专利名称：六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种起重吊装控制装置及方法，六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置及方法。
背景技术：
起重吊装设备是工厂、铁路、港口及其他部门实现物料搬运机械化的重要工具。近年来受世界经济快速增长和世界贸易不断扩大的影响，被搬运物料装置朝着规模化、重载大型化发展，吊装环境日趋恶劣、复杂，同时对起重吊装技术和吊装设备的要求也越来越高。然而由于受到协调能力和负载能力等方面的限制 ，单台起重设备并不能完全满足当前的要求。多台起重设备协作吊装作业是通过各台起重设备控制柔索索长的协调变化完成物料的操作任务，可以很好地弥补单台起重设备协调能力和负载能力的限制，装备操作作业特点类似并联机构，因此可以被看作一种空间协作柔索并联构型装备。空间六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备具有重要的应用价值，尤其是在机场、道路桥梁等建设中的大型设备组件吊装领域。但该协作柔索并联构型装备系统具有大惯性、多输入多输出、非线性等特点，并且受系统模型的参数扰动以及重物在运动中随机风等外界干扰的影响，使得协作过程中，物体运动灵活性、稳定性和精确性还不够完善。
发明内容
本发明的目的是要提供一种六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置及方法，解决多台起重吊装机械协作过程中，物体运动灵活性、稳定性和精确性还不够完善的问题。本发明的目的是这样实现的该六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置，包括起重吊装协作柔索并联构型装备、主控工控机、测量工控机、通信装置、可编程逻辑控制器、传感器和起重设备控制器，主控工控机通过通信装置与可编程逻辑控制器连接，可编程逻辑控制器与各起重设备控制器连接，各起重设备通过吊钩与吊装物连接，吊装物上安装有传感器，传感器与测量工控机连接，测量工控机通过通信装置与主控工控机连接。所述的起重设备控制器共有三组，每一组结构相同，包括起重设备控制电路、光电编码器，可编程逻辑控制器的输出端与起重设备控制电路连接，光电编码器的输出端与可编程逻辑控制器的输入端连接；所述的起重设备控制电路包括起升控制电路、回转控制电路、变幅控制电路和伸缩控制电路。所述的传感器包括光电编码器、光栅位移传感器、重力加速度传感器、测力传感器、称重传感器和接近传感器；光电编码器有多个，分别安装在各起重设备的起升回路、回转回路的马达上；光栅位移传感器有多个，分别安装在变幅回路和伸缩回路的油缸上；在吊装物上安装3个光栅位移传感器和I个三轴重力加速度传感器，称重传感器安装在吊装物上，同时在吊装物上安装有接近传感器，在三根柔索上各安装一个相同的测力传感器。所述的控制方法包括如下步骤1、起重吊装协作柔索并联构型装备吊装物体运动时，安装在吊装物上的光栅位移传感器、三轴重力加速度传感器、称重传感器和接近传感器，以及在三根柔索上安装的测力传感器，将测得的数据传送到测量工控机；
2、测量工控机实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；
3、主控工控机对接收到的信号进行分析处理，完成人机交互功能和起重吊装协作柔索并联构型装备力学计算，控制系统解算，获得控制指令，控制指令通过通信装置传送给可编程逻辑控制器；安装在起升回路、回转回路的马达上的光电编码器测得转角与转速信号，可编程逻辑控制器对该信号进行处理，并与控制液压马达转速的电液比例调速阀接口构成速度反馈控制以保证液压马达转速恒定；安装在变幅回路、伸缩回路的液压缸上的光栅位移传感器测得位移与速度信号，可编程逻辑控制器对该信号进行处理，并与控制液压缸速度的电液比例调速阀接口构成速度反馈控制以保证液压缸速度恒定；
4、可编程逻辑控制器对接受的控制指令进行分析，计算出控制信号，分别将信号发送给各起重设备起升控制电路、回转控制电路、变幅控制电路和伸缩控制电路，完成实时控制三台起重设备进行回转、变幅、伸缩协调动作和三根柔索进行收绳与放绳协调动作，进而实现空间六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备的高精度运动；
5、主控工控机、可编程逻辑控制器、测量工控机之间以串行总线方式进行通信，构成一个通信网络系统。有益效果由于采用了上述方案，能够实现空间六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置；空间六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置采用分布式结构，由操作管理级主控工控机、吊装物控制级可编程逻辑控制器，以及负责实时测量并进行反馈信号的测量工控机、起重设备控制器、通信装置构成，这种控制模式综合了可编程逻辑控制器控制精度高、抗干扰能力强、可靠性好和工控机开放性程度高、信息处理能力强、实时调整优点突出、通用性好的特点；以测量工控机为中心的测量系统，采用数据采集与传感器相结合的方式，最大限度地完成测试工作的全过程，既能实现对信号的检测，又能对所获信号进行分析处理；通过测力传感器、称重传感器和接近传感器还可以确定起重吊装协作柔索并联构型装备的柔索张力、吊装物的重量，以及用于吊装物运动的避障和防止冲击以实现柔性输出运动；从而能够完善起起重吊装协作柔索并联构型装备运动灵活性、稳定性和精确性，达到了本发明的目的。优点该空间六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置及方法能够有效控制三组起重设备控制器实现起重吊装协作柔索并联构型装备空间六自由度的高精度运动；采用由主控工控机、测量工控机、可编程逻辑控制器和通信装置组成的分布式控制模式，具有系统响应快速、信息处理能力强、可靠性好；系统中采用测力传感器、称重传感器和接近传感器可以监测柔索张力、所载吊装物的重量，以及吊装物运动的避障和防止冲击，从而大大提高了起重吊装协作柔索并联构型装备的运动灵活性、稳定性和精确性。
