一种双吊具桥吊全向摆角检测机构及测量方法与流程

本发明涉光学、电气设备及电气工程领域，测量双吊具桥的吊绳摆角。

背景技术

随着全球化的继续深入，世界贸易的不断发展，带动了集装箱水运业的飞速发展。港口规模也在不打断扩大，桥吊作为港口集装箱作业的关键设备，其工作能力决定了码头的货物吞吐能力。双起升桥式吊车的双吊具可以同时装卸两个不同的集装箱，大大提高了集装箱码头的运输效率。但在操作过程中由于一些现实的原因(设备损耗，设备之间的摩擦)以及外界环境等因素造成负载的摆动。这种吊车的运动会引起负载的摆动，使其可能与周围其他建筑物体或者操作人员发生碰撞，导致财务损失以及人员伤亡。尤其是负载在停止运输后仍带有残余摆动这会带来安全隐患并降低运输。因此对桥吊的摆角检测是非常必要的。

现在生产过程中使用的桥吊大部分都没有安装摆角的测量及防摇装置。基本依靠桥吊司机的经验进行目测，对桥吊司机的操作技能和精神状态有很高的要求，同时这种方法不仅不可靠而且易受主观因素的影响，从而境地工作效率与质量。

在新近的一些报道中，一些机构开展了针对单起升桥吊负载防摇和负载定位控制的研究和应用，在这些桥吊控制系统中普遍采用了比较复杂的激光角度仪、角度传感器等检测装置实现负载摆角的检测，这些检测装置价格昂贵，使用复杂，抗干扰能力差，维护也不方便，有的还对使用环境有特殊要求，比如采用激光仪进行角度识别就要求工作环境状况良好，无尘无雨无遮挡等自然条件，这些都限制了角度检测装置的应用。同时，一些摆角测量装置需要检测摆角的分量然后对角度进行合成计算，这导致了在转化过程容易引入误差，使测量不精准。

技术实现要素：

针对上述背景技术中的不足，提出了一种基于光电效应原理的双吊具桥吊摆角测量装置及其方法解决了双起升双吊具桥吊摆角检测问题，装置结构简单，成本低廉，维护方便，抗干扰能力强，不受天气影响且精度高方便测量，此装置不需要进行繁琐的分量测量直接测得为合力摆角的大小。

为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种双吊具桥吊全向摆角检测机构，其特征包含：

摆架平面调节装置、周角测量杆、摆架、调节连杆；

所述摆架平面调节装置包含圆筒形状的旋转装置和固定装置；所述旋转装置设置在所述固定装置的内侧；装有负载的吊具桥吊绳设置在旋转装置内侧的空间；

所述摆架是弓形结构，弦对应的位置设置有上部横杆；所述吊绳穿过摆架的弧中心；

所述上部横杆包含动环、定环，所述动环设置在定环内部；所述调节连杆的第一端与吊绳和所述动环固定连接，所述调节连杆的第二端固定设置在所述旋转装置之上；吊绳在摆动时在第一方向上的作用力传给所述动环，使调节连杆转动，进而带动旋转装置转动；所述第一方向与摆架的弦线方向对应；

所述固定装置的圆周上还设置导电的测量滑道，所述周角测量杆的一端设置金属滚动头，随着旋转装置的转动使所述金属滚动头在所述测量滑道上滑动；

所述测量滑道上设置一跟导线，且在所述金属滚动头设置另一跟导线，两根导线与电源连接，且在该回路中设置电参数测量仪，通过检测该回路的电阻来检测所述摆架平面调节装置的转角。

优选地，进一步包含2个光电测量装置；

所述2个光电测量装置对称地布置在所述摆架的弦的两端；

所述2个光电测量装置各包含光板转轴、光源、遮光板、硅光电池板；

所述光板转轴与摆架连接；所述遮光板为扇形，与光板转轴连接，并设置在光源和硅光电池板之间；

第一光电测量装置的遮光板在顺时针旋转时透光，逆时针旋转时遮光，且第二光电测量装置遮光板在顺时针旋转时遮光，逆时针旋转时透光；

所述吊绳穿过摆架的弧的中心，吊绳摆动时产生第二方向上的作用力带着摆架摆动，进而带着光板转轴和遮光板旋转，遮光板的旋转影响硅光电池板受光面积，检测硅光电池板的光电压来检测所述摆架的摆角；所述第二方向与第一方向垂直。

