一种用于浮空器升空回收的机电式绞车系统及工作方法与流程

本发明属于升空回收装备领域，具体涉及一种具有减张力设计并实现多层精确排缆功能的用于浮空器升空回收的机电式绞车系统。

背景技术：

升空回收装备应用于系留气球、浮空器等设备的升空回收，其核心装置就是绞车系统，其具有安全可靠性要求高、负载大、缆绳长、扰动大的特点。

常采用的往复式双向丝杠通过链条传动的排缆装置，具有加工成本高，容易损耗，排缆缆径相对固定不能适用于多种缆径，且排缆过程中累积误差不能调节，故精确排缆不易实现。

对于升空回收装备要求越来越高，传统常用的螺旋绳槽卷筒，在第一层排缆的时候没有双折线卷筒的引导排缆的效果好，这样在排缆时易发生打滑，在往后的排缆中，没有很好的继承性，不易更好的实现多层排缆。

大负载场合工作的绞车，如果直接将缆绳进行储缆，储缆绞车底层的缆绳在上层缆绳的挤压应力下变形，失圆而损伤，那样容易造成不可弥补的事故，应该在排缆前通过一定的方法去释放缆绳的张力，对排缆起到保护作用。以往采用的一个驱动一个浮动的减张力绞盘结构，在负载突变的情况下，抗扰动有所不足。张力衰减效果没有双驱动的好，且体积很大，结构冗余。

以往一般的绞车系统运行时仅有简单的启停控制和报警，通过给系统添加报警模块、数据采集模块、上位机测控、机械制动装置等可以让整个系统的运作更加可靠，也保证升空回收装备安全性要求高的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提供一种用于浮空器升空回收的机电式绞车系统。

为达到上述目的，本发明实现目的所采用的技术方案是：

一种用于浮空器升空回收的机电式绞车系统，其包括主绞车、辅助绞车、排缆机构以及测控系统；其特征在于，

所述主绞车包括牵引绞车和储缆绞车，其中，牵引绞车采用双绞盘双驱动的方式，通过绞盘和缆绳的摩擦释放系留缆绳的张力，作为升空回收的主驱动装置；储缆绞车用于将回收的缆绳整齐地储放，其与绞盘以相同线速度运行，配合以伺服电机为主的柔性排缆机构实现多层精确排缆的功能；

辅助绞车由三台电控绞车组成，三台电控绞车分别布置于系留塔、锚泊车的左右两侧的侧臂，用以牵引头锥机械索具和中部左右机械索具，负责在气球升空初期和回收后期，辅助系留气球的放飞、回收以及气球的地面系留；

排缆机构采用电控式排缆机构，且排缆机构采用独立伺服电机驱动，并通过单向丝杠螺母机构带动排缆导轮位置移动实现排缆；

测控系统用于缆绳及系统工作状态的数据采集并对系统实现控制。

进一步，作为优选，所述牵引绞车采用双绞盘伺服控制，绞盘通过绞盘电机驱动，绞盘电机为变频减速电机，由两个变频器驱动两个电机，通过双驱动伺服控制，且绞盘的双驱动伺服控制包括速度控制模式和力矩控制模式，速度控制模式和力矩控制模式的出力方向一致，力矩控制模式的绞盘在缆绳的关联下始终跟随速度控制模式的绞盘运动，使得两个绞盘出力均匀，缆绳不打滑，在缆绳与绞盘间摩擦的作用下实现双绞盘精确同步。

进一步，作为优选，绞盘采用半圆型绳槽，其中两两相邻绳槽的摩擦系数比均为1：1.5，其中入绳槽摩擦系数最小，缆绳进出方式采用了下进下出的方案，并增加过渡轮进行导向，以便降低高度，并使双驱动电机向两端延伸，利于布局安装。

