专利名称：一种半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统及定位方法
技术领域：
本发明属于电机驱动定位技术领域，特别是一种半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统及定位方法。
背景技术：
焊接的长钢轨是无缝铁路干线铺设的基本组成部分，长钢轨群吊在焊接长钢轨生产线中担负着重要运输的任务，而目前我国现有长钢轨群吊多采用的各个单吊单控的控制方法，这需要太多的操作人员，吊轨过程存在安全隐患，依靠人工协调的操作方式劳动强度大、生产效率低，且存在同步操作困难，钢轨容易被拉弯损伤等问题。经过文献检索，中国专利申请号为
88103663.3，公开了名称为长钢轨同步定位吊运装置的专利，该专利申请一种具有集中控制、同步动作、准确定位和自动夹钳的新型的长钢轨吊运装置，实现了集中控制功能，使吊装作业中使钢轨始终保持平直，提高了装吊作业连续生产效率和吊轨过程生产的质量。该专利中提供的同步定位功能是依靠左右两台步进电机，定位起吊点和安放点，实现对钢轨吊机的位置定位，但是这种定位方法具有缺陷。
其一、依靠双步进电机定位，存在定位误差调整困难问题。供定位小车行走定位的长工字钢横梁行走面，本身存在摩擦不均匀性，以及小车行走的滚轮接触面外径不统一等因素，导致步进电机定位存在误差。在短距离行走中，其误差还可能在容许之内，但在长距离定位行走中，其误差就容易超出钢轨定位容许范围。
其二、在多台吊机需要同步运行过程中，由于每个横梁之间存在差异使各吊机的定位误差更是各不相同，再加上每吊上都存在有左右两个定位点，使得在实际应用中，整个吊机系统的定位误差调整起来十分烦琐，吊机越多，调整工作量越大，阻碍了这种定位方法的大范围推广使用。
另外，电机驱动的定位方法可以采用数控系统中轴的定位所采用的全闭环位置反馈技术来实现，但在长距离的定位中若采用这种技术，位置信号传感器及配套的数据采集系统单价较高，导致整个群吊工程造价过于昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统及定位方法，主要解决上述现有技术所存在的技术问题，它可有效避免吊机在不均衡横梁上运行过程所带来的累积误差，实现吊机的精确定位，并可使吊机按较小的减速度停机定位，可有效避免停机过程钢轨的摆动，减少抑制摆动的时间，提高吊机运行效率。
为实现上述发明目的，本发明是这样实现的
一种半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统，其特征在于它由定位机构和定位控制系统两部分组成；
所述的定位机构包括伺服电机、由伺服电机驱动行走在工字钢横梁下肩表面上的小车、用于感测电机转数和转速的安装在伺服电机的驱动轴上的编码器、安装在小车上并跟随小车一起运动的限位开关组限位开关组以及触发限位码信号的限位档块组；所述的限位挡块组对横梁进行分区，分区方法是左右限位确定一个区间，两相隔的区间之间设置一组限位组，再把进出轨的滚道所在位，各分为一个区间；
所述的定位控制系统由PLC系统和伺服驱动器组成；PLC系统依据定位目的位置发送伺服驱动脉冲控制指令，伺服驱动器驱动电机运行，运行过程中依据档块组触发限位信号，决定吊机所处区间位置，在区间内再通过电机驱动轴上的编码器信号反馈，决定电机区间内钢轨安放位置定位，经过不同横梁的安装纵向偏差矫正后，使吊机群在长位移运送长钢轨过程中，保持同步并实现精确定位。
所述的定位控制系统实现的具体方案中，PLC可采用三菱FX3U-64M的PLC;伺服驱动器可采用三菱公司的MR-E-100A伺服驱动器；伺服电机可采用三菱公司带编码器反馈的HF-SE102JW1伺服电机，限位组可采用欧姆龙公司的E2E-X14MD1 S接近开关。
所述的半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统，其特征在于所述的分区方法中零区间由零限位组(l限位组)和左极限位组组成，l区间由l限制位组和2限位组组成，2区间由2限制位组和3限位组组成，其他区间依此方法类推。
