专利名称:微机垂直运输机械安全控制器的制作方法
本发明属于垂直运输机械的安全装置目前世界上在垂直运输机械(主要指各类吊车)安全装置领域最先进的技术表现在三个方面(1)美、英等国在塔吊上装闭路电视系统实施工况监测;(2)英、德等国对25吨以下吊车实现近距离有线遥控;(3)日、美及我国采用微机力矩限制器防止作业中超负荷倾翻。前述第一、二两方面有很大的局限性，而当前最先进的微机力矩限制器的主要技术状况是(1)数据采集系统可采集4～5个模拟量和4～5个开关量，模拟量采用应变桥阻传感器(如压力、拉力信息)和精密电位计(如角度、长度信息)来采集，西德用风力发电采集风力参数;(2)处理系统多采用八位单片微机;(8)显示指示功能主要量用数字显示，显示装置采用液晶或七段灯丝，而非主要量多采用指针指示;(4)报警和控制、钢丝绳过卷或超负荷时灯光、蜂呜报警并控制，不能落臂、不能起钩、不能伸臂(三态控制)。限制伸臂和实重/额重为90%时灯光蜂呜报警，非工作在后方区域或不用支腿时灯光给予指示。(以上现有技术状况见日本公开专刊昭49-20851《汽车起重机力矩限制器》、《工程机械》84年第9期54页、《IEEE通报》86年第2号)。
总之，现有技术主要集中于倾翻力矩的防止方面。只有防钢丝过卷和升臂超位的限位开关，加有风力检测装置的仅限于风力的自然指示。有数字显示的装置其数字显示内容需要几次按动请求显示开关方可显示全部数据。采用方位、支腿位移和臂长大修正的力矩值精确度差，难以正确反映机械瞬间的工作性能。如方位信息180°采样一次用人工控制，支腿位移只有半伸、全伸和不伸三种状态人工开关控制。臂长传感器采用动圈电位计一节杆显示一次运算精度±1米。实践中垂直运输机械的不安全因素主要有以下七个方面(1)钢丝绳过卷崩断;(2)超负荷;(3)升臂过位;(4)升臂或伸臂时顶端撞击空间异物如建筑物突出的边角及路灯;(5)臂顶端撞击高压输配电装置;(6)钢丝绳磨损疲劳渐断;(7)支腿未伸时的误操作;(8)机架下地基下陷。现有技术只能避免上述前三项不安全因素且第二项和实际状况误差较大。
本发明的目的在于为垂直运输机械解决上述各种不安全因素，保证其避免除位移交通事故之外的一切作业事故的发生。
为实现上述目的，本发明在采用通常的角度、压力、拉力信息采集装置和八位单片微机并保留三状态(不能落臂、不能伸臂、不能起钩)控制方式的基础上采取了如下技术措施(1)增加了监控数据采集设备，如用于防撞的臂端异物探测器;用于防触电的高压电场探测器;用于提高力矩精度，充分挖掘设备潜力的支腿位移探测器和方位探测器;用于监视钢丝绳磨损疲劳渐断的钢丝绳断股探测器;用于监探机架地基地平变化的地倾探测器;为防止钢丝绳过卷的吊钩高度探测器，这些探测装置都配有微机接口，是典型的二次仪表，既是垂直运输机械的专用安全装置又可用于其它相近领域。(2)代替了现有技术中应用的部分监控数据采集设备，如用激光臂长探测器代替了拉线卷筒动圈电位器式的臂长传感器;用风速探测器将原风速传感器检测的信号经电平变换输入微机变成不仅指示而且参与控制的基本数据;用无线信号传递各探测器检测的物理参量代替了有线信号传递减少吊臂上蛛网式拉线;(3)采用CRT全面显示所有数据每15秒钟显示一次。(4)增加了过程误动打印，机器破坏自检并报告检查地点，另外备分有设备档案地址。(5)增加了升臂单项控制、预警减速控制和录音报警接口，另外报警同时荧光屏用汉字通告警报和状态内容。
防碰撞的臂端异物探测器由GaAS激光放射器，十四级串行进位计数器4060和晶振组成的时基振荡电路，JK触发器、施密特触发器、激光接受器、输出门7690组成，可用于一切短距离防撞定位。
