专利名称：集装箱正面吊运机及其吊具定位控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及工程机械技术领域，具体涉及一种集装箱正面吊运机及其吊具定位控制系统。
背景技术：
随着经济建设的迅速发展，机场、港口等吊运规模也越来越大，对于吊运设置的需求逐渐呈专业化的趋势变化。特别是，国际标准集装箱的广泛应用，对于中小港口，铁路中专站和公路中专站的集装箱装卸及堆垛操作提出了更高的要求。针对国际标准集装箱专门设计的集装箱正面吊运机的专业性能可有效适应集装箱的运输要求。与叉车相比，它具有机动灵活，操作方便，稳定性好，轮压较底，堆码层数高，堆厂利用率高等优点。现有的集装箱正面吊运机主要由工程机械底盘，伸缩臂架，集装箱吊具等三部分组成，其中，伸缩臂架通过伸缩油缸调节臂架长度，通过变幅油缸调节工作幅度，其集装箱吊具有旋转机构，以根据实际需要调整集装箱的姿态。实际作业中，需要驾驶员同时协调臂架的变幅与伸缩动作，使吊具在变幅油缸和伸缩油缸的轴线所确定的平面内做垂直方向和水平方向的运动，以便将集装箱垂直升降和水平移动到预定位置。然而，由于正面吊变幅和伸缩两个油缸共用一个主油路，在相同的控制电流控制相同的比例阀开度下，因负载存在显著的差异导致进入油缸的流量差别较大，人工协调变幅和伸缩动作难以实现精确的垂直升降和水平移动动作，由此需要人工间断地完成垂直起升，需多次操作。显然，这种操作可靠性、准确性较低的方式直接影响作业效率，同时使得操作者的工作强度较大。有鉴于此，亟待另辟蹊径针对集装箱正面吊运机的操作控制进行优化设计，在确保操作可靠性和准确性的基础上，有效提高作业效率，降低操作者工作强度。
实用新型内容针对上述缺陷，本实用新型解决的技术问题在于，提供一种集装箱正面吊运机的吊具定位控制系统，以自动实现吊具定位控制，可有效提高操作可靠性、准确性及作业效率，并大大降低操作强度。在此基础上，本实用新型还提供一种应用该系统的集装箱正面吊运机。本实用新型提供的集装箱正面吊运机的吊具定位控制系统，包括信号采集装置、控制器和自动定位模式开关；其中，所述信号采集装置用于获取当前臂架长度、角度及目标位置；所述控制器用于接收当前臂架长度、角度及目标位置信号，并根据所述长度、角度及目标位置输出调节臂架变幅油缸和伸缩油缸工作状态的控制信号，以控制设置于臂架端部的所述吊具位移定位于所述目标位置；所述自动定位模式开关与所述控制器的使能接口连接。优选地，所述变幅油缸和伸缩油缸的进液量分别由第一电磁比例阀和第二电磁比例阀控制，所述控制信号分别输出至所述第一电磁比例阀和第二电磁比例阀。[0009]优选地，所述第一电磁比例阀和所述第二电磁比例阀均为双向控制阀，相应的所述控制信号输出至双向控制阀的一个控制端。优选地，所述信号采集装置具体为:获取当前臂架长度的臂架长度传感器、获取当前臂架角度的臂架角度传感器和获取目标位置的显示器自带的模拟量型旋钮。优选地，还包括获取所述变幅油缸的两腔压力的压力传感器，所述控制器还根据所述变幅油缸的两腔压力输出报警信号至显示器、蜂鸣器或报警灯。优选地，所述臂架长度传感器和臂架角度传感器的信号输出端还分别接连拉所述显示器的信号接收端。本实用新型提供的集装箱正面吊运机，包括行走底盘、设置在所述行走底盘上的臂架、设置在所述臂架端部的吊具，所述臂架分别通过伸缩油缸和变幅油缸改变臂架长度和角度；还包括如前所述的吊具定位控制系统。基于现有集装箱正面吊运机，在手动操纵吊具定位的基础上，本实用新型提供一种可根据输入目标位置自动实现吊具定位的控制系统。