所述的半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统，其特征在于所述的区间信号触发由限位组上的限位信号决定，其中限位组由限位开关和不同的挡块组成，其中安装在小车上的限位开关，随小车运动，其数量为4个，并分布在同一直线上，不同的限位组具有对应的挡块组编码，小车运动带动限位开关接触固定挡块，触发限位信号。
所述的半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统，其特征在于吊
机群往左方向运行，限位开关组碰到左极限位组或零限位组后，识别所在区间为零区间，吊机群回零区后，往右方向运行碰l次限位组后区间号增l，往右方向运行碰1次限位组后区间号减1 。
所述的半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统，其特征在于不同横梁的安装纵向直线偏差是通过吊机往左右方向两次运行定位滚道线方法实现，具体是根据两次的定位偏差的差值计算获得。
所述的半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统，其特征在于所述的挡块组编码中，挡块组编码位是4位，其中1位和2位之间相互冗余，3位和4位之间相互冗余；限位组编码有两种方式， 一种是满限位作为左右极
限位组，3、 4位作为零限位组，1、 2位作为一般区间区分限位；另一种是3、4位作为左右极限位组，满限位作为零限位组，1、 2位作为一般区间区分限位。
在吊机群的同步定位系统中，每一吊机具体的定位方法，通过以下几个
步骤实现
步骤一确定限位组位置和编码方式。按具体工程要求确定限位组坐标位置，设置区间限位组上限位开关的编码。
步骤二在滚道所在区间内，使吊机左向进入定位滚道和右向定位滚道各一次，测量这两次与滚道中心线的偏差，计算并补偿该吊机横梁横向安装时的位置偏差。
步骤三矫正吊机群的脉冲当量。获取伺服电机每转的小车行走位移，计算并设置每台吊机的脉冲当量，避免小车在横梁上的安装偏差。
步骤四吊机群回零区间操作。吊机群控制系统启动之后，让所有吊机往左方向运行，若吊机触发到左限位组，则停机并把当前吊机所在区间设位零区间；若吊机触发到零限位组则运行零区间内第一个安放位后停机，并设置该区间为零区间；若吊机触发其他限位组，则继续向左运行，直到触发到零限位组。
步骤五吊机群对齐操作。吊机在回零区间操作后，吊机群系统都已经获知当前吊机的区间位置前提下，对吊机群进行对齐操作，对齐过程让吊机群都往右运行，吊机碰零限位组后在1区间的1安放位上停机定位。
步骤六吊机群的定点横移操作。对齐吊机后可对吊机进行定点横移操作，横移的目的地址由目的区间和目的安放位组成，吊机往左运行时碰非极限限位组后吊机的实时区间号减l，往右运行时碰非极限限位组后吊机的实时区间号增l，到达目的区间后，吊机依靠编码器的位置反馈作为目的安放
8位的位置判定，实现精确定位。
本发明系统的优点在于，通过安装在各工字钢横梁位置档块，实现吊机
分区定位，可有效避免吊机在不均衡横梁上运行过程所带来的累积误差；在较短长度的挡块之间依靠伺服电机和编码器来定位，实现吊机的精确定位，并可使吊机按较小的减速度停机定位，可有效避免停机过程钢轨的摆动，减少抑制摆动的时间，提高吊机运行效率；通过这种方法定位吊机，也就可保持吊机群之间按编码器反馈的速度，使吊机保持同步，保证吊轨的质量；另外定位区间中的左右挡块布置方法，可容易的补偿不同吊机横梁在纵向方向上的直线度偏差，给调试带来方便。
图1是本发明的吊机定位系统的基本原理图2-l是本发明的吊机群横梁纵向直线度偏差测量原理图(横梁往右偏)；
图2-2是本发明的吊机群横梁纵向直线度偏差测量原理图(横梁往左偏)；
图3-l是本发明的吊机上冗余挡块的编码原理图(方式一)；图3-2是本发明的吊机上冗余挡块的编码原理图(方式二)；图4是本发明的新区间触发原理图。
具体实施例方式