进一步，作为优选，该系统包括双折线卷筒、支架、储缆电机、导向轮、伺服电机、单向丝杠、排缆导轮、缆绳、绞盘、绞盘电机和过渡轮，其中，负载出缆端依次通过所述导向轮和过渡轮连接至双绞盘，绞盘由绞盘电机驱动转动，所述绞盘上的缆绳通过排缆导轮连接至双折线卷筒，所述双折线卷筒设置在支架上且由支架上的储缆电机驱动转动，所述排缆导轮由伺服电机、单向丝杠进行驱动以便实现排缆导轮的位置调节。

进一步，作为优选，双折线卷筒一端安装有光电复合旋转连接器，光电复合旋转连接器旋转中心与储缆筒的轴心同心，双折线卷筒的储缆电机采用变频调速方式，设置为直接力矩控制，且其力矩方向始终设置为收缆方向，通过直接转矩控制保持与驱动绞车收放同步，排缆装置的单向丝杠的两端采用接近开关控制换向，并通过行程开关作超限保护，排缆导轮采用空气弹簧平衡,以便自适应排缆层数变化。

进一步，作为优选，储缆绞车上装有张力测量装置，配合控制器输出电压的变化来控制电机的输出力矩，通过张力闭环控制，达到缆绳排缆的张力的保持，防止多层排缆时的塌陷错位，所述储缆筒采用双折线绳槽结构固化第一层排缆，并使以后各层具有继承性，以保证整齐排缆。

进一步，作为优选，排缆装置的伺服电机由工控机作为控制器对伺服电机发出pwm脉冲量进行位置控制，结合伺服电机自带的编码器、储缆电机的编码器以及单向丝杠两端的接近开关来共同协调伺服电机的转速。

进一步，作为优选，所述测控系统的数据采集以及控制包括采集缆绳速度、长度、张力信号；把采集到的信号传输给上位机；用于控制绞盘和储缆绞车电机启动、停止及速度调节；以及保护功能；同时还对车身回转电机实施启、停、正反转控制。

进一步，作为优选，所述测控系统的电气部分采用pc104计算机控制方式，主绞车工作方式如下：当主绞车收缆时，主绞车线速度由人工设定，储缆绞车在缆绳的作用下，其线速度被主绞车所限制，且其产生的张力由储缆绞车的设定力矩及缆绳在缆筒上缠绕半径决定，最小张力需保证缆绳能够拉直；当主绞车放缆时，储缆绞车仍设定为收缆状态，但其输出力矩远小于主绞车产生的力矩，在缆绳作用下，储缆绞车被主绞车倒拖，其电机处于发电工作状态。

本发明的一种用于浮空器升空回收的机电式绞车系统的工作运行步骤如下：

(1)硬件布置完成，相应接线正确；

(2)设定牵引绞车和储缆绞车的三台变频器的工作方式，分别为矢量控制、直接力矩控制、直接力矩控制；

(3)系统初始化完成，进行数据采集，保证自检状态正常；

(4)急停开关松开后，对手柄进行操作，程序判断收、放缆绳；

(5)放缆时，手柄的模拟量输入设置储缆绞车的电机力矩及方向，给出开关量启动储缆绞车，操作手柄的模拟量设置牵引绞车的控制速度，并驱动绞盘变频器系统开始放缆，系统在无故障、无报警状态下运行直至手柄至中位，人工停车；

(6)收缆时，手柄的模拟量输入设置储缆绞车的电机力矩及方向，并通过程序设计给出开关量启动储缆绞车，操作手柄的模拟量设置牵引绞车的控制速度，并驱动绞盘变频器系统开始收缆；