具体来说，根据当前臂架的长度、角度及目标位置输出调节臂架变幅油缸和伸缩油缸工作状态的控制信号，以控制设置于臂架端部的吊具位移定位于所述目标位置。与现有手动控制技术相比，本实用新型可实现吊具的自动定位模式，如此设置，一方面根据当前位置及目标位置进行吊具定位控制，能够有效提高操作可靠性、准确性，完全规避手动操作过程负载影响定位精度的问题；同时，自动定位控制过程中不需要人工观察，多次反复操作，吊具能够直接快速的准确定位，并可有效降低操作强度。在本实用新型的优选方案中增设有过载保护功能，通过获取变幅油缸的两腔压力，并根据预设的变幅油缸的两腔压力输出报警信号。以便在垂直升降和水平移动时，自动根据吊重情况，限制危险动作的执行，进而大大提高整机的工作稳定性。
图1是具体实施方式
所述集装箱正面吊运机的整体结构示意图；图2为具体实施方式
所述吊具定位控制方法的流程图；图3为具体实施方式
中所述吊具定位控制系统的方框图；图4为具体实施方式
中所述吊具定位控制系统的电路原理图；图5为具体实施方式
中所述自带模拟量型旋钮的显示器主视外观图。图中:臂架10、行走底盘20、变幅油缸30、吊具40 ;采集装置1、臂架长度传感器11、臂架角度传感器12、目标位置输入元件13、控制器2、存储单元21、比较判断单元22、输出单元23、第一电磁比例阀31、第二电磁比例阀32。
具体实施方式
本实用新型的核心是提供一种集装箱正面吊运机的吊具定位控制系统，以有效提高操作可靠性、准确性，降低操作强度。下面结合说明书附图进行详细说明。请参见图1，该图为本实施方式所述集装箱正面吊运机的整体结构示意图。该集装箱正面吊运机的主体构成与现有技术相同，其臂架10设置在行走底盘20上，通过设置于臂架10与行走底盘20之间的变幅油缸30可进行臂架工作角度α的调节，同时通过设置臂架10上的伸缩油缸(图中未示出)可进行臂架工作长度L的调节，进而改变设置在臂架端部的吊具40工作位置。需要说明的是，该集装箱正面吊运机的功能部件均可以采用现有技术实现，故本文不再赘述。实际操作时，根据需要控制变幅油缸和伸缩油缸的伸出长度，调整吊具位移至目标工作位置；与此同时，可旋转吊具确保集装箱能够在有限的作业空间内到达指定码放处。在变幅油缸和伸缩油缸的轴线所确定的平面内，如图1所示，吊具40工作位置可以由两个参数来限定:幅度R和高度H ;其中，幅度R为行走底盘20中心位置至吊具40之间距离，高度H为吊具40至地面之间的距离。本方案提供的吊具定位控制方法，包括下述步骤:S1.获取当前臂架的长度L、角度α及目标位置。其中，当前臂架的长度L、角度α可以利用现车控制系统中所使用的信号采集装置，将相应信号采集装置所检测到的当前臂架的长度L、角度α应用于本方法当中，当然，也可以单独设置一臂架长度传感器获取当前臂架的长度L，单独设置一臂架角度传感器获取当前臂架的角度α。其中，目标位置为吊具预期到达的工作位置，具体由操作者以指令的形式输入，可以模拟量型旋钮输入、按键输入或者触摸屏手写输入吊具定位的目标位置(幅度R和高度H)。S2.以吊具定位手动开关未触发为条件，根据长度L、角度α确定当前位置(幅度R和高度H)，并根据当前位置及目标位置输出调节臂架变幅油缸和伸缩油缸工作状态的控制信号，以控制设置于臂架10端部的吊具40位移定位于目标位置，实现吊具的自动定位模式。如此设置，能够有效提高操作可靠性、准确性，完全规避手动操作过程负载影响定位精度的问题；同时，自动定位控制过程中不需要人工观察，多次反复操作，吊具能够直接快速的准确定位，并可有效降低操作强度。