一种自平衡升降装置及其控制方法与流程

本发明属于升降设备技术领域，涉及自平衡升降装置，具体为一种自平衡升降装置及其控制方法。

背景技术：

在电梯、货运升降梯和直线式抽油机等升降装置中，配重用于平衡负载，进而减少电机或液压马达输出的功率。现有升降装置的配重力臂、负载力臂和配重重量往往不变，配重所能平衡的负载受限，对电机或液压马达的功率需求较高。此外，设备启动或制动时，配重和负载会发生超重或失重的现象，此时旋转轴会承受很大的启动或制动转矩作用，同时对电机或液压马达造成冲击，使得旋转轴、电机或液压马达扭矩过载，甚至引起严重的安全事故。

cn105645242a中提供了电梯智能配重块系统，其在主配重块之外增加了一套配重块，通过增加或减少钢丝绳上加载的配重块数量来平衡负载重量，但是配重块重量是固定的，且只能整块加载卸载，系统的配重精准度、灵活性受限，导致负载与加载配重块无法实现真正的力矩平衡；另外，该电梯智能配重块系统需增设一个单独的配重块升降通道，占用空间大，因此技术方案实用性、可行性较低。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种自平衡升降装置及其控制方法，配重力臂和负载力臂可变，减少对电机和液压马达的功率需求，配重与负载对旋转轴的力矩始终保持动态平衡，降低了启动、制动时电机或者液压马达的负荷，进而降低了旋转轴或者电机、液压马达扭矩过载造成重大事故的风险；另外，该自平衡升降装置占用空间小，因此技术方案实用性、可行性高。

为了解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：

一种自平衡升降装置，包括配重块、负载箱体、和两者之间的旋转牵引机构，所述的旋转牵引机构包括旋转轴及沿其转动的牵引机构，关键是，所述的牵引机构包括旋转盘、伸缩装置及其外侧的牵引绳；所述的旋转盘与旋转轴固定连接，所述的伸缩装置圆周向分布在旋转盘上，所述的牵引绳两端分别与配重块和负载箱体连接；所述的伸缩装置顶端设置卡槽，所述的牵引绳穿过卡槽；

所述的旋转轴与电机或液压马达连接，所述的牵引绳与配重块和负载箱体连接处设有重力传感器，所述的重力传感器信号输出端与控制器连接，所述的控制器控制伸缩装置的伸缩长度。

所述的卡槽为v型槽。

所述的伸缩装置为液压缸或气缸。

所述的牵引绳为钢丝绳。

所述的配重块和负载箱体分别设有导向机构。

如上所述的一种自平衡升降装置的控制方法，关键点是，所述的控制方法包括如下步骤：

步骤a，所述重力传感器采集配重块重力g1的数值、负载箱体重力g2的数值，通过伸缩装置采集水平方向上配重块作用于旋转轴上的力臂l1的长度数值，以及负载箱体作用于旋转轴上的力臂l2的长度数值；

步骤b，基于步骤a采集的g1、g2，控制器重设一组满足力矩平衡关系式g1*l1＝g2*l2的l1、l2，取l1、l2对应伸缩装置的顶端作为端点，构建经过这两个端点的平滑曲线；

步骤c，通过控制器驱动各个伸缩装置，使得各个伸缩装置的顶端位于步骤b中所述的平滑曲线上。

所述的一种自平衡升降装置的控制方法，具体是，建立坐标系，以旋转轴的圆心为原点o，竖直方向为y轴，水平方向为x轴，负载箱体侧为x轴正方向；

当g1＝g2时，由平衡关系式g1*l1＝g2*l2可知l1＝l2，构建的曲线方程为所有伸缩装置的顶端轨迹为以原点为圆心、l1(或l2)为半径的圆，所有伸缩装置的伸出长度相同；

