一种板坯夹钳高度智能检测设备的制作方法

本专利属于自动化控制技术领域，涉及一种板坯夹钳高度智能检测设备。

背景技术：

在钢铁企业热轧、冷轧、连铸等厂区主要使用起重机搬运板坯，而起重机也要依靠板坯夹钳来搬运板坯。为了提高工作效率，通常需要一次搬运多块板坯，而搬运不同数量板坯需要将板坯夹钳的钳爪升降不同的高度，在目前市场上多数夹钳均采用司机目测的方法来进行夹钳的高度控制，精度没有保证，很容易出现安全事故。少数夹钳会采用限位开关来指示夹钳的升降高度，在不同板坯位置安装限位开关，这种方法将比人工目测可靠一些，但由于限位需要安装在钳腿上，否则无法做到位置检测，而在热轧和连铸厂区，都是需要搬运红坯（温度高于800℃）这就导致限位开关需要耐高温，不过即使增加各种防护措施，但限位开关仍然寿命很短，故障率很高，可靠性很低。在宝钢内部分厂区采用了进口夹钳，具有高度检测装置，装置安装在夹钳上方平台上，具有隔热板和防护措施，采用的传感器是自整角机，效果非常不错，精确度和稳定性都很高，可以提供连续的高度位置数据，方便起重机PLC实现智能化控制。不过如今基本已经工作20年左右，多数已经损坏，部分在用设备也存在精度降低，稳定性下降的问题。在目前大力推广自动化行车的形式下，目前的高度检测设备都已经无法满足要求了，所以急需采用一种新型的可靠稳定的高度检测设备来满足起重机自动化改造的需求。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本专利提供一种有效地解决方案，实现板坯夹钳高度智能检测设备，用于起重机自动化的改造。本专利采用嵌入式控制系统，为独立 设备，提供可目前市场上应用最为广泛的Profibus接口，可以与多种厂家的PLC进行通讯连接。采用了自整定、自校验、多重滤波算法，提供了稳定可靠的数据输出。可以通过PLC设定参数实现高度换算和板坯固定位置节点的整定，为起重机PLC提供有效高度数据和固定的板坯位置节点数据，不需要起重机PLC再次进行换算，有效降低起重机的PLC的计算工作量。

本专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

该板坯夹钳高度智能检测设备包括测量模块、校正限位、解码模块、CPU模块、SPC3模块和DP接口模块；测量器模块与解码模块相连；解码模块和校正限位与CPU模块相连；CPU模块和SPC3模块相连；SPC3模块和DP接口模块相连；校正限位为旋转凸轮限位，凸轮限位与编码器通过减速齿轮组进行机械连接。采用测量模块作为高度检测传感器，通过解码模块将数据传递到CPU，然后由CPU通过的SPC3芯片和DP接口电路将数据发送到DP总线上，完成与总线上PLC的通讯；测量模块实现高度检测，解码模块实现测量模块的数据解码，CPU模块实现数据采集，SPC3模块完成Profibus数据的接收的发送，实现CPU和Profibus的接口，DP接口实现Profibus和本专利的电气连接，同时具有电气隔离功能。

在目前板坯夹钳高度检测设备中，普遍采用自整角机加弹簧卷筒的形式，该结构形式的缺点是需要高可靠性的转换电路来实现精确的高度数据转换，对制作工艺和现场环境要求较高。本专利的测量模块由拉绳、重锤、弹簧卷筒、编码器、凸轮限位组成。其中拉绳、重锤、弹簧卷筒部分与原来结构一致，在凸轮限位与编码器部分采用了新型结构。前面的弹簧卷筒与编码器同轴连接，然后在传动到一个减速齿轮组中，再连接到一个凸轮片，这样在凸轮片通过减速齿轮组和编码器轴可以进行差速传动，从而保证在整个夹钳的升降动作区间 内凸轮片的旋转不会超过一周。通过凸轮片转动，可以触碰限位开关，通过调整凸轮片尖端碰头，可以在使夹钳升降区间中选择一个固定位置作为参考，实现编码器数据的校正，从而保证编码器数据的可靠性和有效性。