为了确保本方法的可实现性，针对由电磁比例阀控制调整变幅油缸和伸缩油缸进液量的液控系统，可以将上述控制信号分别输出至相应的电磁比例阀的控制端。具体地，第一电磁比例阀31 (Υ10、Υ11)设置于变幅油缸液控回路，第二电磁比例阀32 (Υ12、Υ13)设置于伸缩油缸的液控回路，本方案以双向控制阀为例进行详细说明，相应的控制信号输出至双向控制阀的一个控制端。基于上述控制原理，本方案可以基于吊具定位过程中的位移轨迹作进一步优化，通过建立更加可靠的吊具垂直升降和水平移动运动模型，对控制变幅油缸的第一电磁比例阀31和控制伸缩油缸的第二电磁比例阀32进行控制，具体来说，吊具位移定位包括竖直位移模式和水平位移模式，其中，竖直位移模式沿图中Y向位移，水平位移模式沿图中X向位移。请一并参见图2，该为本实施方式所述吊具定位控制方法的流程图。根据运动模型，预先设定竖直位移模式下，第一电磁比例阀31 (Υ10、Yll)的控制电流I相对不同高度H的第一关系表，具体可以变化曲线Cluff的形式表现；以及水平位移模式下，第二电磁比例阀32 (Υ12、Υ13)的控制电流相对不同幅度的第二关系表，具体可以变化曲线Ctele的形式表现。在竖直位移模式，控制信号包括同步输出的第一变幅控制信号和第一伸缩控制信号。其中，第一变幅控制信号根据高度值查询第一关系表获得，并输出相应的电信号至第一电磁比例阀31的控制端YlO或Yll，S卩，当竖直起升位移时，吊具高度Hi不断变化，IYio=Ciuff (R, Hi) ,Iyu=O ;当竖直降落时，Iyio=O、Im=Cluff (R，Hi)。随着电流信号的输出，实际幅度Ri与目标幅度R存在差值R1-R= AR，第一伸缩控制信号输出至第二电磁比例阀32，整个控制目标就是减少目标幅度与实际幅度的差值AR。此过程中，以变幅油缸运动为主运动，伸缩油缸运动为从运动，对控制变幅油缸的第一电磁比例阀31进行开环控制，以吊具幅度差值作为反馈量，对控制伸缩油缸的第二电磁比例阀32电流进行闭环控制。在水平位移模式，控制信号包括同步输出的第二伸缩控制信号和第二变幅控制信号，其中，第二伸缩控制信号根据幅度查询第二关系表获得，并输出相应的电信号至第二电磁比例阀32的控制端Y12或Y13，S卩，当水平外伸时，吊具幅度Ri不断变化，Iyi2=Ctele (H, Ri)、Iy13=O ;当水平内缩时，1%=0、&3=(；+01，民)。随着电流信号的输出，实际高度Hi与理论高度H存在差值H1-H Δ H，第二变幅控制信号输出至第一电磁比例阀31，整个控制目标就是减少理论高度与实际高度的差值ΔΗ。此过程中，以伸缩油缸运动为主运动，变幅油缸运动为从运动，对控制伸缩油缸的第二电磁比例阀32进行开环控制，以吊具起升高度差值作为反馈量，对控制变幅油缸的第一电磁比例阀31电流进行闭环控制。可以理解的是，本方案中第一关系表和第二关系表中具体数值对应关系，应当基于不同车型的实际配置进行设定，具体涉及液控系统工作参数、电磁比例阀及结构件的尺寸参数等因素。此外，竖直位移模式下的第一伸缩控制信号及水平位移模式下的第二变幅控制信号，也可以根据不同车型的实际配置进行设定。优选地，第一伸缩控制信号可以根据下述公式获得:Ifkpl Δ Rj+kdl ( Δ R1- Δ R(^1)) +kn Σ Δ Ri ;式中，ARi —当前采样时刻的位置与目标位置的幅度差；AR(i_D_上一次采样时刻的位置与目标位置的幅度差；