图1是本发明的吊机定位系统的基本原理图。图中表示了吊机定位系统由定位机构和定位控制系统两部分组成，图中的伺服电机5、由伺服电机驱动行走在工字钢横梁1下肩表面上的小车6、用于感测电机转数和转速的安装在伺服电机的驱动轴上的位置编码器，和成直线布置的限位开关组4以及触发限位码信号的限位档块组2， 3共同组成定位机构；定位控制系统由PLC系统和伺服驱动器组成，它们共同完成定位信号的采集和伺服电机的驱动控制。具体定位原理是PLC系统依据定位目的位置，计算并发送伺服驱动脉冲控制指令，驱动电机运行，运行过程中依据档块组触发限位信号，决定吊机所处区间位置，若往左运行触发到2档块组，区间号减l，若往右运行时触发到3档块组，区间号加l,这样通过区间定位实现长距离分段定位；在区间内再通过电机驱动轴上的编码器信号反馈，决定电机区间内钢轨安放位置定位。
图2-l、 2-2是本发明的吊机群横梁纵向直线度偏差测量原理图。图中，表示横梁往左和右偏差的两种情况，示意这两种偏差的测量原理，测量原理中都以实际滚道中心位为衡量标准，若横梁往右偏时，吊机往右进入滚道区间，定位滚道安放位，假设运行定位位置为Ss处，偏差为E^吊机往左进入滚道区间，定位滚道安放位，假设运行定位位置为Ss处，偏差为E^则横梁往右偏的长度为E《-E^Es。同理若横梁往左偏时，吊机往右进入滚道区间，定位滚道安放位，假设偏差为E^吊机往左进入滚道区间，定位滚道安放位，假设偏差为E^则横梁往左偏的长度为E《-ErE^。从图中的横梁偏差测量原理可见，偏差测量只是与滚道位置比较测量即可，测量方法简单,而且与吊机的脉冲当量是否准确无关，有效的避免由于吊机的脉冲当量不准确性到来的定位影响。
图3-l、 3-2是本发明的吊机上冗余挡块的编码原理图。限位组编码方式通过挡块编码实现，支持两种编码方式，编码位为4位，限位组编码方式l中，左右极限位组的挡块使用满限位，零区间的l限位组，也就是零限位组的编码位为3， 4位，其他区间的编码位为l， 2位，区间之间相隔一个限位组。限位组编码方式2中，左右极限位组3、 4限位，零限位组的编码位的挡块使用满限位，其他区间的编码位为l， 2位，区间之间也是相隔一个限位组。在区间触发变化时，只要有l、 2中1个限位，或3、 4中的一个限位触发时，就认为是有效限位信号，实现了限位信号触发的双冗余，降低吊机群运行过程中限位故障导致吊机区间定位的误判率。
图4是本发明的新区间触发原理图。新区间的产生以触发新的限位组为
依据的，但限位开关触发挡块虽在一组直线上，不同的限位触发总存在时间特性的先后问题，在一组挡块在触发限位开关时，若其中有一个限位的信号触上升沿为判定新限位的准备条件，在其中有一个限位发生下降沿后，前一轮信号扫描限位组位置信号作为新区间的限位组判定信号。
权利要求
1、一种半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统，其特征在于它由定位机构和定位控制系统两部分组成；所述的定位机构包括伺服电机、由伺服电机驱动行走在工字钢横梁下肩表面上的小车、安装在伺服电机的驱动轴上的用于感测电机转数和转速的编码器、安装在小车上并跟随小车一起运动的限位开关组以及触发限位码信号的限位档块组；所述的限位挡块组对横梁进行分区，分区方法是左右限位确定一个区间，两相隔的区间之间设置一组限位组，再把进出轨的滚道所在位，各分为一个区间；所述的定位控制系统由PLC系统和伺服驱动器组成；PLC系统依据定位目的位置发送伺服驱动脉冲控制指令，伺服驱动器驱动电机运行，运行过程中依据档块组触发限位信号，决定吊机所处区间位置，在区间内再通过电机驱动轴上的编码器信号反馈，决定电机区间内钢轨安放位置定位，经过不同横梁的安装纵向偏差矫正后，使吊机群在长位移运送长钢轨过程中，保持同步并实现精确定位。
2、 根据权利要求1所述的半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统， 其特征在于所述的分区方法中零区间由零限位组(l限位组)和左极限位组 组成，1区间由1限制位组和2限位组组成，2区间由2限制位组和3限位组组成， 其他区间依此方法类推。