在目前工业领域增量型编码器的数据采集都采用PLC专用高速模块来实现，这不仅需要配套一个PLC专用高速模块同时好需要PLC的CPU来支持，大大增加了设备的成本，且体积庞大，在狭小的夹钳平台上很难安装。本专利在编码器数据采集形式上采用了嵌入式硬件设备来实现。通过高速TTL双D触发器代替PLC高数计数模块实现编码器的解码，具有体积小、可靠性高、成本低的优点。通过嵌入式CPU代替昂贵的PLC的CPU，大幅度降低成本。由于选用的CPU属于微功耗产品，通过合理软件和硬件设计，不仅可靠性高，对高温合金、粉尘环境、高振动环境都有很强的适应性，完全可以替代PLC的CPU。

老式的夹钳高度检测设备采用模拟量的形式与外部设备进行数据交换，由于进过两次的数据转换（自整角机数据到模拟量、模拟量到PLC），中间数据精度将有所损失，且容易受干扰。如果采用市场上普遍采用的PLC形式来实现，则还需要增加ProfiBUS通讯模块来实现，虽然在可靠性和稳定性上有保证，但成本大幅度增加。本专利同样采用了目前广泛采用的ProfiBUS数据通讯接口来实现与外部设备的数据交换，但实现形式上采用了西门子嵌入式专用ProfiBUS接口芯片来实现，同样实现了ProfiBUS通讯接口，并且可靠性和稳定性都有保证，但成本大幅度降低。由于从数据采集端（编码器）、通讯接口、外部设备三者都是数字交互，所以不存在精度损失，测量精度只受编码器的分辨率影响，较老式的夹钳高度检测设备在精度上又有了大幅度提高。而且ProfiBUS通讯协议保证了数据传输过程中的可靠性，对环境的适应性大大提高。

本专利的有益效果是实现了板坯夹钳高度的智能化检测，可以代替进口的 高度检测设备，通过适当的包装盒防护措施可以应用于高温高粉尘的场合，在设备成本、环境适应性、可靠性方面都有了大幅度的提高，因此可以有效解决目前市场上板坯夹钳无法稳定可靠检测高度的问题。本专利还具有多种参数设置功能，可以灵活设置多种动作节点，可以有效降低起重机实现自动化工作时PLC的工作负荷，大幅度提高了板坯夹钳的运行可靠性和稳定性。

附图说明

图1是本专利电气系统图。

图2是本专利测量模块结构图。

图3是本专利安装布置示意图。

图4是本专利解码模块电路图。

图5是本专利CPU模块电路图。

图6是本专利Profibus接口电路图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本专利的具体实施例。

实施例：

本专利采用意大利的意法半导体公司研制的STM32F103系列的CPU芯片作为嵌入式主控CPU。采用专门定制的测量模块作为高度检测传感器，通过解码模块将数据传递到CPU，然后由CPU通过西门子的SPC3芯片和DP接口电路将数据发送到DP总线上，完成与总线上PLC的通讯。

图1是本专利的电气系统图，测量模块实现高度检测，解码模块实现测量模块的数据解码，CPU模块实现数据采集，SPC3模块完成Profibus数据的接收的发送，实现CPU和Profibus的接口，DP接口实现Profibus和本专利的电气连接，同时具有电气隔离功能。

图2是本专利测量模块结构图。

①是重锤，由一块圆铁饼制作而成，上方连接一根钢丝绳，与板坯的上表面接触，在夹钳下降时，重锤可以先接触到板坯，此时将开始高度测量。

②是弹簧卷筒，钢丝绳缠绕在弹簧卷筒上，重锤的上下动作可以使卷筒转动，将带动编码器进行测量。

③是编码器，为增量式脉冲编码器，与弹簧卷筒同轴连接，弹簧卷筒的转动将使编码器产生计数脉冲。

④是凸轮限位组，由减速齿轮组、凸轮片、限位开关组成，齿轮组的输入轴与编码器同轴连接，凸轮片连接在齿轮组的输出轴，编码器转动也将带动齿轮组转动，从而带动凸轮片转动。

⑤是凸轮片，⑥是校验限位。凸轮片有个尖头凸起，在凸起转动到限位上方时会将限位的碰头按下，从而触发限位的动作，调整凸轮片的角度，可以实现在特定位置时限位动作，根据限位的动作可以实现编码器数据的校验。齿轮组的输出轴与输入轴的传动比为1:40，即输入轴（编码器）转动40圈时，输出轴旋转一圈编码器，这样可以保证凸轮片在整个的检测行程内，旋转不会超过一周，从而可以保证校验限位校验的可靠性。