当g1＞g2时，由平衡关系式g1*l1＝g2*l2可知l1＜l2，构建的平滑曲线方程如下：

a.配重块侧

构建的平滑曲线的方程为配重块侧伸缩装置的顶端轨迹为以原点为圆心、l1为半径的圆，配重块侧伸缩装置的伸出长度相同且均为0mm；

b.负载箱体侧

构建的平滑曲线的方程为负载箱体侧伸缩装置的顶端轨迹为以l2为长轴、l1为短轴的椭圆，椭圆上任意一点到原点o的距离为则伸缩装置的伸出长度为：设伸缩装置的轴线与x轴的夹角为θ，则伸缩装置顶端端点的坐标满足y＝tanθx(-90°＜θ＜90°)，根据平衡关系可知l2＝l1*g1/g2，则伸缩装置的伸出长度与其轴线和x轴夹角θ有关的表达式为：

当g1＜g2时，由平衡关系式g1*l1＝g2*l2可知l1＞l2，构建的平滑曲线方程如下：

a.负载箱体侧

构建的平滑曲线的方程为负载箱体侧伸缩装置的顶端轨迹为以原点为圆心、l2为半径的圆，负载箱体侧伸缩装置的伸出长度相同且均为0mm；

b.配重块侧

构建的平滑曲线的方程为配重块侧伸缩装置的顶端轨迹为以l1为长轴、l2为短轴的椭圆，椭圆上任意一点到原点o的距离为则伸缩装置的伸出长度为：设伸缩装置的轴线与x轴的夹角为θ，则伸缩装置顶端端点的坐标满足y＝tanθx(90°＜θ＜270°)，根据平衡关系可知l1＝l2*g2/g1，则伸缩装置的伸出长度与其轴线和x轴夹角θ有关的表达式为：

所述的力臂l1、l2满足420mm≤l1≤720mm，420mm≤l2≤720mm。

本发明的有益效果是：控制器控制每个伸缩装置的伸出长度，伸缩装置顶端卡槽形成一个近似平滑曲线的轨迹，牵引绳设置在滑道里，重力传感器测得牵引绳与负载箱体和配重体连接处的重力，将测到的重力数据发送给控制器，控制器即时计算通过控制伸缩装置伸出的长度，实现配重块和负载箱体对旋转轴力矩的动态平衡，对电机或液压马达的功率需求低，可采用规格更小的的电机或液压马达驱动设备运转；还能够降低启动、制动时电机或液压马达的负荷，进而降低了旋转轴或者电机、液压马达扭矩过载造成重大事故的风险；另外，该自平衡升降装置占用空间小，实用性、可行性高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明a部分的局部放大图；

图3为本发明卡槽的结构示意图；

图4为本实施例中g1＝g2时力臂的示意图；

图5为本实施例中g1＞g2时力臂的示意图；

图6为本实施例中g1＜g2时力臂的示意图；

附图中，1、配重块，2、负载箱体，3、旋转轴，4、旋转盘，5、伸缩装置，6、牵引绳，7、卡槽，8、重力传感器。

具体实施方式

本发明为一种自平衡升降装置及其控制方法，包括配重块1、负载箱体2、和两者之间的旋转牵引机构，所述的旋转牵引机构包括旋转轴3及沿其转动的牵引机构，所述的牵引机构包括旋转盘4、伸缩装置5及其外侧的牵引绳6；所述的旋转盘4与旋转轴4固定连接，所述的伸缩装置5圆周向分布在旋转盘4上，所述的牵引绳6两端分别与配重块1和负载箱体2连接；所述的伸缩装置顶端设置卡槽7，所述的牵引绳4穿过卡槽7；所述的旋转轴3与电机或液压马达连接，所述的牵引绳6与配重块1和负载箱体2连接处设有重力传感器8，所述的重力传感器8信号输出端与控制器连接，所述的控制器控制伸缩装置5的伸缩长度；基于上述结构的自平衡升降装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤a，所述重力传感器8采集配重块1重力g1的数值、负载箱体2重力g2的数值，通过伸缩装置5采集水平方向上配重块1作用于旋转轴3上的力臂l1的长度数值，以及负载箱体2作用于旋转轴3上的力臂l2的长度数值；