图I为本发明的空间六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置示意框图。图2为本发明的空间六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制方法总流程图。图3为本发明的空间六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例I :该六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置，包括起重吊装协作柔索并联构型装备、主控工控机、测量工控机、通信装置、可编程逻辑控制器、传感器和起重设备控制器，主控工控机通过通信装置与可编程逻辑控制器连接，可编程逻辑控制器与各起重设备控制器连接，各起重设备通过吊钩与吊装物连接，吊装物上安装有传感器，传感器与测量工控机连接，测量工控机通过通信装置与主控工控机连接。 所述的起重设备控制器共有三组，每一组结构相同，包括起重设备控制电路、光电编码器，光栅位移传感器，可编程逻辑控制器的输出端与起重设备控制电路连接，光电编码器和光栅位移传感器的输出端与可编程逻辑控制器的输入端连接；所述的起重设备控制电路包括起升控制电路、回转控制电路、变幅控制电路和伸缩控制电路。所述的传感器包括光电编码器、光栅位移传感器、重力加速度传感器、测力传感器、称重传感器和接近传感器；光电编码器有多个，分别安装在各起重设备的起升回路、回转回路的马达上；光栅位移传感器有多个，分别安装在变幅回路和伸缩回路的油缸上；在吊装物上安装3个光栅位移传感器和I个三轴重力加速度传感器，称重传感器安装在吊装物上，同时在吊装物上安装有接近传感器，在三根柔索上各安装一个相同的测力传感器。所述的控制方法包括如下步骤
1、起重吊装协作柔索并联构型装备吊装物体运动时，安装在吊装物上的光栅位移传感器、三轴重力加速度传感器、称重传感器和接近传感器，以及在三根柔索上安装的测力传感器，将测得的数据传送到测量工控机；
2、测量工控机实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；
3、主控工控机对接收到的信号进行分析处理，完成人机交互功能和起重吊装协作柔索并联构型装备力学计算，控制系统解算，获得控制指令，控制指令通过通信装置传送给可编程逻辑控制器；安装在起升回路、回转回路的马达上的光电编码器测得转角与转速信号，可编程逻辑控制器对该信号进行处理，并与控制液压马达转速的电液比例调速阀接口构成速度反馈控制以保证液压马达转速恒定；安装在变幅回路、伸缩回路的液压缸上的光栅位移传感器测得位移与速度信号，可编程逻辑控制器对该信号进行处理，并与控制液压缸速度的电液比例调速阀接口构成速度反馈控制以保证液压缸速度恒定；
4、可编程逻辑控制器对接受的控制指令进行分析，计算出控制信号，分别将信号发送给各起重设备起升控制电路、回转控制电路、变幅控制电路和伸缩控制电路，完成实时控制三台起重设备进行回转、变幅、伸缩协调动作和三根柔索进行收绳与放绳协调动作，进而实现空间六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备的高精度运动；
5、主控工控机、可编程逻辑控制器、测量工控机之间以串行总线方式进行通信，构成一个通信网络系统。
所述的通信装置选用专用通信RS-232/RS-485转换器用于主控工控机、可编程逻辑控制器和测量工控机之间的通信。所述主控工控机负责起重吊装协作柔索并联构型装备系统轨迹规划、人机交互、系统维护，数据的保存、处理、显示、优化等多方面的功能。所述可编程逻辑控制器负责三台起重设备的起升、回转、变幅和伸缩动作协调控制。所述测量工控机负责对测量数据的采集、处理、运行状态信息实时传送至主控工控机，主控工控机、测量工控机与可编程逻辑控制器之间采用ISA总线相连，用于设备的设置、程序下载和运行中的数据传递。所述的传感器测得起重吊装协作柔索并联构型装备所需的信号，并将信号传送到测量工控机，测量工控机实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机，主控工控机对接收到的信号进行分析处理，形成控制指令通过通信装置传送给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器对控制指令进行分析，控制各起重设备控制器协调各台起重设备动作，实现协调吊装物体运动，进而构成一个大的闭环传递过程。 所述的空间六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制方法，起重吊装协作柔索并联构型装备吊装物体运动时，安装在吊装物上的光栅位移传感器、三轴重力加速度传感器、称重传感器和接近传感器，以及在三根柔索上安装的测力传感器，所有传感器将测得的信号，并将所需信号传送到测量工控机；测量工控机实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；主控工控机对接收到的信号进行分析处理并完成人机交互功能、起重吊装协作柔索并联构型装备力学计算，控制系统解算，形成控制指令通过通信装置传送给可编程逻辑控制器；可编程逻辑控制器还接受来自与各台起重设备起升、回转回路液压马达相配套的光电编码器测得液压马达的转角与转速信号和变幅、伸缩回路液液压缸相配套的光栅位移传感器测得液压缸位移和速度信号，并与反馈给可编程逻辑控制器的光电编码器接口构成位置反馈控制；并与控制液压马达和液压缸速度的电液比例调速阀接口构成速度反馈控制以保证液压马达和液压缸速度恒定。