专利名称：履带起重机力矩限制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种力矩限制系统，具体的说是涉及一种适用于履带起重机的力 矩限制系统。
背景技术：
履带起重机上的力矩限制系统能够有效地防止起重机由于超载而造成的倾翻以 及提高起重机作业的安全度，是履带起重机必备的安全控制装置。随着大吨位履带起重 机的发展，履带起重机的数学模型、工况、控制算法变得复杂，因此，对力矩限制器的运算能 力、通信能力也要求越来越高。传统的履带起重机力矩限制系统，例如中国专利CN95200573 提供的一种起重机用智能液晶力矩限制器；中国专利CN94237251提供的一种微机全屏幕 力矩限制器以及中国专利CN200820205769提供的一种起重机械用的重量限制器，均是采 用单片机为核心控制器，运算能力较低，可扩展性较差，维护不方便，及其人机界面不友好 等，这些固有的缺陷限制了力矩限制器的使用范围，不能满足履带起重机日益发展的需求。
发明内容本实用新型的目的是提供一种履带起重机力矩限制系统，通过一主控制箱，达到 扩展性强，维护方便，通用性好以及控制更精确和安全。本实用新型为了达到上述的目的，所采取的技术方案是提供一种履带起重机力 矩限制系统，它包括传感器部分，显示部分以及连接于传感器部分和显示部分之间的主控 制箱。所述主控制箱是模块化独立板卡结构，主控制箱内包括内部置有起重机力矩处理系 统的主控制器。本实用新型的履带起重机力矩限制系统的效益显著。 如上述本实用新型履带起重机力矩限制系统的结构，因为主控制箱是模块化独 立板卡结构。其主控制器和与其所连接的模块均分别构成一独立板卡置于(或插入)主控 制箱内，主控制箱就相当于一嵌入式工控机平台，所以它以主控制器为核心可以随意扩展 外围的模块，达到扩展性强，使用灵活，安装和维护方便，通用性好的目的。 如上述的结构，本实用新型因为包括置于主控制箱内的主控制器内置有起重机 力矩处理系统。由起重机力矩处理系统根据起重机的数学模型和载荷曲线获得精确的起重 机的限制力矩和保护信号。因此，本实用新型的力矩限制系统可靠性高，运算能力强，能满 足恶劣的工作环境和复杂的计算需求。达到了控制更精确、更安全的目的。 如上述的结构，在显示部分中，可用人机界面实时显示力矩百分比(实际载荷 与额定载荷的百分比值)，并可在人机界面上用绿、黄、红等颜色显示不同的危险等级，简 明直观；还能够通过人机界面集中显示履带起重机的各种工况参数，例如吊臂长度、吊臂 角度、最大起升高度、起重机工作幅度、额定起重量及实际起重量、实测力矩等信息，便于查 阅。 如上述本实用新型履带起重机力矩限制系统的结构，主控制箱中可以扩展CAN总线通讯模块，通过履带起重机上的CAN总线可以方便快捷的调用起重机上其它控制器的 控制参数，起重机上其它控制器也可以调用本实用新型传感器部分(如臂架角度传感器和 变幅滑轮拉力传感器)所测得的数据。 如上述本实用新型履带起重机力矩限制系统的结构，在起重机上安装的传感器 部分，例如臂架角度传感器和变幅滑轮拉力传感器测量臂架仰角和吊重的拉力，主控制器 内的起重机力矩处理系统通过预先设置的履带起重机数学模型计算出履带起重机的实际 载荷，并将计算出的实际载荷与预先设置的额定载荷进行对比，当实际载荷超过额定载荷 时，主控制器输出超载保护信号，并限制履带起重机的力矩。做到了实时快速，控制精确，便 于调试的要求。
图1是本实用新型履带起重机力矩限制系统的结构示意图；图2是本实用新型履带起重机力矩限制系统一实施例的结构示意图；图3是本实用新型履带起重机力矩限制系统中主控制箱内主控制器里的起重机 力矩处理系统一实施例的结构示意图；图4是本实用新型履带起重机力矩限制系统用于起重机上的一实施例结构示意 图；图5是所述主控制箱内主控制器里的起重机力矩处理系统一实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步说明本实用新型履带起重机力矩限制系统的结构 特征。图1、图2是本实用新型履带起重机力矩限制系统一实施例的结构示意图。如图 1所示，本实用新型的履带起重机力矩限制系统它包括三大部分传感器部分1、显示部分3 以及连接于传感器部分1和显示部分3之间的主控制箱3。所述主控制箱3是模块化独立 板卡结构，主控制箱3内包括内部置有起重机力矩处理系统211的主控制器21。