优选地，所述摆架平面调节装置的旋转装置和固定装置之间设置滚柱。

优选地，进一步包含2个摆架转轴和2个转轴缓冲装置，布置在所述摆架的弦的两端；

各个所述摆架转轴还分别包含旋转环、旋转环转轴、传动杆；

所述传动杆的一端与所述摆架连接，另一端与转轴缓冲装置连接，所述旋转环与旋转环转轴一端连接；

所述转轴缓冲装置包含活动端子、缓冲弹簧、固定端子；

所述活动端子第一面和固定端子的第一面设置在所述缓冲弹簧的两端；

所述活动端子第二面连接所述旋转环转轴另一端，所述固定端子的第二面连接所述传动杆。

优选地，所述扇形遮光板的圆心角为270°。

优选地，所述测量滑道还包含一处绝缘滑道。

优选地，摆角测量运算系统包含：电子信号处理装置、pc、显示装置及防摇控制装置；

所述电子信号处理装置得到光电平信号及电参数测量仪的电参数信号之后经过运算处理得出摆角θ及周角α，再把运算结果传输给所述pc；

所述pc将摆角θ及周角α显示在所述显示装置，并传输指令给所述防摇控制装置；

所述防摇控制装置控制吊具桥的运动；

所述摆角θ经过如下计算：

其中，v是实时检测的硅电池电压经过信号调理后的到值，u1是在光源的情况下遮光板旋转90度所测得的最大电压；

所述周角α经过如下计算：

其中，u2是端电压；i是测量滑道与周角测量杆之间的回路中测得实时电流，经过信号调理得到的值；

在得到α与θ后即可得到一个空间摆角β＝(α,θ)。

优选地，所述电子信号处理装置进一步包括：

桥式电路，将所述所述电子信号处理装置得到光电平信号及电参数测量仪的电参数信号进行整流处理；

放大器，将桥式电路整流处理后输出的信号进行放大处理；

整流滤波器，将放大器输出的信号再进一步进行整流滤波；

ad转换器，将整流滤波器输出的模拟信号转换为数字信号；

cpu，将ad转换的电压、电流数字信号转换成摆角θ及周角α的数字信号。

本发明的优点在于，与现有技术相比较，本结构比较简单，成本低廉，绿色环保无污染，易于实现便于维护，实时性好，转换效率高，测量准确，不需要去进行大量计算，不用多测量装置搭建，抗干扰能力极强，符合实际的桥吊摆角测量需要。

附图说明

图1为基于硅光电池的双吊具桥吊摆角检测装置整体结构示意图；

图2为摆角测量装置结构示意图；

图3为摆架平面360度调节装置结构示意图；

图4为摆架连接示意图；

图5a为上部横杆的内部结构示意图；

图5b为调节连杆与上部横杆的内部连接结构示意图；

图6a为周角测量杆结构示意图；

图6b为周角测量装置示意图；

图7为光电摆角测量装置示意图；

图8为遮光板放大示意图；

图9为摆角测量流程图；

图10为摆架运动示意图；

图11为电子信号处理装置示意图；

图12为转轴缓冲装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但不以任何方式限制本发明的范围。

如图1所示，吊具桥的结构包含：桥吊大车运行轨道1、桥吊大车驱动机构2、桥吊大车3、桥吊驾驶室4、桥吊小车运行驱动机构5、桥吊小车6、摆角测量装置7、吊绳8、吊具9、集装箱10。桥式吊车的运动方式有桥吊大车3的单独运动，桥吊小车6的单独运动以及桥吊大车3和桥吊小车6的合运动。三种运动带动吊绳8运动从而产生负载的摆动。桥吊大车3和桥吊小车6的合运动包含了桥吊小车的单独运动和桥吊大车的单独运动，此处以合运动为例进行说明。当桥吊需要去搬运货物时运行方式如下：吊绳8变化带动吊具9变动然后去起升集装箱10，通过桥吊小车运行驱动机构5驱动桥吊小车6和桥吊大车运行驱动机构2驱动桥吊大车3进行货物的移动，在此过程中由于惯性，外界环境等原因产生的吊绳8摆角将由摆角测量装置7进行测量，并将测量数据反馈给驾驶室4内的操作人员。