可编程逻辑控制器对接受的控制指令进行分析，计算出控制信号，分别将信号发送给各台起重设备起升、回转、变幅和伸缩控制电路，完成实时控制三台起重设备进行回转、变幅、伸缩协调动作和三根柔索进行收绳与放绳协调动作，进而实现空间六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备的高精度运动；主控工控机、可编程逻辑控制器、测量工控机之间以串行总线方式进行通信，构成一个通信网络系统。
权利要求
1.一种六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置其特征是该六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置，包括起重吊装协作柔索并联构型装备、主控工控机、测量工控机、通信装置、可编程逻辑控制器、传感器和起重设备控制器，主控工控机通过通信装置与可编程逻辑控制器连接，可编程逻辑控制器与各起重设备控制器连接，各起重设备通过吊钩与吊装物连接，吊装物上安装有传感器，传感器与测量工控机连接，测量工控机通过通信装置与主控工控机连接。
2.根据权利要求I所述的六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置，其特征是所述的起重设备控制器共有三组，每一组结构相同，包括起重设备控制电路、光电编码器，光栅位移传感器，可编程逻辑控制器的输出端与起重设备控制电路连接，光电编码器和光栅位移传感器的输出端与可编程逻辑控制器的输入端连接；所述的起重设备控制电路包括起升控制电路、回转控制电路、变幅控制电路和伸缩控制电路。
3.根据权利要求I所述的六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置，其特征是所述的传感器包括光电编码器、光栅位移传感器、重力加速度传感器、测力传感器、称重传感器和接近传感器；光电编码器有多个，分别安装在各起重设备的起升回路、回转回路的马达上；光栅位移传感器有多个，分别安装在变幅回路和伸缩回路的油缸上；在吊装物上安装3个光栅位移传感器和I个三轴重力加速度传感器，称重传感器安装在吊装物上，同时在吊装物上安装有接近传感器，在三根柔索上各安装一个相同的测力传感器。
4.一种六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制方法，其特征是 所述的控制方法包括如下步骤 (1)、起重吊装协作柔索并联构型装备吊装物体运动时，安装在吊装物上的光栅位移传感器、三轴重力加速度传感器、称重传感器和接近传感器，以及在三根柔索上安装的测力传感器，将测得的数据传送到测量工控机； (2)、测量工控机实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机； (3)、主控工控机对接收到的信号进行分析处理，完成人机交互功能和起重吊装协作柔索并联构型装备力学计算，控制系统解算，获得控制指令，控制指令通过通信装置传送给可编程逻辑控制器；安装在起升回路、回转回路的马达上的光电编码器测得转角与转速信号，可编程逻辑控制器对该信号进行处理，并与控制液压马达转速的电液比例调速阀接口构成速度反馈控制以保证液压马达转速恒定；安装在变幅回路、伸缩回路的液压缸上的光栅位移传感器测得位移与速度信号，可编程逻辑控制器对该信号进行处理，并与控制液压缸速度的电液比例调速阀接口构成速度反馈控制以保证液压缸速度恒定； (4)、可编程逻辑控制器对接受的控制指令进行分析，计算出控制信号，分别将信号发送给各起重设备起升控制电路、回转控制电路、变幅控制电路和伸缩控制电路，完成实时控制三台起重设备进行回转、变幅、伸缩协调动作和三根柔索进行收绳与放绳协调动作，进而实现空间六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备的高精度运动； (5)、主控工控机、可编程逻辑控制器、测量工控机之间以串行总线方式进行通信，构成一个通信网络系统。
全文摘要
一种六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置及方法，属于起重吊装控制装置及方法。所述的装置包括起重吊装协作柔索并联构型装备、主控工控机、测量工控机、通信装置、可编程逻辑控制器、传感器和起重设备控制器，主控工控机通过通信装置与可编程逻辑控制器连接，可编程逻辑控制器与各起重设备控制器连接，各起重设备通过吊钩与吊装物连接，吊装物上安装有传感器，传感器与测量工控机连接，测量工控机通过通信装置与主控工控机连接。优点能够控制三组起重设备控制器实现起重吊装六自由度的高精度运动；系统响应快速、信息处理能力强、可靠性好；能够监测柔索张力，以及吊装物运动的避障和防止冲击，提高了运动灵活性、稳定性和精确性。
文档编号B66C13/04GK102701076SQ20121019953
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者丁华锋, 张龙, 朱真才, 訾斌, 钱森, 魏明生 申请人:中国矿业大学