馈齿轮与转台转动速度相同，反馈齿
轮与数字液压阀的齿轮啮合，因此，转台转动带动反馈齿轮转动时，反馈齿轮通过转动关闭数字液压阀的阀口，从而停止起重机工作。
35.图2所示为本实用新型另一示例性实施例提供的起重机防摇摆控制系统的结构示意图，如图2所示，液压马达与回转平台的大齿轮(反馈齿轮)啮合，回转平台的大齿轮采用148齿齿轮，数字阀(数字液压阀)采用13齿小齿轮，数字阀齿轮与回转平台的大齿轮啮合，编码器采用13齿小齿轮，编码器与回转平台大齿轮啮合，从而组成闭环系统，使得转台的速度和位置都和步进电机一样精确可控。回转平台大齿轮控制数字阀齿轮转动从而关闭数字阀阀口，编码器与回转平台大齿轮啮合以检测回转平台的转动速度，数字阀、液压马达、编码器和回转平台大齿轮形成闭环系统。
36.在一实施例中，调节装置包括：电比例溢流阀，电比例溢流阀与控制装置通信连接，电比例溢流阀与液压马达传动连接；其中，电比例溢流阀用于增大或减小液压机构的压力。
37.电比例溢流阀起到中间调控的目的，由于在转台运行过程中，遇到的阻力不同，回转液压机构需求的压力不同，当系统压力不能满足要求时，可通过电比例溢流阀压力调节增大系统压力；当系统压力过高使速度稳定性降低时，可通过电比例溢流阀压力调节减小系统压力。
38.检测装置包括：压力传感器，压力传感器与液压马达和控制装置通信连接，压力传感器用于检测液压马达的工作压力，以使电比例溢流阀根据液压马达的工作压力增大或减小液压马达的压力。
39.图3所示为本实用新型一示例性实施例提供的回转数字液压机构的结构示意图，如图3所示，p是进油口，t是回油口，a、b分别为液压马达的工作口，d为步进电机，ip1为控制信号，op1、op2为压力传感器。其中，压力控制的具体流程为：通过压力传感器检测液压马达a口和b口的压力值，根据a口和b口的压力差计算电比例溢流阀的开度值，具体计算公式为n＝n0+k[abs(a-b)+3.0]，其中，n表示电比例溢流阀的开度值、n0表示人为设定的最小开度值、k为系数。将计算好的电比例溢流阀的开度值输出给电比例溢流阀，通过电比例溢流阀来控制流量，从而达到增大或减小液压马达的压力的效果，最终达到控制和调节防摇摆控制系统压力的效果。
[0040]
在一实施例中，检测装置包括：卷扬编码器，卷扬编码器与控制装置通信连接，卷扬编码器用于检测起重机的吊钩绳的圈数，以提供给控制装置计算吊钩绳的长度。
[0041]
卷扬编码器获取的值用于计算吊钩绳的绳长，卷扬编码器可以获知目前使用的吊钩的圈数，已知每一圈的绳长，控制装置计算圈数*每一圈的绳长，就可以计算得到起重机当前使用的吊钩绳的绳长。
[0042]
控制装置包括：周期计算器，周期计算器与卷扬编码器通信连接，周期计算器用于根据吊钩绳的圈数，计算得到吊钩绳的长度，并计算得到吊钩的摆动周期；速度计算器，速度计算器与周期计算器通信连接，速度计算器用于根据摆动周期，计算得到每个工作阶段对应的转台的运动速度；时间计算器，时间计算器与周期计算器通信连接，时间计算器用于根据摆动周期，计算得到每个工作阶段对应的转台的运动时间；其中，工作阶段包括启动阶段和停止阶段。
[0043]
通过吊钩绳的长度来计算摆动周期，在理想状态下可以通过公式通过吊钩绳的长度来计算摆动周期，在理想状态下可以通过公式其中，l表示吊钩绳的长度，g表示当地的重力加速度，但实际工作中可能还需要对摆动周期进行一定的修正。根据吊钩的摆动周期，可以通过速度计算器和时间计算器计算转台每个工作阶段对应的加速大小、加速时间、匀速时间、减速大小、减速时间。转台的工作阶段包括启动阶段和停止阶段，而启动阶段和停止阶段还可以分别划分为加速阶段、减速阶段、匀速阶段，因此，每个工作阶段分别对应不同的运动速度和运动时间。