防止臂端触碰高压电线的高压电场探测器，利用载流导体周围磁场强度与距离载流导体的远近有关，通过测量通电导线周围的磁场强度从而确定是否进入电场危险区。该探测器由磁敏电阻DM202、单差分前置放大器FC74、射随器FC74运算放大器、JK触发器或非导引门采样保持电路351和减法运算电路SF356组成。
钢丝绳断股探测器根据铁磁物质的各向异性原理用两组互相垂直的铁芯线圈和两级运算放大器7560、驱动三极管和继电器组成。该探测器灵敏度高、可探测到一绳股节距内三根以上钢丝的断裂，完全在规定的钢丝绳使用范围内。
支腿位移探测器由分别装在四条支腿上的四支LD-500A型精密动圈电位器、六只3DG12晶体管和六块运算放大器LF353N组成。采样速率为10公分。
方位探测器由安装在底盘上的聚光灯泡、安装在吊车迴旋部分上的光敏二极管2CU、计数器MC14583、TC4030P、TC4070和模拟开关TC4016组成。探测误差不大于1°。
风速探测器由一只微型风力发电机和射随器LF353N组成。
为防止地基下陷而引起吊车倾倒的地倾操测器由分别安装在车体的前后侧和左右侧的两个重锤电位计式倾角器、晶体管3DG12和射随器LF353组成。
为防止钢丝绳过卷的吊钩高度探测器由安装在卷场轮侧的光敏传感元件3DU2、集成触发器JEG-2、二～十进制可逆计数器C181、RS触发器CO36和继电器组成。该探测器可以计测吊钩的瞬时高度信息并可提供钢丝绳过卷信号。
激光臂长探测器由GaAS激光器，计数器HCTOO和30MHZ晶振组成的十二级串行进位二进制计数器、振荡器、计数门4017和C423、控制门HCT4040、施密特触发器MC14132门电路TC4082和接受器组成。该探测器的发射周期脉冲受周期计数器C423控制以实现高精度计算。收、发器安装在臂的固定部分的根部，光靶安装在伸缩臂的顶端。探测最大误差不超过±2公分。
本发明的结构由下面的电子电路图给出图1为本发明的总示意图。十二路探测器采集到的应变信号，其中臂端异物信号b、高压电场信号E、钢丝绳断股信号T和限位信号LM是开关量送往输入输出接口I/O1。支腿位移信号d、方位信号α、风速信号w、地倾信号β、吊钩高度信号h、液压缸油压信号P或钢丝绳拉力信号F、臂的仰角信号θ和臂长信号L是模拟量送往输入输出接口I/O2。经I/O1整形变换的开关信号直接送入CJ-803微处理机的CPU。经I/02整理变换的信号送模数转换器A/D，该A/D0816是一个具有8bit、16通道、逐次逼近转换的Cm0S器件与微机兼容，转换后的数字信号通过数据总线送往CPUZ804。CJ-803按照要求指令输入的数据进行函数运算处理，其结果分别送给打印机，CRT显示和输入输出接口I/O3以及报警控制电路。打印机采用μ80点阵式微型机可方便地与CJ-803对接。打印内容为正常显示和危警显示。正常时CRT可显示实重/额重百分比、额定重量、实际重量、臂长、仰角、方位、风速、地平倾角、支腿长度、吊钩最大高度和工作半径十一种常用参数，每15秒钟显示一次。如果出现超负荷。臂端有障碍物，有高压输电线，钢丝绳过卷、钢丝绳断股、伸臂超位时，CRT显示全部危险量同时用汉字指示危险部位和此刻的控制状态并出现“注意安全”大字告警。CRT第三个显示功能是每次开机时显示计算机的自检过程和内容，全部用汉字通知使用者。I/O3的作用是把计算机送出的控制量进行D/A转换，并进行功率放大后控制设备的机械部件。恒温器设置在机箱内，保证CPU适应-10～+40℃之外的更宽的温度范围。本发明的电源具有多功能，高精度以满足本发明各类探测器、前置放大器、A/D通道、CPU等对电压的不同要求。图中压力传感器、拉力传感器、仰角传感器、限位开关、CJ-803均为国产器件，CRT采用日立12时绿色显像管。