步骤b，基于步骤a采集的g1、g2，控制器重设一组满足力矩平衡关系式g1*l1＝g2*l2的l1、l2，取l1、l2对应伸缩装置5的顶端作为端点，构建经过这两个端点的平滑曲线；

步骤c，通过控制器驱动各个伸缩装置5，使得各个伸缩装置5的顶端位于步骤b中所述的平滑曲线上。

具体实施例如图1-图4所示，采用旋转轴3上固定旋转盘4，在旋转盘4上固定连接伸缩装置5，一是旋转轴3上的安装空间小，旋转盘4能够给伸缩装置5提供足够的安装空间；二是旋转盘4能够保护伸缩装置5，旋转盘4的直径大于伸缩装置5完全伸出后的长度，避免伸缩装置5伸出后受到撞击导致损坏；

控制器分别独立、实时控制每个伸缩装置5的伸出长度，使得一组伸缩装置5的顶端轨迹近似为圆滑过渡的闭合曲线，减少牵引绳6受到的磨损。

如图2所示，所述的卡槽7为v型槽，v型的卡槽7能够防止牵引绳6打滑，避免因打滑导致的事故。

如图1所示，所述的伸缩装置5为液压缸或气缸，液压缸优点是控制精准、寿命长，气缸则是启动快、易于控制。

如图1所示，所述的牵引绳4为钢丝绳，钢丝绳或者钢索可承受拉力大，变形量小，不容易磨损、断裂。

所述的配重块1和负载箱体2分别设有导向机构，导向机构为固定在墙体上竖直方向的导轨，配重块1上设有与导轨配合的导槽，配重块1借助导槽与导轨配合，能够使配重块1沿竖直方向直线上升或下降，避免配重块1发生晃动现象，进而避免发生牵引绳4受力过大导致断裂、影响其重力传感器8反馈真实参数等现象；负载箱体2的导向机构与配重块1的导向机构工作原理相同。

如图4-6所示，建立坐标系，以旋转轴3的圆心为原点o，竖直方向为y轴，水平方向为x轴，负载箱体侧为x轴正方向；所述的配重块1重力为g1，其作用于旋转轴3的力臂为l1，优选420mm≤l1≤720mm，伸缩装置5不伸出时的最小长度为420mm；所述的负载箱体2重力为g2，其作用于旋转轴的力臂为l2，优选420mm≤l2≤720mm；

当g1＝g2时，由平衡关系式g1*l1＝g2*l2可知l1＝l2，构建的曲线方程为所有伸缩装置的顶端轨迹为以原点为圆心、l1(或l2)为半径的圆，所有伸缩装置的伸出长度相同且均为0mm，l1＝l2＝420mm；

当g1＞g2时，由平衡关系式g1*l1＝g2*l2可知l1＜l2，构建的平滑曲线方程如下：

a.配重块1侧

构建的平滑曲线的方程为配重块1侧伸缩装置5的顶端轨迹为以原点为圆心、l1为半径的圆，配重块1侧伸缩装置5的伸出长度相同且均为0mm，l1＝420mm；

b.负载箱体2侧

构建的平滑曲线的方程为负载箱体2侧伸缩装置5的顶端轨迹为以l2为长轴、l1为短轴的椭圆，椭圆上任意一点到原点o的距离为则伸缩装置5的伸出长度为：即设伸缩装置5的轴线与x轴的夹角为θ，则伸缩装置5顶端端点的坐标满足y＝tanθx(-90°＜θ＜90°)，根据平衡关系可知l2＝l1*g1/g2，则伸缩装置5的伸出长度与其轴线和x轴夹角θ有关的表达式为：