Σ Δ Ri—当如米样时刻和过去时刻的所有幅度差累积之和；kpl—比例增益；kdl—微分增益；kn—积分增益；第二变幅控制信号可以根据下述公式获得:I2=kp2 Δ Hfkd2 ( Δ H1- Δ Η(η)) +ki2 Σ Δ Hi ;式中，AH1-当前采样时刻的位置与目标位置的高度差；AH^1)-上一次采样时刻的位置与目标位置的高度差；Σ Λ Hi—为当前时刻 和过去时刻的所有高度差累积之和；kp2—比例增益；kd2—微分增益；ki2—积分增益。特别说明的是，由于影响吊具位移精度的因素过于繁杂，为获得最佳的吊具定位自动控制精度，上述各增益参量的确定应当在产品试验定型过程中进行调整后确定。另外，前述的相邻两个采样时刻的间隔时间为Ims 100ms，采样间隔时间长度，与控制精度成反比，与运行成本成正比。实际使用时可以根据需要进行选择，只要满足使用功能需要均可。[0056]由于竖直位移模式下的伸缩油缸运动为从运动，水平位移模式下的变幅油缸为从运动，也就是说，实现从运动的控制信号基于相应主控制信号的变化而进行调整变化，为避免从运动过于频繁导致不必要的振动，在不影响定位精度的前提下，可以对从运动作进一步的优化限定。具体地，以实际幅度与目标幅度的差值AR大于预设的幅度阈值Rtl为条件，输出第一伸缩控制信号至第二电磁比例阀32，也就是说，当幅度差值Λ R小于规定值Rtl时，控制伸缩油缸的第二电磁比例阀32 (Υ12、Υ13)电流值为0，即Iy12或ΙΥ13=0，而当幅度差值Λ R大于规定值Rtl时，则输出第一伸缩控制信号至第二电磁比例阀32相应控制端；以实际高度与目标高度的差值△ H大于预设的高度阈值Htl为条件，输出第二变幅控制信号至第一电磁比例阀31，也就是说，当高度差值Λ H小于规定值Htl时，控制变幅油缸的第一电磁比例阀31 (Υ10、Υ11)电流值为0，即Iyici或ΙΥ11=0，而当高度差值Λ H大于规定值Htl时，则输出第二变幅控制信号至第一电磁比例阀31。除前述方案外，基于吊具位移定位划分为竖直位移模式和水平位移模式的思想，其控制策略也可以是这样的设计。在竖直位移模式下，控制信号包括同步输出的第一变幅控制信号和第一伸缩控制信号，其中，所述第一变幅控制信号为输出至第一电磁比例阀31的恒定电信号，所述第一伸缩控制信号实时根据目标长度和当前长度输出至第二电磁比例阀32 ;在水平位移模式，控制信号包括同步输出的第二伸缩控制信号和第二变幅控制信号，其中，所述第二伸缩控制信号为输出至第二电磁比例阀32的恒定电信号，所述第二变幅控制信号实时根据目标角度和当前角度输出至第一电磁比例阀31。还可以增设过载保护功能。具体地，预先设定一臂架长度L和角度α的载荷关系表，获取变幅油缸的两腔压力，根据预设的变幅油缸的两腔压力、当前臂架长度和角度的载荷关系表，并以当前负载大于第一预设载荷阈值为条件，输出报警信号。例如，当即将发生超载时(在吊重量的90%到100%范围内)，控制器发出报警信号，并限制输出动作的速度。进一步地，还可以预设第二预设载荷阈值，以当前负载大于第二预设载荷阈值为条件，输出限制继续增加载荷的手动操纵信号输出的控制信号，第二预设载荷阈值大于所述第一预设载荷阈值。例如，当达到超载点(吊重量的100%)时，控制器限制操作者继续朝危险方向的动作。在前述吊具定位控制方法的基础上，本实施方式还提供一种集装箱正面吊运机的吊具定位控制系统，请参见图3，该图为该吊具定位控制系统的方框图。如图所示，该系统包括信号采集装置I和控制器2。其中，信号采集装置I用于获取当前臂架长度、角度及目标位置，具体包括臂架长度传感器11、臂架角度传感器12、目标似直输入兀件13。