如图2所示，在本实施例中，所述主控制箱2内还包括与主控制器21相连接的模 数转换(A/D)模块23、记录存储模块28、CAN总线通讯模块27、输出模块(I/O) 24、视频信 号转换模块25、键盘信号转换模块26以及与模数转换(A/D)模块23输入端相连接的信号 调理放大模块22。所述主控制器21以及与主控制器21相连接的各个模块均分别构成一独 立的板卡置于(或插于)主控制箱2内。所述记录存储模块28能够自动存储力矩限制系统工作时所测得的工作参数、系 统的工作状况、历史记录等信息，便于操作者随时查看，当发生事故时，也能够根据记录存 储模块28中记录的历史运行信息分析事故原因。如图2所示，在本实施例中，所述传感器部分1包括臂架角度传感器11和变幅滑 轮拉力传感器12。在本实施例中，臂架角度传感器11和变幅滑轮拉力传感器12分别通过 屏蔽电缆与主控制器21相连接。如图2的结构，当本实用新型履带起重机力矩限制系统工 作时，臂架角度传感器11、变幅滑轮拉力传感器12分别测得履带起重机上的臂架仰角和变 幅滑轮拉力，两传感器测得的所述模拟信号经过信号调理放大模块22将信号放大处理后由模数转换模块23将模拟信号转换成数字信号，传送给主控制器21 ；主控制器21中的起 重机力矩处理系统211根据预先设置的履带起重机的数学模型和对应履带起重机不同工 况的额定载荷曲线进行运算处理，当实际载荷超出履带起重机臂架的额定载荷时，输出超 载保护信号通过输出模块24至报警器进行声光报警，并控制起重机上相应的力矩限制机 构，控制臂架力矩。如图2所示，在本实施例中，所述显示部分包括人机界面32，显示屏31和按键33。 在本实施例中，所述人机界面32通过LVDS/SKB信号线与主控制器21相连接，LVDS/SKB信 号线可应用与长距离信号传输，以满足起重机装配要求。在本实施例中，人机界面32显示 面板采用单幅画面集中监测当前作业状态、工况参数及报警信息，避免过多画面切换，针对 不同工况显示不同的起重机示意图，采用红、黄、绿彩色条码显示实际力矩与额定力矩百分 比。通过点击人机界面32上的控制按键可以进入工况设置、调试、故障诊断等功能界面进 行相应的功能操作。如图2所示，在本实施例中，所述主控制箱2内的主控制器21通过CAN总线通讯 模块27与起重机上的上位机6进行通信。主控制器21通过CAN总线通讯模块27与履带 起重机CAN总线上的其它控制器进行数据通讯，方便快捷的调用起重机上其它控制器内的 控制参数，或将本系统测得的参数(角度、拉力等)通过CAN总线通讯模块27共享给其它 控制器调用。在本实施例中，所述与主控制器21连接的输出模块24为继电器(或继电器组)。 如图2所示，输出模块24与起重机的动作开关5和报警器4相连接。当主控制器21有控 制信号输出到输出模块24上，使继电器与起重机上的动作开关相连接的触点闭合时，促使 起重机上的动作开关打开，起重机开始动作；当有报警信号时，通过输出模块24上的继电 器与报警器连接的触点闭合，报警器发出报警信号。在本实施例中，所述主控制器21采用由上海盛博科技有限公司提供的PC/104嵌 入式工控机SCM-7020。它是一种可扩展外围模块的控制器。如图1所示，在它的外围连接 着模数转换(A/D)模块23、记录存储模块28、CAN总线通讯模块27、输出模块24、视频信号 转换模块25、键盘信号转换模块26以及与模数转换模块23输入端相连接的信号调理放大 单元模块22。图3是置于主控制器21内的起重机力矩处理系统211 —实施例的结构示意图。 如图3所示，所述置于主控制器21内的起重机力矩处理系统211包括数据采集检测子模块 2111，与数据采集检测子模块2111相连接的数据处理子模块2112和内部存储有起重机的 数学模型和载荷曲线的存储管理子模块2113，与数据处理子模块2112和存储管理子模块 2113相连接的通信系统子模块2114。所述起重机力矩处理系统211的工作流程如图5所
7J\ o图4是本实用新型履带起重机力矩限制系统用于起重机上的一实施例示意图。如 图4所示，将臂架角度传感器11安装在起重机的臂架7上，测量臂架的仰角；将变幅滑轮拉 力传感器12安装在起重机的变幅传动中的中间滑轮座8上间接测量吊重的拉力；将主控制 箱2置于起重机车厢9内，显示部分3内的人机界面33通过LVDS/SKB信号线与主控制箱 2内的主控制器21相连接。如图3所示，对於起重机的主臂工况来说，在主控制器21内的起重机力矩处理系统211的存储管理子模块2113内置有数学模型为