(7)运行状态由数据采集卡和变频器与上位机rs485串口通信反馈给上位机，操作人员可以进行监控；

停车过程：在非排放缆不同步的情况下以及非报警状态下的紧急停车，人工停车是先将绞盘电机控制速度设定为0，再将储缆绞车电机的控制力矩设置为0，系统将平稳停车。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明相对于传统的机械式排缆，用工控机配合伺服电机可以实现精度高的多层柔性排缆，保证了排缆的可靠性和安全性。区别了以往不减张力或者单驱动绞盘，采用了绞盘双驱动方案，此方案提高了牵引绞车的抗干扰可靠性，且由于两个绞盘都参与了卸荷张力，增加了缆绳与绞盘缠的摩擦包角，使得张力衰减效果的倍增，轴向尺寸压缩，保证了结构的紧凑和高效。综上所述，本发明系统是一套运行可靠，功能强大的用于浮空器升空回收的机电式绞车系统。

附图说明

图1是系统组成框图；

图2是主绞车结构布局图；

图3是主绞车硬件系统构成框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种用于浮空器升空回收的机电式绞车系统，主绞车、辅助绞车、排缆机构以及测控系统；所述主绞车包括牵引绞车和储缆绞车，其中，在本实施例中，牵引绞车采用双绞盘10双驱动的方式，绞盘是系留缆绳收放的主驱动装置，同时具有张力衰减功能，使进入到储缆绞车的缆绳张力减小到某一值，以起到对缆绳保护的作用，通过绞盘10和缆绳9的摩擦释放系留缆绳的张力，作为升空回收的主驱动装置；储缆绞车用于将回收的缆绳整齐地储放，其与绞盘10以相同线速度运行，配合以伺服电机为主的柔性排缆机构实现多层精确排缆的功能；

辅助绞车由三台电控绞车组成，三台电控绞车分别布置于系留塔、锚泊车的左右两侧的侧臂，用以牵引头锥机械索具和中部左右机械索具，负责在气球升空初期和回收后期，辅助系留气球的放飞、回收以及气球的地面系留；

排缆机构采用电控式排缆机构，且排缆机构采用独立伺服电机驱动，并通过单向丝杠螺母机构带动排缆导轮8位置移动实现排缆；

测控系统用于缆绳及系统工作状态的数据采集并对系统实现控制，控制系统用于控制绞盘和储缆绞车电机启动、停止及速度调节；采集缆绳速度、长度、张力信号；把采集到的信号传输给上位机；以及一些保护功能；同时还对车身回转电机实施启、停、正反转控制。

如图2所示，是本发明系统的主绞车结构布局图。该系统包括双折线卷筒1、支架2、储缆电机3、导向轮5、伺服电机6、单向丝杠7、排缆导轮8、缆绳9、绞盘10、绞盘电机11和过渡轮12，其中，负载出缆端4依次通过所述导向轮5和过渡轮12连接至双绞盘10，绞盘10由绞盘电机11驱动转动，所述绞盘10上的缆绳9通过排缆导轮8连接至双折线卷筒，所述双折线卷筒设置在支架2上且由支架2上的储缆电机3驱动转动，所述排缆导轮8由伺服电机6、单向丝杠7进行驱动以便实现排缆导轮的位置调节。

所述牵引绞车采用双绞盘10伺服控制，绞盘10通过绞盘电机11驱动，绞盘电机11为变频减速电机，由两个变频器驱动两个电机，通过双驱动伺服控制，且绞盘的双驱动伺服控制包括速度控制模式和力矩控制模式，速度控制模式和力矩控制模式的出力方向一致，力矩控制模式的绞盘10在缆绳9的关联下始终跟随速度控制模式的绞盘运动，使得两个绞盘10出力均匀，缆绳不打滑，在缆绳与绞盘间摩擦的作用下实现双绞盘精确同步。

绞盘10采用半圆型绳槽，其中两两相邻绳槽的摩擦系数比均为1：1.5，其中入绳槽摩擦系数最小，缆绳进出方式采用了下进下出的方案，并增加过渡轮进行导向，以便降低高度，并使双驱动电机向两端延伸，利于布局安装。