其中，控制器2用于以吊具定位手动开关(图中未示出)未触发为条件，也就是说，如果当前操作为手动定位状态，再可靠启动自动控制程序，例如，以手动开关为操作手柄为例，判断此时吊具操作手柄是否在中位，如果手柄不在中位，则禁止自动定位模式，只有吊具手柄处于中位状态，控制器才能根据接收的控制信息和检测数据进一步分析、计算、判断，输出相应的电流控制相应的电磁阀，控制吊具的自动定位动作。如前所述，本方案中的变幅油缸和伸缩油缸的 进液量分别由第一电磁比例阀31和第二电磁比例阀32控制，第一电磁比例阀31和所述第二电磁比例阀32均为双向控制阀，相应的所述控制信号输出至双向控制阀的一个控制端。具体地，根据所述长度、角度确定当前位置，并根据当前位置及目标位置输出调节臂架变幅油缸和伸缩油缸工作状态的控制信号，以控制设置于臂架端部的所述吊具位移定位于所述目标位置。进一步地，该控制器2包括:存储单元21，用于存储预设的电信号和高度的第一关系表和电信号和幅度的第二关系表；和比较判断单元22，配置成:在竖直位移模式同步获得第一变幅控制信号和第一伸缩控制信号，其中，所述第一变幅控制信号为根据高度查询所述第一关系表获得的输出至第一电磁比例阀31的电信号，所述第一伸缩控制信号为输出至第二电磁比例阀32的电信号；在水平位移模式同步获得第二伸缩控制信号和第二变幅控制信号，其中，所述第二伸缩控制信号为根据幅度查询所述第二关系表获得的输出至第二电磁比例阀32的电信号，所述第二变幅控制信号为输出至第一电磁比例阀31的电信号；输出单元23，输出相应的控制信号。优选地，臂架长度传感器11和臂架角度传感器12为电流型传感器，抗干扰性能较好，且成本较低。具体请一并参见图4，该图为该吊具定位控制系统的电路原理图。如图4所示，本方案还可以设置与所述控制器的使能接口连接的自动定位模式开关SI，当按下开关SI后，控制器2启动吊具自动定位控制。此外，目标位置输入元件13优选采用显示器自带的模拟量型旋钮，在输入目标位置指令至控制器的同时，还可以在显示器上进行直观显示。实际工作过程中，当控制器确认可执行自动定位模式，可通过显示器自带的模拟量型旋钮输入吊具定位的目标位置。当控制器接收吊具需要竖直和水平移动的距离，接着进入竖直升降动作模式，当竖直升降动作结束后，进入水平移动动作模式。当两种模式都完成后，显示器提示吊具完成自动定位功能，界面如图5。同时，臂架长度传感器11和臂架角度传感器12的信号输出端还分别接连拉所述显示器的信号接收端，还可以实时显示来自于臂架长度传感器11和臂架角度传感器12的当前臂架长度L和臂架角度α。当然，如前所述，该输入元件13也可以采用按键或者触控屏。进一步地，比较 判断单元22根据存储于存储单元21的下述公式获得所述第一伸缩控制信号:I1=V Δ Ri+kdl ( Δ R1-Δ Ra^)+knX ARi ;式中，ARi —当前采样时刻的位置与目标位置的幅度差；Δ R(i_D_上一次采样时刻的位置与目标位置的幅度差；Σ Δ Ri—当如米样时刻和过去时刻的所有幅度差累积之和；kpl—比例增益；kdl—微分增益；kn—积分增益；所述比较判断单元22根据存储于存储单元21的下述公式获得所述第二变幅控制信号:I2=kp2 Δ H^kd2 (ΔΗ-Δ Η(η) ) +ki2 Σ Λ Hi ;式中，AH1-当前采样时刻的位置与目标位置的高度差；AH^1)-上一次采样时刻的位置与目标位置的高度差；Σ Λ Hi—为当前时刻和过去时刻的所有高度差累积之和；kp2—比例增益；kd2—微分增益；ki2—积分增益。[0081]同样地，比较判断单元22以实际幅度与目标幅度的差值大于存储于存储单元21的预设幅度阈值为条件，获得第一伸缩控制信号；以实际高度与目标高度的差值大于存储于存储单元21的预设高度阈值为条件，获得第二变幅控制信号。