........................................ (1)上述(1)式中，G为主臂重量，Q为计算载荷，ni为吊钩滑轮组倍率，n2为变幅滑轮 组倍率，f为拉力传感器所测数据(拉力)，L为主臂重心线到铰点的距离，L2为工作半径， 氏为变幅拉绳到铰点距离，H2为卷扬钢丝绳到铰点距离。在主臂工况下如图3所示，数据采集检测子模块2111从变幅滑轮拉力传感器12采集数据f (拉 力)后，输送给数据处理子模块2112，数据处理子模块2112从存储管理子模块2113内读取 主臂工况的参数并调取上述数学模型公式(1)得出计算载荷Q。由于公式(1)的履带起重机数学模型仅考虑在理想状态下的臂架仰角、吊重拉 力与实际载荷的对应关系，对于上述的履带起重机数学模型作了很多假设，例如忽略了起 升绳及变幅绳导向滑轮直径的影响，将臂架假设为刚体，并忽略了铰点的摩擦力的影响，因 此，为了使计算出的实际载荷更加准确，还需在设置履带起重机数学模型的实际载荷修正 函数。所述实际载荷修正函数的形式为= f (a) A Q............(2)上述(2)式中，(^为修正后的实际载荷，f (a)为臂架仰角的修正函数，Q为修正前 的实际载荷，A Q为起重机钓钩和臂架对实际载荷的影响值。通过修正函数仏=f (a) *Q+A Q对计算载荷修正，可得实际载荷。(Qi为实际载荷，f(a)为臂架仰角的修正函数，Q为计算载荷，A Q为钓钩和臂架对 实际载荷的影响值)例如对于主臂工况，29米主臂，主钩作业，测试情况如表1所示表 1 表1是主控制器内起重机力矩处理系统根据履带起重机的主臂当前所处的工况 在设置的额定载荷曲线上读取当前工况下的额定载荷，并计算出实际载荷与额定载荷的比 值，若实际载荷与额定载荷的比值超过预先设定的安全值，则输出保护信号，限制履带起重 机的力矩。表1中，测试砝码(t)是测试本实用新型履带起重机力矩限制系统时，起重机主臂 上吊起的重量即为测试时的实际载荷；修正前计算载荷Q为用上述公式(1)计算的结果； 修正后实际载荷Q1为用上述的修正函数公式(2)所得的结果；额定载荷(t)为存储在存储 管理子模块2113内额定载荷曲线上读取的数值；显示角度(度)为在人机界面上显示的当 前主臂所处的仰角；实际幅度(m)为当前起重机主臂实际的幅度；显示幅度(m)为人机界 面上显示的幅度；综合精度(％ )为实际载荷Q1与实际载荷一测试砝码(t)之间差额的百 分比。从上述的表1中综合精度(％ )上可知本实用新型的履带起重机力矩限制系统测 量精度比较高，通常的情况下，精度达到5%就合乎要求，表1的精度均小于2%。从表1中说明，上述加入修正函数公式(2)是很正确的。如上述，由于履带起重机 的数学模型公式(1)仅考虑在理想状态下的臂架仰角、吊重拉力与实际载荷的对应关系， 因此在履带起重机数学模型上作了很多假设，例如忽略了起升绳及变幅绳导向滑轮直径的 影响，将臂架假设为刚体，并忽略了铰点的摩擦力的影响等。因此，为了使计算出的实际载 荷更加准确，所以，上述还在主控制器中设置履带起重机数学模型的实际载荷修正函数是 非常必要的。相应的，起重机力矩处理系统还根据实际载荷修正函数对履带起重机数学模型计 算出的履带起重机实际载荷进行数值修正。如表1所示，在本实施例中，测量吊重拉力的方式是通过变幅滑轮拉力传感器间 接测量起重机变副滑轮组的拉力，再由主控制器的起重机力矩处理系统转换成吊重拉力， 结合间接测得的吊重拉力和臂架仰角数据，起重机力矩处理系统根据履带起重机数学模 型，实时计算出起重机的实际载荷，并根据实际载荷修正函数对计算出的实际载荷进行修 正，如上述，所述实际载荷修正函数的形式为Q1 = f (a)*Q+AQ，其中，Q1为修正后的实际载 荷，f(a)为臂架仰角的修正函数，Q为修正前的实际载荷，Δ Q为起重机钓钩和臂架对实际 载荷的影响值。为了获得较为精确的Δ Q，在系统调试时，在履带起重机空钩状态下进行变 副采样，得到标准数据样点，生成一个空钩重量的插值表。插值表的数据格式按工况、角度、 实际重量、修正系数的格式存储在存储管理子模块内。履带起重机吊重时，主控制器的起 重机力矩处理系统通过搜索臂架对应幅度的插值实时修正，从而计算出精确的△ Q，使修正 后的实际载荷Q1也更加精确。