③④⑤⑥是本专利的创新点。通过数字增量式编码器进行高度测量。目前夹钳的高度测量范围基本在1.5米左右，如果采用每圈1024脉冲的编码器，则高度的测量精度可以达到1500/1024≈1.5mm。而夹钳高度的测量进度基本要求在±10mm，所以测量模块完全可以满足夹钳高度测量精度的要求。

图3是本专利安装布置示意图。

⑦是本专利的实现，封装在一个密闭带防护措施的箱体中，箱体底部开孔，将钢丝绳引出。⑧是重锤连接在钢丝绳上。在吊具下降时可以保证重锤先接触 板坯，从而实现夹钳的高度测量。由于重锤和钢丝绳均为钢材料，在高温下不会失效，可以保证测量的可靠性，箱体的防护措施和夹钳本体的隔热措施共同作用，可以保证本专利的电子电路的可靠工作。

图4是本专利解码模块电路图。

在编码器转动时会发出两路相位相差90度的方波，编码器正转时A相超前，B相滞后。编码器反转时，A相滞后，B相超前。该方波通过解码模块可以装换为1路计数方波和1路方向电平，当编码器反向时，则计数和电平线路也相反。从而CPU模块通过两路计数器即可实现编码器的数据测量，在通过设定的转换比例即可换算为夹钳的高度值。CPU再将数据交换到SPC3模块即可将数据发送到起重机的PLC设备。SPC3模块是Profibus设备模块通过DP接口模块可以将本专利的设备挂接到Profibus网络上实现与网络间的数据交换。

在图4中，J1连接编码器，ISO1和ISO2是高速光耦，实现编码器和解码模块的光电隔离，U5是D触发器，U4是两输入与非门。由于编码器脉冲的正交特性，经过U5和U4的处理可以输出UP（加）计数脉冲和DN（减）计数脉冲。

图4的解码模块代替了市场上普遍采用的PLC高速计数模块来实现编码器的解码，在稳定性和可靠性上没有降低，但在成本上却大幅度优于高速计数模块。

图5是本专利的CPU模块电路图。CPU采用意法半导体公司的STM32F103C8T7芯片，该芯片可以在-40°至80°的温度范围内正常工作，具有很高的可靠性，在工业领域被广泛应用。CPU主要负责对测量模块进行数据采集，同时进行计算、比较，并将结果传递到后面的SPC3模块，发送到Profibus上。

S1是Profibus地址设定开关，用于DP智能子站的地址设定。U1是EEPROM存储芯片，用于存储设置的参数。

本CPU模块代替了市场上普遍采用的PLC的CPU模块，该CPU模块在稳定性 和可靠性上都能得到保证，而由于是微功耗模块，所以相对于PLC的CPU来说，不需要大的散热空间，可以通过灌封实现对高温、高粉尘、高振动的环境的适应，并且体积可以做得很小，所以较PLC的CPU有很大的优势，同时成本更低。

图6是本专利的Profibus接口电路图。SPC3芯片是西门子公司研发的用于Profibus的智能子站开发的接口芯片，可以自动识别9.6Kbps～12Mbps范围内的波特率，工作温度-40～85℃，通过8位数据总线与CPU进行数据交换。可以很方便设计智能子站设备。

本就电路代替PLC的ProfiBUS接口模块，功能上没有任何损失，稳定性和可靠性没有任何降低，但在体积上和成本上较PLC的ProfiBUS接口模块有非常大的优势。本专利的工作流程如下：

1.夹钳处于悬空状态，重锤将弹簧卷筒拉长至最大位移位置。

2.起重机的起升机构下降，准备进行板坯抓取。

3.当夹钳下降到一定位置，重锤与板坯发生接触，弹簧卷筒将钢丝绳收回，编码器开始旋转发出计数脉冲，解码模块将编码器的正交脉冲解码成单方向的计数脉冲，CPU根据该脉冲开始进行计数，通过比例换算得到夹钳发生的位移，并将该数据发送到SPC3模块，进而通过Profibus发生到起重机的PLC，起重机的PLC根据该数据进行自动控制。

4.当CPU计算的数据与设定的板坯数量比较值相匹配时，会将通讯中的对应开关量置位，主要起重机PLC既可以手动连续的高度数值，也可以手动对应板坯数量的开关量数据，从而可以自由控制夹钳的下降高度，控制可以搬运的板坯数量。

5.在夹钳下降过程中，凸轮限位也会在设定的位置动作，CPU根据该信号和设定数据对编码器进行校正，从而保证测量的准确性和可靠性。