如附图2所示，摆角测量装置7包含：摆架平面调节装置11、周角测量杆16、摆架转轴12、摆架14、调节连杆15、光电测量装置13；摆架平面调节装置11包含圆筒形状的旋转装置18和固定装置20；旋转装置18设置在固定装置20的内侧；装有负载的吊具桥吊绳8设置在旋转装置18内侧的空间，摆架平面调节装置11的旋转装置18和固定装置20之间设置滚柱19，保证此装置能尽可能将摩擦变为最小，如附图3所示。

如附图4所示，设置有一摆架14，所述摆架14是弓形结构(板状或条带状)，且在弦对应的位置设置有上部横杆40；所述上部横杆40包含动环28、定环29，所述动环28设置在定环29内部，其结构如附图5所示。所述调节连杆15的第一端与吊绳8和所述动环28固定连接，吊绳8在摆动且产生沿第一方向的作用分力时，通过动环28带动调节连杆15转动。所述第一方向对应于摆架14的弦线方向，即上部横杆40的长度方向(图2中示出为左右方向)。

吊绳8还穿过摆架14的弧中心，在摆动且产生沿第二方向的作用分力时，带动上部横杆40的定环29及摆架14绕弦线摆动。所述第二方向与第一方向垂直(图2示出为前后方向)在此处安放上部横杆40，使定环29与动环28不同时转动的设计，能保证调节连杆15不受与定环29连接的摆架转轴12转动的影响。

如附图6所示，所述调节连杆15的第二端固定设置在所述旋转装置18之上，调节连杆15的转动可带动旋转装置18转动；固定装置20的圆周上还设置导电的测量滑道17；周角测量杆16的一端设置金属滚动头30，可以随着旋转装置18的旋转而在测量滑道17上滑动；测量滑道17设置一个导线，且在导线与测量滑道17接触点的一边设置绝缘滑道33；金属滚动头30也设置一个导线，其与测量滑道17导线之间设置一个电源与电参数测量仪，通过检测该回路的电阻来检测所述摆架平面调节装置11的转角。此处提出金属滚动头30的优势在于在多次摩擦中容易导致装置变得精确度下降，而滚动头则可避免这个问题；给装置输入电压通过金属滚头的滚动使得下部滑道的电阻阻值发生变化从而其输出电流发生变化，然后对其输出信号进行处理得到周角的角度；绝缘滑道33可以保证记录一周的数值，也便于区分角度值。

摆架转轴12包含有2个，各布置在摆架14的两端；摆架转轴12还包含旋转环21、旋转环转轴22、缓冲装置23、传动杆39；传动杆39的一端与所述摆架14连接，另一端通过缓冲装置23与旋转环转轴22连接，旋转环21与旋转环转轴22连接。如附图12所示，所述缓冲装置包含活动端子24、缓冲弹簧25、固定端子26；所述活动端子24第一面和固定端子26的第一面设置在所述缓冲弹簧25的两端；所述活动端子24第二面连接所述旋转环转轴22，所述固定端子26的第二面连接所述传动杆39。此连接装置是定点转动的，旋转环21分为固定环和转动环，固定环和转动环之间有滚珠保证其能小摩擦转动；旋转环转轴22与旋转环21之间有缓冲装置23，避免吊绳8在第一方向上较大的摆动带来的损害。