[0044]
检测装置还包括：回转编码器，回转编码器安装在起重机的转台上，回转编码器与控制装置通信连接，回转编码器用于获取起重机的转台的回转速度以及转台的工作阶段。
[0045]
回转编码器连接在液压马达和转台齿轮形成的闭环系统中，回转编码器通过齿轮与其他器件连接，因此可以获取到起重机的转台的运行速度以及转台当前的运行工作阶段。
[0046]
控制装置还包括：匹配器，匹配器与回转编码器通信连接，匹配器用于根据转台的工作阶段，获取对应的运动速度和运动时间，且生成控制指令，控制指令用于指示转台的运动方式。
[0047]
通过回转编码器获取到转台的工作阶段后，匹配器对应速度计算器和时间计算器已经计算出的转台每个工作阶段对应的加速大小、加速时间、匀速时间、减速大小、减速时间，生成控制指令，使转台可以根据当前的工作转台选择合适的速度以及时间。也就是说通过原车控制手柄启动回转运行，控制方向与手柄操作方向一致，当一直往一个方向掰动手柄时，回转会往该方向按计算好的加速大小、加速时间或匀速时间或减速大小、减速时间自动运动，直到停止。
[0048]
图4所示为本实用新型一示例性实施例提供的起重机防摇摆控制系统的流程示意图，如图4所示，在启动起重机后，初始化系统，采集卷扬编码器的值，读取显示屏设定的最大速度、匀速时间(步骤41)，其中，最大速度和匀速时间可以人为进行设定，预设好参数后通过显示屏输入。各种参数输入到控制器中，控制器根据卷扬编码器的值计算吊钩绳的长度，再根据单摆周期公式计算摆动周期，从而计算加速大小、加速时间、匀速时间(步骤42)。
[0049]
然后通过回转编码器获知起重机的工作阶段，是启动还是停止状态(步骤43)，如果是启动状态，再判断转台是否需要停止(步骤44)，如果转台不需要停止，则进行加速运动(步骤45)，直到达到预设的速度后开始进行匀速运动(步骤46)，匀速运动的时间结束后(步骤47)，转台开始执行减速运动(步骤48)，一直减速到转台停止(步骤49)，则结束本次起重机的回转运动。如果转台匀速运动没有达到预设或计算好的匀速时间(步骤47)，则一直执行匀速运动(步骤46)。
[0050]
如果转台启动后需要进行停止(步骤44)，则开始执行转台减速运动(步骤48)，一直减速到转台停止(步骤49)，则结束本次起重机的回转运动。
[0051]
如果转台已经在运动过程中，需要进行停止(步骤43)，则开始执行转台减速运动(步骤48)，一直减速到转台停止(步骤49)，则结束本次起重机的回转运动。
[0052]
在一实施例中，检测装置还包括：倾角传感器，倾角传感器安装在起重机的吊钩上，倾角传感器用于检测吊钩的摆动幅度；控制装置还包括：偏摆计算器，偏摆计算器与倾角传感器、周期计算器通信连接，偏摆计算器用于根据吊钩的摆动幅度和吊钩的绳长，计算
吊钩的偏摆距离。
[0053]
偏摆计算器可以将采集的倾角传感器的值等效换算成吊钩的摆动距离，将倾角传感器相对零位的值等效为吊钩相对中心位置的偏摆角度，根据偏摆角度和吊钩绳的长度计算吊钩的偏摆距离。通过倾角传感器实时测试吊钩的摆动量，可以收集吊钩的摆动幅度，从而形成吊钩评价体系，实现对稳钩效果的测量和评价，便于工作人员观察和检验当前防摇摆系统是否达到稳定的效果。
[0054]