图2是I/O3和报警控制电路，该电路前端的输出门有两个作用，一是接收CPU总线的数字信号，二是将此信号作为开关信号控制驱动功率管3DG80。后端是由驱动三级管3DG12和被控制部件灯泡、继电器组成的控制输出电路。再后是执行部件，灯泡g绿色光灯泡指示正常状态、灯泡y为黄色灯泡指示警告状态、灯泡R为红色光灯泡指示危险控制状态。继电器J1、J2、J3分别控制三个电磁阀(溢流阀)实现伸臂停止、减速控制和落臂、伸臂、起钩停止的三态控制。在控制过程中，除绿色灯泡亮之外，均同时接通蜂呜器和打开录音报警开关。
图3是I/O1接口电路，由三部分组成即数据放大电路、控制门和直流变换器。此电路主要用来传输开关信号，为CPU提供合适的接口开关电平。数据放大电路由三只运算放大器FC72C构成，总增益AF约100倍左右，其中A3主要是用来放大A1与A2之差，当它们的差值为0时，A3的放大量为1。这样使整个放大器的漂移最小且提高了共模抑制比。八输入端或/非门CC40788是为直流变换电路提供序列脉冲电平设置的。在直流电平转换电路中，两块CmOS振荡器4011A用来驱动真码/补码缓冲器，缓冲器的低输入阻抗提供了良好的调整率和较高的效率。桥式整流是按倍压电路的全波排列，整个电路在高频时亦可满意地工作。
图4是I/O2电路原理图。此电路是为计算机A/D变换器提供模拟信号的，由完全相同的八路信号变换电路和十路模拟开关MC14016、MC14011构成。总放大量为1的两级运算放大器C151组成信号变换电路，它的设置主要是对输入信号进行低端和高端的调整以使CPU输出与机械实际值很好地吻合。模拟开关是完成向A/D通道的顺序输送模拟信号，此电路根据需要亦可同时输送模拟信号，具有很大的灵活性。
图5是恒温控制电路它由感温电路、主差分电路和比较放大电路构成。感温电路的核心是单结晶体管UJT，它在-120～+150℃的范围内保持不变，电压变化为0.58%/℃在它一端接地，一端与放大器A1同相端相连的情况下，保持了温度-电压变换的良好线性。A1用SF741，A1的输出端同时接两只放大器SF741，一为同相连接一为反相连接，调整其比较电压使其一只在低于-10℃时打开以控制加温电路工作，另一只则在高于+50℃时打开控制致冷电路工作，在常温时则两只放大器均不工作。加温器采用普通15w电烙铁芯子，致冷元件采用半导体致冷器。
图6是本发明电路原理图。它是在常用微机电源的基础上进行组合调整并增加了A/D通道专用的±15V专用电源构成的。图中输出管均采用C1567R。运算放大器采用NFC151C，推动复合管采用3DG12C，型号统一便于安装调整。该电源输出电流2A以上，电压平稳负载能力强，抗干扰性能良好。
图7是臂端异物探测器电路图。它由激光发射器，接受器和输出门组成。激光发射器用大发散角的GaAS激光器，由十四级串行进位计数器CC4060和晶、振组成的时基振荡通过JK触发器，施密特触发器控制，激光发射器每秒发射一次。接收器接收到物体返回的信息后去检索计数器14051中所计脉冲的个数，在低限界值时通过输出门7690输出开关信号至接口电路I/O1。