2个光电测量装置13各设置在摆架转轴12的两端上，检测摆架14的转角。如附图7所示，2个光电测量装置13各包含光板转轴34、光源35、遮光板36、硅光电池板37；如附图8所示，光板转轴34与摆架14连接；遮光板36是圆心角为270°的扇形结构，设置在光源35和硅光电池板37之间，且与光板转轴34连接；吊绳8在摆动时带着摆架14摆动，进而带着光板转轴34与遮光板36一起转动；第一光电测量装置的遮光板36在顺时针旋转时透光，逆时针旋转时遮光，且第二光电测量装置遮光板36在顺时针旋转时遮光，逆时针旋转时透光。所述吊绳8带着摆架14摆动，摆架14带着光板转轴34转动，光板转轴34再带着遮光板36旋转，从而导致硅光电池板37受光面积发生改变，进一步使得硅光电池板37的电压发生改变，进而测得电压，也知道角度变化。

如附图9所示，摆角测量运算系统包含：电子信号处理装置、pc、显示装置及防摇控制装置；电子信号处理装置得到光电平信号及电参数测量仪的电参数信号之后经过运算处理得出摆角θ及周角α，再把运算结果传输给pc，pc将摆角θ及周角α显示在显示装置，并传输指令给所述防摇控制装置，防摇控制装置控制吊具桥的运动。

如附图11所示，电子信号处理装置进一步包括：桥式电路、放大器、整流滤波器、ad转换器、cpu等；桥式电路将所述所述电子信号处理装置得到光电平信号及电参数测量仪的电参数信号进行整流处理；放大器将桥式电路整流处理后输出的信号进行放大处理；整流滤波器将放大器输出的信号再进一步进行整流滤波；ad转换器将整流滤波器输出的模拟信号转换为数字信号；cpu将ad转换的电压、电流数字信号转换成摆角θ及周角α的数字信号。

假设吊绳8运动如图10所示，其中吊绳在z轴，上部横杆40在y轴。当吊绳8发生摆动，其会导致摆架14及动环28的受力，从而通过光电测量装置13及摆架平面调节装置11进行测量吊绳8的摆角。当吊绳8发生摆动，其会首先导致摆架14发生动作，摆架14的动作会同时引起摆架转轴12和调节连杆15的运动。对于摆架转轴12而言，吊绳8的摆动使得与旋转环21进行连接的旋转环转轴22进行转动，因为其运动并非单向的，所以会使旋转环转轴22产生y方向上的运动。此时转轴缓冲机构23能够很好的制约这种横向运动带来的机械损害，并能大幅度的使能量不会发生耗散。因为上部横杆40的动环28在上部横杆40内部以y轴方向受力，此时调节连杆15与上部横杆40的动环28连接，能将所受到的力传给调节连杆15，此时调节连杆15带动摆架平面调节装置11进行旋转。从而吊绳8的摆动导致摆架平面调节装置11的旋转以及摆架14的x轴方向上的摆动。通过这个装置能完全跟踪吊绳8的摆动，在这个装置中此种设计可以不需要将运动进行分解，使得计算测量变得简单，同时缓冲装置的设计使得能量不易耗散，以及对剧烈运动的很好保护，从而提高测量精度。

光电测量装置13测量摆架14的摆动时，光板转轴34带动遮光板36进行转动。当有光源35光照透过遮光板36导致硅光电池板37电压变大，则其摆角θ测量仅仅通过如下公式计算。

其中v是实时检测的硅电池电压经过信号调理后的到值，u1为在光源35的情况下遮光板36旋转后所测得的最大电压，也可理解为此装置的满量程的电压。其另一方向的摆动通过另一个装置测量，原理相同。

周角α的测量可通过如下公式计算。

其中u2端电压，而i是实时电流经过信号调理得到的电流。在得到α与θ后即可得到一个空间摆角β＝(α,θ)。在本测量装置中由于所测得电参数仅仅通过一个公式就能计算出吊绳的摆动，很明显会减小计算量，对于海量的处理数据而言无疑是一项优化。

本发明与现有技术相比较，本结构比较简单，成本低廉，绿色环保无污染，易于实现便于维护，实时性好，转换效率高，测量准确，不需要去进行大量计算，不用多测量装置搭建，抗干扰能力极强，符合实际的桥吊摆角测量需要。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。