上述优选方案的有益效果及进一步优选控制策略与前述控制方法相同，例如，用于过载保护功能的变幅油缸两腔压力的油压传感器B1、B2、B3也可以为电流型传感器，具体细节不再赘述。显然，该报警信号可以输出至显示器进行显示，以提示操作者当前危险作业工况；也可以输出声、光报警，启动蜂鸣器或报警灯，同时提示作业区域的辅助人员。特别说明的是，本实用新型的吊具自动定位模式包括竖直位移模式和水平位移模式，不限于图中所示的先竖直、后水平的位移模式，显然也可以先水平、后竖直的位移模式，只要满足优化吊具位移轨迹的需要均在本申请请求保护的范围内。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.集装箱正面吊运机的吊具定位控制系统，其特征在于，包括: 信号采集装置，用于获取当前臂架长度、角度及目标位置； 控制器，用于接收当前臂架长度、角度及目标位置信号，并根据所述长度、角度及目标位置输出调节臂架变幅油缸和伸缩油缸工作状态的控制信号，以控制设置于臂架端部的所述吊具位移定位于所述目标位置；和 自动定位模式开关，与所述控制器的使能接口连接。
2.根据权利要求1所述的集装箱正面吊运机的吊具定位控制系统，其特征在于，所述变幅油缸和伸缩油缸的进液量分别由第一电磁比例阀和第二电磁比例阀控制，所述控制信号分别输出至所述第一电磁比例阀和第二电磁比例阀。
3.根据权利要求2所述的集装箱正面吊运机的吊具定位控制系统，其特征在于，所述第一电磁比例阀和所述第二电磁比例阀均为双向控制阀，相应的所述控制信号输出至双向控制阀的一个控制端。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的集装箱正面吊运机的吊具定位控制系统，其特征在于，所述信号采集装置具体为:获取当前臂架长度的臂架长度传感器、获取当前臂架角度的臂架角度传感器和获取目标位置的显示器自带的模拟量型旋钮。
5.根据权利要求4所述的集装箱正面吊运机的吊具定位控制系统，其特征在于，还包括获取所述变幅油缸的两腔压力的压力传感器，所述控制器还根据所述变幅油缸的两腔压力输出报警信号至显示器、蜂鸣器或报警灯。
6.根据权利要求5所述的集装箱正面吊运机的吊具定位控制系统，其特征在于，所述臂架长度传感器和臂架角度传感器的信号输出端还分别接连拉所述显示器的信号接收端。
7.一种集装箱正面吊运机，包括行走底盘、设置在所述行走底盘上的臂架、设置在所述臂架端部的吊具，所述臂架分别通过伸缩油缸和变幅油缸改变臂架长度和角度；其特征在于，还包括如权利要求1至6中任一项所述的吊具定位控制系统。
专利摘要本实用新型公开了一种集装箱正面吊运机的吊具定位控制系统，包括信号采集装置、控制器和自动定位模式开关；其中，所述信号采集装置用于获取当前臂架长度、角度及目标位置；所述控制器用于接收当前臂架长度、角度及目标位置信号，并根据所述长度、角度及目标位置输出调节臂架变幅油缸和伸缩油缸工作状态的控制信号，以控制设置于臂架端部的所述吊具位移定位于所述目标位置；所述自动定位模式开关与所述控制器的使能接口连接。本实用新型可自动实现吊具定位控制，有效提高操作可靠性、准确性及作业效率，并大大降低操作强度。在此基础上，本实用新型还提供一种应用该系统的集装箱正面吊运机。
文档编号B66C15/06GK202967904SQ201220667349
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者张德荣, 李彬, 张付义, 张盛楠 申请人:徐州重型机械有限公司