图8是高压电场探测器电路图。由电磁探头、前置放大电路，鉴别电路和警报发生器组成。电磁探头是一组磁敏电阻DM202，在距6KV三相高压交流输电线三米时输出电压约0.8V。通过两级单差分前置放大器FC74放大，放大倍数约为100倍，这一电压通过射随器FC74送入电平鉴别电路。电平鉴别电路是一组保持固定电平的运算放大器SF741。当外来信号高于此固定电平时，运算放大器送出触发信号至JK触发器。JK触发器的信号通过或非导引门接通用逻辑门构成的连续低频振荡器，振荡信号分两路分别送至警报器和CPU的I/O1接口电路参与控制。由于三相电流的等电位线并非呈同心园分布在通电导体的周围而是随导线相对位置呈凹凸分布，为了实现准确报警设计了电位梯度探查电路，该电路由两路采样保持电路351和减法运算电路构成。两只模拟开关控制下的351完成电位在不同时间间隔的采样，SF356将此采样值进行比较运算后，再由两级SF356与上一时刻采样保持值比较。如果由于臂的不断运动取得的电位差值超过一定界限，该电路也向振荡电路提供开启信号，这样两路监视电路充分弥补了分布电场具有凹区造成的检测误差，充分保证了设备安全。
图9是钢丝绳断股探测器电路图。由两组互相垂直的铁芯线圈和两级高倍率运算放大器7650构成。此电路在工作状态时，正常情况下由于两铁芯线圈中流过的电流是均等的，电路无信号输出，驱动三级管不工作。当钢丝绳有三根以上的钢丝断裂时，两线圈有差值输出，此差值信号经运算放大器7650放大后为驱动管基极提供了高电位。驱动管导通，继电器吸合则输出开关信号至CPU的接口I/O1。
图10是支腿位移探测器原理图，四支LD-500A型精密动圈电位器给出的信号进入由6支晶体管3DG12和6支运算放大器LF353N组成的最小值比较电路。输出信号进入I/O2接口，以使CPU保证对最短支腿为起点的运算和显示。
图11是方位探测器电路图。安装在吊车迴转部件上的光敏二极管2CU顺序受安装在吊车底盘上的普进聚光灯泡的照射，发出一个个光脉冲，此脉冲中含有方位信息。该信息经计数处理转换为方位值。计数器MC14583、TC4030P、TC4070的作用是记录光脉冲做出加减计数处理(正、反方向)，之后由模拟开关TC4016将这些状态信号在非触发开关控制下送入I/O2接口。
图12是风速探测器电路图。探头部分是一台微型风力发电机，发出的电压范围在0～9V之间。由LF353N构成射随器向I/O2电路偶合0～5V模拟风力信号。
图13是地倾探测器电路图。角度传感元件是两个重锤电位计式倾角器，晶体管3DG12的连接方式是一种比较式连接，用来实现倾角最大值输出。LF353构成射随器实现探测器与计算机I/O2接口电路的隔离输出。
图14是吊钩高度探测器电路图。从光敏管3DU2传来的微弱信号经电容偶合送入JEC-2集成触发器进行整形放大形成计数脉冲。C181二～十进制可送计数器将此计数脉冲进行转换后送计算机CRT显示吊钩高度。另外，C181还同时完成该脉冲与计算机送来的最大高度予置脉冲的减法运算。当减到四个计数器皆为“零”时，导通RS触发器CO36使其触发翻转。继电器吸合，通过I/O2接口向计算机送入过卷信号，引起过卷控制。
图15是激光臂长探测器电路图。激光发生器采用GaAS激光器的发射受时基控制下的同步电源控制。接收部分有光敏探头，同步触发计数系统和计算机接口电路组成。控制部分由时基电路、控制门1和2、周期计数器组成。大致工作过程是计数器HCT00和30MHZ晶振组成的十二级串行进位二进制计数器振荡器发出的振荡脉冲作为时间基准。测长之前在HCT4040(控制门1和2)的控制下计数门4017和C423均关闭看。测距时，启动触发器，打开计数器在施密特触发器MC14132控制下同步电源接通使激光器工作。在光束发射的时刻感光电路通过MC14132和门电路TC4082P将光束发射的时间送给计数器4017作为计数起始基准。被反射回来的光由接收器接收，在接收信号控制下计数停止。计数个数通过接口电路74LS243经I/O2送往CPU求算光程即空间臂长。本探测器的发射周期脉冲受周期计数器C423的控制，实现更高精度的计算。