即为：

当g1＜g2时，由平衡关系式g1*l1＝g2*l2可知l1＞l2，构建的平滑曲线方程如下：

a.负载箱体2侧

构建的平滑曲线的方程为负载箱体2侧伸缩装置5的顶端轨迹为以原点为圆心、l2为半径的圆，负载箱体2侧伸缩装置5的伸出长度相同且均为0mm，l2＝420mm；

b.配重块1侧

构建的平滑曲线的方程为配重块1侧伸缩装置5的顶端轨迹为以l1为长轴、l2为短轴的椭圆，椭圆上任意一点到原点o的距离为则伸缩装置5的伸出长度为：即设伸缩装置5的轴线与x轴的夹角为θ，则伸缩装置5顶端端点的坐标满足y＝tanθx(90°＜θ＜270°)，根据平衡关系可知l1＝l2*g2/g1，则伸缩装置5的伸出长度与其轴线和x轴夹角θ有关的表达式为：

即为：

采用旋转液压马达作为动力机构，液压马达的旋转轴3与直径为1.5m的旋转盘4连接，旋转盘4上均匀固定16个液压缸，液压缸为伺服油缸，可以任意控制伸缩杆的伸出长度，有效行程为300mm，工作压力12mpa，最大顶推力3390kg；伸缩杆完全缩回时，钢索对旋转轴3的力臂长度为420mm，伸缩杆完全伸出时，钢索对旋转轴3的力臂长度为720mm；重力传感器8可以实时检测配重块1与负载箱体2的重力，并将其数据发送给控制器。

通过伸缩装置5采集水平方向上配重块1作用于旋转轴3上的力臂l1的长度数值，以及负载箱体2作用于旋转轴3上的力臂l2的长度数值；工作过程中，设定的配重块1的重量800kg，负载箱体2的重量为500kg，建立坐标系以旋转轴3的圆心为原点o，竖直方向为y轴，水平方向为x轴，负载箱体侧为x轴正方向，本实施例的动态工作过程如下：

当负载箱体2中无负载时，控制器读取配重块1和负载箱体2中的重力数据g1＝800*9.8＝7840n、g2＝500*9.8＝4900n，此时g1＞g2，控制器控制配重块1一侧的液压缸伸缩杆的伸出长度为0mm，则l1＝420mm；由平衡关系式g1*l1＝g2*l2求得l2＝l1*g1/g2＝420*7840/4900＝672mm，控制器按此控制负载箱体2一侧的水平方向的液压缸伸缩杆伸出长度为672-420＝252mm，其余的液压缸伸缩杆伸出长度为：此时，配重块1和负载箱体2对旋转轴3力矩实现平衡。

当负载箱体2中增加负载300kg时，控制器读取配重块1和负载箱体2中的重力数据g1＝800*9.8＝7840n、g2＝(500+300)*9.8＝7840n，此时g1＝g2，控制器控制所有的液压缸伸缩杆伸出长度为0mm，使l1＝l2＝420mm，g1*l1＝800*9.8*0.42＝3292.8n·m，g2*l2＝(500+300)*9.8*0.42＝3292.8n·m，满足平衡关系式g1*l1＝g2*l2，配重块1和负载箱体2对旋转轴3力矩实现平衡，选择l1和l2均为最短长度420mm，能够有效降低液压缸单元的负荷。

当负载箱体2中增加负载700kg时，控制器读取配重块1和负载箱体2中的重力数据g1＝800*9.8＝7840n、g2＝(500+700)*9.8＝11760n，此时g1＜g2，控制器按此控制负载箱体2一侧的液压缸伸缩杆伸出长度为0mm，则l2＝420mm；由平衡关系式g1*l1＝g2*l2求得l1＝l2*g2/g1＝420*11760/7840＝630mm，控制器按此控制配重块1一侧的水平方向的液压缸伸缩杆伸出长度为630-420＝210mm，其余的液压缸伸缩杆伸出长度为：此时，配重块1和负载箱体2对旋转轴3力矩实现平衡。

利用控制器即时计算，通过控制伸缩装置伸出的长度，实现配重块和负载箱体对旋转轴力矩的动态平衡，大大减少对电机或液压马达的功率需求，降低过载引起重大事故的风险。

以上所述的仅是本发明的较佳实施例，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。