双折线卷筒1一端安装有光电复合旋转连接器，光电复合旋转连接器旋转中心与储缆筒的轴心同心，双折线卷筒1的储缆电机3采用变频调速方式，设置为直接力矩控制，且其力矩方向始终设置为收缆方向，通过直接转矩控制保持与驱动绞车收放同步，排缆装置的单向丝杠7的两端采用接近开关控制换向，并通过行程开关作超限保护，排缆导轮采用空气弹簧平衡,以便自适应排缆层数变化。

储缆绞车上装有张力测量装置，配合控制器输出电压的变化来控制电机的输出力矩，通过张力闭环控制，达到缆绳排缆的张力的保持，防止多层排缆时的塌陷错位，所述储缆筒采用双折线绳槽结构固化第一层排缆，并使以后各层具有继承性，以保证整齐排缆。

排缆装置的伺服电机6由工控机作为控制器对伺服电机发出pwm脉冲量进行位置控制，结合伺服电机6自带的编码器、储缆电机3的编码器以及单向丝杠7两端的接近开关来共同协调伺服电机的转速。

如图3所示，是本发明主绞车硬件系统构成框图。所述测控系统的电气部分采用pc104计算机控制方式，主绞车工作方式如下：当主绞车收缆时，主绞车线速度由人工设定，储缆绞车在缆绳的作用下，其线速度被主绞车所限制，且其产生的张力由储缆绞车的设定力矩及缆绳在缆筒上缠绕半径决定，最小张力需保证缆绳能够拉直；当主绞车放缆时，储缆绞车仍设定为收缆状态，但其输出力矩远小于主绞车产生的力矩，在缆绳作用下，储缆绞车被主绞车倒拖，其电机处于发电工作状态。

结合图3进行进一步详细说明数据采集通过工控机130配合模拟量输入模块120采集张力等参数110，配合数字量输入输出模块210、220采集状态量190如电控手柄290收放状态、故障状态、制动状态等。排缆机构170是通过工控机130输出pwm脉冲给伺服驱动器140，控制伺服电机150进行排缆。通过上位机与变频器的串口通信可以读取变频器300、310的运行信号有电机转速信号260、280、330，绞盘电机320、270输出频率和电流、储缆电机250力矩信号等。

数据处理包括逻辑判断和开关量输出。逻辑判断包括系统在说明条件下不能启动、在什么条件下报警保护，以及通过数字量输出模块220输出开关量200去驱动变频器的运行及指示灯、报警器等。串口通信是将以下数据传输给上位机：收放速度、缆绳张力、气球高度、张力超限报警、运动不同步报警、收、放缆指令、停车指令等。

本发明的一种用于浮空器升空回收的机电式绞车系统的工作运行步骤如下：

(1)硬件布置完成，相应接线正确；

(2)设定牵引绞车180和储缆绞车230的三台变频器的工作方式，分别为矢量控制、直接力矩控制、直接力矩控制；

(3)系统初始化完成，进行数据采集，保证自检状态正常；

(4)急停等开关松开后，对手柄进行操作，程序判断收、放缆绳；

(5)放缆时，手柄的模拟量输入设置储缆绞车的电机力矩及方向，并通过程序设计给出开关量启动储缆绞车，操作手柄的模拟量设置牵引绞车的控制速度，并驱动绞盘变频器系统开始放缆，系统可在无故障、无报警状态下运行直至手柄至中位，人工停车；

(6)收缆时，手柄的模拟量输入设置储缆绞车的电机力矩及方向，并通过程序设计给出开关量启动储缆绞车，操作手柄的模拟量设置牵引绞车的控制速度，并驱动绞盘变频器系统开始收缆；

(7)运行状态由数据采集卡和变频器与上位机rs485串口通信反馈给上位机，操作人员可以进行监控；

停车过程：在非排放缆不同步的情况下以及非报警状态下的紧急停车，人工停车是先将绞盘电机控制速度设定为0，再将储缆绞车电机的控制力矩设置为0，系统将平稳停车。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。