通过上述的修正，主控制器内起重机力矩处理系统的计算经 过修正后的实际载荷与当前工况所对应的额定载荷的比值，并与预先设置的安全值进行对比，若该比值超过安全值，则出超载保护信号，进行报警并控制起重机上的执行机构限制力矩。主控制器上电后，起重机力矩处理系统首先进行硬件的诊断和自检，完成对输出 控制模块，记录存储模块及其它模块接口电路的检测。在硬件出现故障时，输出报警信息。 参数初始化部分完成通讯参数、输入输出信号、工作状态信息等的初始化工作。起重机力矩 处理系统的数据采集检测子模块完成对臂架角度传感器和变幅滑轮拉力传感器的读取，输 入到数据处理子模块内并输入存储管理子模块内存储，数据处理子模块对输入信息的滤波 及均值处理，建立采样值与测量值之间的对应关系，并通过采集到的臂架仰角和拉绳拉力 的数值，起重机的数学模型和修正公式计算实际载荷。图5是所述主控制箱内主控制器里的起重机力矩处理系统一实施例的流程图。如图5所示，主控制器内起重机力矩处理系统的工作流程是第1步，上电开机后，首先，起重机力矩处理系统完成硬件的诊断和自检，初始化 硬件端口，分配系统内存； 第2步，数据采集检测子模块读取存储在记录存储模块28内的履带起重机的性能 结构参数(如当前工况配置下起重机的臂长、吊钩倍率、重心、副臂夹角等几何结构参数 等)；读取安全限位参数，如实际载荷与额定载荷的安全比值，臂架安全限位角度等；读取 臂架角度传感器11和变幅滑轮拉力传感器12的数据，并进行数据预处理(如滤波及均值 处理)后输入到数据处理子模块2112和存储管理子模块2113内；第3步，进行故障、限位检查，检查安全限位、传感器好坏和其它人为操作错误等， 如发现异常情况则输出报警；第4步，求出额定载荷，数据处理子模块2112依据上述的数据，臂架角度传感器的 读数、性能结构参数、载荷曲线的读数，从存储管理子模块2113中调用数学模型和修正函 数，计算出额定载荷；第5步，实际载荷计算，根据臂架角度传感器、变幅滑轮拉力传感器的读数、性能 结构参数和履带起重机数学模型计算出实际载荷，并根据实际载荷修正函数对计算出的实 际载荷进行修正；第6步，求得修正后的实际载荷与额定载荷的比值；第7步，超载判断，将上述计算出的比值与安全值相比较，若出现超载，则通过通 信系统子模块输出报警信号。
权利要求履带起重机力矩限制系统，包括传感器部分和显示部分，其特征在于包括连接于传感器部分和显示部分之间的主控制箱，所述主控制箱是模块化独立板卡结构，主控制箱内包括内部置有起重机力矩处理系统的主控制器。
2.如权利要求1所述的履带起重机力矩限制系统，其特征在于所述主控制箱内还包括 与主控制器相连接的模数转换模块、记录存储模块、CAN总线通讯模块、输出模块、视频信号 转换模块、键盘信号转换模块以及与模数转换模块输入端相连接的信号调理放大模块。
3.如权利要求1或2所述的履带起重机力矩限制系统，其特征在于所述主控制器以及 与主控制器相连接的各个模块均分别构成一独立的板卡置于主控制箱内。
4.如权利要求1所述的履带起重机力矩限制系统，其特征在于所述置于主控制器内的 起重机力矩处理系统包括数据采集检测子模块，与数据采集检测子模块相连接的数据处理 模块以及内部置有起重机的数学模型和载荷曲线的存储管理子模块，与数据处理模块和存 储管理子模块相连接的通信系统子模块。
5.如权利要求1所述的履带起重机力矩限制系统，其特征在于所述传感器部分包括臂 架角度传感器和变幅滑轮拉力传感器。
6.如权利要求1所述的履带起重机力矩限制系统，其特征在于所述显示部分包括人机 界面、按键和显示屏。
专利摘要履带起重机力矩限制系统，包括传感器部分，显示部分以及连接于传感器部分和显示部分之间的主控制箱。所述主控制箱是模块化独立板卡结构，主控制箱内包括内部置有起重机力矩处理系统的主控制器。所述起重机力矩处理系统可以根据起重机的数学模型和载荷曲线获得精确的起重机的限制力矩和保护信号。它以主控制器为核心可以随意扩展外围的模块，达到扩展性强，使用灵活，安装和维护方便，通用性好，可靠性高以及控制更精确、更安全的目的。
文档编号B66C13/18GK201614243SQ20102000412
公开日2010年10月27日 申请日期2010年1月7日 优先权日2010年1月7日
发明者尹盼, 章云徽 申请人:上海三一科技有限公司