3、 根据权利要求1所述的半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统， 其特征在于所述的区间信号触发由限位组上的限位信号决定，其中限位组 由限位开关和不同的挡块组成，其中安装在小车上的限位开关，随小车运动， 其数量为4个，并分布在同一直线上，不同的限位组具有对应的挡块组编码， 小车运动带动限位开关接触固定挡块，触发限位信号。
4、 根据权利要求2所述的半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统， 其特征在于吊机群往左方向运行，限位开关组碰到左极限位组或零限位组 后，识别所在区间为零区间，吊机群回零区后，往右方向运行碰l次限位组后 区间号增l，往右方向运行碰l次限位组后区间号减l。
5、 根据权利要求1所述的半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统， 其特征在于不同横梁的安装纵向直线偏差是通过吊机往左右方向两次运行 定位滚道线方法实现，具体是根据两次的定位偏差的差值计算获得。
6、 根据权利要求l所述的半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统， 其特征在于所述的挡块组编码中，挡块组编码位是4位，其中1位和2位之间 相互冗余，3位和4位之间相互冗余；限位组编码有两种方式， 一种是满限位 作为左右极限位组，3、 4位作为零限位组，1、 2位作为一般区间区分限位； 另一种是3、 4位作为左右极限位组，满限位作为零限位组，1、 2位作为一般区间区分限位。
7、 一种半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位方法，其特征在于使用 如权利要求1或2或3或4或5或6所述的系统，其特征在于方法步骤是步骤一确定限位组位置和编码方式；步骤二在滚道所在区间内，使吊机左向进入定位滚道和右向定位滚道 各一次，测量这两次与滚道中心线的偏差，计算并补偿该吊机横梁横向安装 时的位置偏差；步骤三矫正吊机群的脉冲当量，获取伺服电机每转的小车行走位移， 计算并设置每台吊机的脉冲当量，避免小车在横梁上的安装偏差；步骤四吊机群回零区间操作；吊机群控制系统启动之后，让所有吊机 往左方向运行，若吊机触发到左限位组，则停机并把当前吊机所在区间设位 零区间；若吊机触发到零限位组则运行零区间内第一个安放位后停机，并设 置该区间为零区间；若吊机触发其他限位组，则继续向左运行，直到触发到零限位组；步骤五吊机群对齐操作；。吊机在回零区间操作后，吊机群系统都已 经获知当前吊机的区间位置前提下，对吊机群进行对齐操作，对齐过程让吊 机群都往右运行，吊机碰零限位组后在1区间的1安放位上停机定位。步骤六吊机群的定点横移操作；对齐吊机后可对吊机进行定点横移操 作，横移的目的地址由目的区间和目的安放位组成，吊机往左运行时碰非极 限限位组后吊机的实时区间号减l，往右运行时碰非极限限位组后吊机的实时 区间号增l，到达目的区间后，吊机依靠编码器的位置反馈作为目的安放位的 位置判定，实现精确定位。
全文摘要
本发明涉及一种半闭环位置反馈的长钢轨吊机群同步定位系统及定位方法。它由定位机构和定位控制系统两部分组成；所述的定位机构包括伺服电机、由伺服电机驱动行走在工字钢横梁下肩表面上的小车、用于感测电机转数和转速的安装在伺服电机的驱动轴上的编码器、限位开关组以及触发限位码信号的限位挡块组；所述的限位挡块组对横梁进行分区，分区方法是左右限位确定一个区间，两相隔的区间之间设置一组限位组，再把进出轨的滚道所在位，各分为一个区间。它可有效避免吊机在不均衡横梁上运行过程所带来的累积误差，实现吊机的精确定位，并可使吊机按较小的减速度停机定位，可有效避免停机过程钢轨的摆动，减少抑制摆动的时间，提高吊机运行效率。
文档编号B66C13/04GK101670981SQ200910197038
公开日2010年3月17日 申请日期2009年10月13日 优先权日2009年10月13日
发明者林献坤, 韩世卓 申请人:上海理工大学