图5所示为本实用新型一示例性实施例提供的汽车起重机防摇摆控制系统的结构示意图，如图5所示，该汽车起重机防摇摆控制系统包括控制系统、检测系统、执行系统三部分。其中控制系统包括：操作手柄22、控制器23、显示屏；检测系统包括：倾角传感器31(安装在吊钩29上，检测吊钩29摆动幅度)、回转编码器30(检测回转速度及位置)、压力传感器26(检测a、b口压力，用于回转系统压力控制)、卷扬编码器21(用于计算吊钩29绳长)；执行系统包括：比例溢流阀、电机驱动器、步进电机、数字液压阀25、液压马达27。
[0055]
卷扬编码器21、操作手柄22分别与控制器23通信连接，控制器23与电比例溢流阀24、数字液压阀25通信连接，压力传感器26、回转编码器30与控制器23通信连接，压力传感器26安装在液压马达27上，检测液压马达27的实时压力，电比例溢流阀24与液压马达27传动连接，调控液压马达27的压力，数字液压阀25与液压马达27连接，控制液压马达27的实时流量，液压马达27与转台28连接，液压马达27为回转机构中的转台28提供动力，转台28上安装回转编码器30，用于检测转台28的实时回转速度和回转状态，回转编码将转台28的实时回转速度和回转状态传给控制器23。转台28与吊钩29通过吊钩29绳连接，转台28的转速影响吊钩29的摆动幅度，吊钩29上安装有倾角传感器31，倾角传感器31采集吊钩29的倾角传输回控制器23，由控制器23根据偏摆角度和绳长计算吊钩29的偏摆距离。
[0056]
其中，通过倾角传感器31计算得到的偏摆距离和通过回转编码器30检测到的转台28速度都可以实时显示在显示屏上，以供工作人员观察和记录。
[0057]
本实用新型实施例的防摇摆控制系统与无防摇摆控制系统进行实验比较，得到如图6和图7所示的实验结果。其中，图6为有防摇摆控制系统的吊钩摆动幅度示意图，图7为无防摇摆控制系统的吊钩摆动幅度示意图，通过倾角传感器采集到的数据进行对比，测试工况为起重机半伸臂，臂长为25米、仰角为65
°
。图中纵轴为吊钩相对中间位置的摆动角度，横轴为采样个数，采样周期为100ms。可得出在相同工况下，无防摇摆控制时，吊钩的最大摆幅为2.0
°
，有防摇摆控制时吊钩的最大摆幅为0.24
°
。有防摇摆控制时比无防摇摆控制时可减少摆动幅度达80％。在无防摇摆控制前1111个采样点前较为稳定的原因是此时为匀速运动，在采样点1111之后波动较大的是因为此时为停止状态，无无防摇摆控制系统的吊钩在停止后摆动幅度过大，货物的安全性无法保障，并且降低了放置货物的效率。通过实验结果可知，本实用新型的防摇摆控制系统稳定性更好，防摇摆性能效果突出。
[0058]
本实用新型还提供了一种起重机，包括：起重机本体；转台，转台安装在起重机本体上；吊钩，吊钩安装在起重机本体上；如上述任一项实施例的起重机防摇摆控制系统，用于在转台运动时调节吊钩摆动的幅度。
[0059]
本实用新型提供的起重机，采用数字液压马达作为起重机回转马达，实现对起重机回转运动速度的精确快速调节。在卷扬机构上安装卷扬编码器，在回转机构上安装回转编码器，在液压马达工作口安装压力传感器，通过一系列传感器的组合应用，实现稳钩过程
的自动、稳定、可重复运行。利用倾角传感器，通过角度解算，获得吊钩/吊物摆动幅度，实现对稳钩效果的测量和评价。从而解决了现有技术中无法精准控制转台执行防摇摆信号的问题，达到防摇摆的效果，实现起重机吊钩的稳定工作，提高搬运货物的效率，以及提高了搬运过程的安全性和稳定性。
[0060]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。