图16、17是无线电调频收、发信号机电路图。该收、发信号机用单片收音机集成电路制成，用来发送臂端异物和高压电场探测器的探测信号。以无线信号传输代替常用的有线信号传输，作用距离100～150米工作频率约140MHZ。发射部分图16置于臂端，发射调频电磁波。发射控制部分由异或门T690和驱动三极管3DG12组成。外加信号进来时，门打开3DG12导通，继电器吸合，发射机开始通电工作。接收部分(图17)用单片集成收音机功能块ULИ-2204构成的普通调频接收机。接收到信号之后，继电器吸合将开关信号送CPU I/O1接口。
本发明可确保除交通事故之外在任何工作条件下的作业安全，充分发挥机械效能，通用性强维修方便，与国外产品相比减少经费三分之一以上且性能优于后者。本发明主要针对进口液压汽车吊，但由于具有兼容功能(存储器系插件式便于更换)和独立接口适用于各种型号、各种臂长、各种吨位级别的汽车吊、坦克吊、坦吊、龙门吊和桩机以及矿山开挖机械等的安全控制装置，也可以单纯做为角度计、载荷计、电子称使用。
权利要求
1.由高精度应变式传感器，拉力传感器、高精度动圈电位计、限位开关、微处理机、报警控制电路组成的微机垂直运输机械安全控制器其特征在于有臂端异物探测器、高压电场探测器、钢丝绳断股探测器、支腿位移探测器、方位探测器、风速探测器、地倾探测器、吊钩高度探测器和激光臂长探测器。
2.由权利要求
1所述的微机垂直运输机械安全控制器其特征在于臂端异物探测器由激光发射器、十四级串行进位计数器、晶体振荡器，JK触发器、施密特触发器、激光接受器和输出门组成。
3.由权利要求
1所述的微机垂直运输机械安全控制器其特征在于高压电场探测器由磁敏电阻、单差分前置放大器、射随器、运算放大器、JK触发器、或非导引门、采样保持电路和减法运算电路组成。
4.由权利要求
1所述的微机垂直运输机械安全控制器其特征在于钢丝绳断股探测器由铁芯线圈、运算放大器、驱动三级管和继电器组成。
5.由权利要求
1所述的微机垂直运输机械安全控制器其特征在于支腿位移探测器由精密动圈电位器、晶体三级管和运算放大器组成。
6.由权利要求
1所述的微机垂直运输机械安全控制器其特征在于方位探测器由聚光灯泡、光敏二级管、计数器和模拟开关组成。
7.由权利要求
1所述的微机垂直运输机械安全控制器其特征在于风速探测器由微型风力发电机和射随器组成。
8.由权利要求
1所述的微机垂直运输机械安全控制器其特征在于地倾探测器由重锤电位计式倾角器、晶体三级管和射随器组成。
9.由权利要求
1所述的微机垂直运输机械安全控制器其特征在于吊钩高度探测器由光敏传感元件、集成触发器、二～十进制可逆计数器、RS触发器和继电器组成。
10.由权利要求
1所述的微机垂直运输机械安全控制器其特征在于激光臂长探测器在普通半导体激光测距机的收、发电路之间加入第二门控电路和周期计数器组成。
专利摘要
本发明属于垂直运输机械安全装置。为解决垂直运输机械工作时各种意想不到的不安全因素造成的各种事故，保证其避免除位移交通事故之外的一切作业事故的发生。本发明包括臂端异物探测器、高压电场探测器、钢丝绳断股探测器、支腿位移探测器、方位探测器、风速探测器、地倾探测器、吊钩高度探测器和激光臂长探测器等多种探测装置。采用微机处理，具有显示、报警和自动控制功能。可作为港口码头、建筑工地、矿山等领域应用的各种起重、提升、挖掘等设备的安全装置。
文档编号B66C23/88GK86102540SQ86102540
公开日1987年4月15日 申请日期1986年10月13日
发明者张银彪 申请人:冶金工业部第二十冶金建设公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan