起重機(jī)空間防撞系統(tǒng)設(shè)計與研究

彭敏林 趙 健 羅莉莉

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海200063)

隨著現(xiàn)代起重運(yùn)輸機(jī)械產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同一作業(yè)區(qū)域中起重運(yùn)輸機(jī)械的密度增大，導(dǎo)致起重運(yùn)輸機(jī)械之間非安全接近的概率大大增加。為了避免起重運(yùn)輸機(jī)械之間危險接近或碰撞的情況發(fā)生，面對不同機(jī)型應(yīng)用范圍和用戶實際需求，出現(xiàn)多種防撞系統(tǒng)，各自原理和實施形式存在一定差異，導(dǎo)致防撞系統(tǒng)的完整性和經(jīng)濟(jì)性差異較大。

起重機(jī)空間防撞系統(tǒng)，其區(qū)別于紅外線或激光之類的直線性或平面性防撞系統(tǒng)，通過檢測這些起重機(jī)的相對空間位置和已知外形尺寸參數(shù)，建立空間函數(shù)關(guān)系，通過電氣系統(tǒng)計算機(jī)函數(shù)運(yùn)算，得出潛在的空間干涉沖突，并為駕駛員提供避讓操作咨詢。

現(xiàn)代船廠為了提高造船效率和設(shè)備高效利用，同一造船工作平臺上使用不同起重機(jī)協(xié)同作業(yè)，造船門式起重機(jī)和門座起重機(jī)是最常見的起重運(yùn)輸機(jī)械，一般是以較大的門式起重機(jī)為主，門座起重機(jī)為輔，進(jìn)行交叉運(yùn)行作業(yè)。起重機(jī)空間防撞系統(tǒng)依照這兩種起重機(jī)的外形尺寸參數(shù)和使用功能不同，系統(tǒng)程序自動監(jiān)控各起重設(shè)備之間體型是否重疊干涉，避免相互碰撞導(dǎo)致不安全事故。這種空間防撞系統(tǒng)具備主動防撞和被動防撞功能。

1 工作原理

1.1 防撞系統(tǒng)組成

防撞系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件主要包含檢測編碼器、計算機(jī)和無線通訊設(shè)備。軟件主要有電氣控制系統(tǒng)和空間運(yùn)算程序。

1.2 空間防撞系統(tǒng)特點(diǎn)

起重機(jī)空間防撞系統(tǒng)，不僅適用于新建的起重機(jī)，也適用于局部改造的起重運(yùn)輸設(shè)備。區(qū)別于以前的起重機(jī)之間面域防撞系統(tǒng)和線性防撞系統(tǒng)，空間防撞系統(tǒng)是空間立體性，兩關(guān)聯(lián)起重機(jī)可以空間交叉作業(yè)，只要兩關(guān)聯(lián)起重機(jī)沒有空間干涉，門座起重機(jī)可以在臂架大幅度低位時在門式起重機(jī)下作業(yè)，如圖1所示。

圖1 起重機(jī)干涉碰撞示意圖

1.3 防撞系統(tǒng)原理

門式起重機(jī)和門座起重機(jī)在同一船塢平臺上工作，兩臺起重機(jī)都安裝空間防撞系統(tǒng)，起重機(jī)之間通過無線通訊設(shè)備建立數(shù)據(jù)信息聯(lián)系，通過起重機(jī)相互交換位置形態(tài)數(shù)據(jù)，檢測、跟蹤和運(yùn)算出鄰近立體空間區(qū)域，根據(jù)接近程度，向各自司機(jī)和系統(tǒng)提供警告和推薦避讓措施。

防撞系統(tǒng)程序利用起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的編碼器檢測起重機(jī)的位置和工作狀態(tài)，再通過防撞系統(tǒng)程序運(yùn)算空間坐標(biāo)矢量值，得到每臺起重機(jī)的空間外形尺寸參數(shù)，系統(tǒng)程序自動監(jiān)控各臺起重設(shè)備之間實時體型參數(shù)是否重疊干涉，判定起重機(jī)是否可能相互碰撞。電氣控制系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)工況及使用功能，設(shè)定這兩臺起重機(jī)的外形尺寸參數(shù)相互干涉重疊的預(yù)警范圍，到達(dá)預(yù)警值時，可提供防撞警示。

為了統(tǒng)一各臺起重機(jī)之間檢測數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系，設(shè)定的絕對坐標(biāo)如圖2所示。

圖2 起重機(jī)位置坐標(biāo)圖

表1 門式起重機(jī)需采集的基本數(shù)據(jù)列表

表2 門座起重機(jī)需采集的基本數(shù)據(jù)列表

圖3 起重機(jī)檢測通訊示意圖

圖4 門座起重機(jī)比價參數(shù)示圖

Figure 4 Parameters of gantry crane beam

檢測坐標(biāo)如下：

X為平行軌道方向，以極限為0起點(diǎn)；Y為垂直軌道方向，一側(cè)軌道為0起點(diǎn)；Z為相對地面高度。

統(tǒng)一空間坐標(biāo)系后，按照圖3基本控制原理，通過檢測元件檢測各臺起重機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，防撞系統(tǒng)需要采集的基本數(shù)據(jù)如表1和表2。

1.4 系統(tǒng)集成

按照圖3所示的系統(tǒng)原理，門式起重機(jī)和門座起重機(jī)均需增加通訊模塊，建立相互之間通訊。對于起重機(jī)控制系統(tǒng)共性和差異，多數(shù)情況建議采用無線通訊系統(tǒng)，并且均連接各自的控制系統(tǒng)總線。對于新建的起重機(jī)，防撞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量裝置可集成到系統(tǒng)中，對于改造的起重設(shè)備，可在原有控制系統(tǒng)中加裝有防撞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量裝置、通訊設(shè)備和控制程序模塊。

防撞系統(tǒng)是及時防撞警示操控運(yùn)行情況系統(tǒng)，每臺起重機(jī)的司機(jī)室和顯要位置都增設(shè)報警裝置，提供聲光報警或語音報警，報警裝置能有效警示操作人員和其它相關(guān)人員，并在控制系統(tǒng)的監(jiān)視器上能突出顯示碰撞信息。

空間防撞系統(tǒng)能做到全空間和全時域防撞。防撞系統(tǒng)是每臺起重機(jī)設(shè)置有檢測裝置，同時還需計算程序，由電氣控制程序計算出相互之間的空間位置關(guān)系?？臻g防撞系統(tǒng)在其中一臺起重機(jī)停機(jī)或短時間停機(jī)時，其它起重機(jī)也能有效避免與之干涉碰撞，這樣就要求系統(tǒng)有數(shù)據(jù)儲存功能?？臻g防撞系統(tǒng)還可以對起重機(jī)群都停機(jī)之后，僅對某臺起重機(jī)啟動運(yùn)作，能有效避免與其它起重機(jī)干涉碰撞，這就要求系統(tǒng)有位置儲存和復(fù)位功能。

2 設(shè)計分析

2.1 基本參數(shù)檢測

按照防撞系統(tǒng)要求，參照圖1可推測門式起重機(jī)和門座起重機(jī)之間可能發(fā)生的基本碰撞有：臂架與主梁空間干涉；臂架與上小車吊鉤鋼絲繩空間干涉；臂架與下小車吊鉤鋼絲繩空間干涉。

空間防撞系統(tǒng)要進(jìn)行空間矢量運(yùn)算，除需要檢測表1和表2所示的基本數(shù)據(jù)外，還需儲備門式起重機(jī)的主梁外形尺寸參數(shù)和小車吊鉤鋼絲繩外圍尺寸參數(shù)以及門座起重機(jī)的臂架外形尺寸參數(shù)。

門式起重機(jī)主要外形尺寸參數(shù)有：主梁寬度w；主梁底高h(yuǎn)；上小車主梁方向?qū)挾葁u；下小車主梁長度方向s。

門座起重機(jī)臂架外形尺寸參數(shù)如圖4所示：臂架下鉸點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)中心Dx；臂架下鉸點(diǎn)距地面高Dz；臂架下鉸點(diǎn)距臂架上部主起身滑輪中心距L；臂架下鉸點(diǎn)距臂架頂點(diǎn)T；臂架下鉸點(diǎn)到起身滑輪與下鉸點(diǎn)距臂架頂點(diǎn)的夾角相位差γ；起重機(jī)最大工作幅度Rmax；起重機(jī)最小工作幅度Rmin。

2.2 空間坐標(biāo)參數(shù)

根據(jù)上述測得的空間防撞系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)合已知的體形尺寸進(jìn)行空間矢量運(yùn)算，門式起重機(jī)的空間坐標(biāo)參數(shù)為：

主梁Y坐標(biāo)范圍：(0，S)

主梁Z坐標(biāo)范圍：(HL，∞)

上小車Y坐標(biāo)范圍：Y上

上小車Z坐標(biāo)范圍：(Z上，∞)

下小車X坐標(biāo)范圍：(Xms-hc,Xms+hc)

下小車Y坐標(biāo)范圍：Y下

下小車Z坐標(biāo)范圍：(Z下，∞)

門座起重機(jī)的空間坐標(biāo)參數(shù)：

臂架頂點(diǎn)坐標(biāo)：

XT=Xmz+Dcosθ+Tcos[arccos(RL)-γ]cosθ

YT=67+Dsinθ+Tcos[arccos(RL)-γ]sinθ

ZT=41+Tsin[arccos(RL)-γ]

2.3 干涉計算判定

起重機(jī)防撞系統(tǒng)要求先判斷門座起重機(jī)和門式起重機(jī)的軌道方向坐標(biāo)X的初判值X0：

ΔX0=Xms-Xmz

如果ΔX0>0，則門座起重機(jī)在門式起重機(jī)左側(cè)；如果ΔX0<0，則門座起重機(jī)在門式起重機(jī)右側(cè)。

臂架與主梁干涉判定主要是臂架頂點(diǎn)和主梁X坐標(biāo)計算和Z坐標(biāo)計算：

ΔX1=XT-Xa；

ΔX2=XT+Xa；

ΔZ=YT-HL

臂架與上小車：

ΔX=41+Tsin[arccos(RL)-γ]

臂架與下小車：

ΔX=Dz+Tsin[arccos(RL)-γ]

防撞系統(tǒng)對于防撞安全范圍設(shè)定或減速防轉(zhuǎn)距離，可適當(dāng)增加緩沖區(qū)域，主梁與臂架緩沖距離為hl，為了安全，設(shè)定hl=5 m，小車與臂架緩沖距離hc，為了安全，設(shè)定hc=5 m。調(diào)試過程中可設(shè)定這兩臺起重機(jī)的外形尺寸參數(shù)相互干涉重疊的預(yù)警范圍到達(dá)最佳預(yù)警范圍值，這樣即可安全生產(chǎn)又可發(fā)揮起重機(jī)協(xié)同作業(yè)能力，實現(xiàn)最佳綜合經(jīng)濟(jì)效益。

3 停機(jī)防撞設(shè)計

空間防撞系統(tǒng)不僅能對運(yùn)作中的起重機(jī)實現(xiàn)空間防撞，也可以對其中一臺起重機(jī)停機(jī)或短時間停機(jī)時實現(xiàn)空間防撞。其中一臺起重機(jī)停機(jī)后其它起重機(jī)記錄其最后的位置數(shù)據(jù)，在沒有進(jìn)一步數(shù)據(jù)更新的情況下，以最近的數(shù)據(jù)計算分析，避免與之干涉碰撞。同理，可以對起重機(jī)群都停機(jī)之后，僅某臺起重機(jī)啟動運(yùn)作，能有效避免與其它起重機(jī)干涉碰撞。

如門座起重機(jī)停機(jī)，電控系統(tǒng)斷電，門式起重機(jī)的防撞系統(tǒng)記錄門座起重機(jī)停機(jī)狀態(tài)參數(shù)，臂架仰起處于小幅度位置，臂架頂點(diǎn)高于主梁下底面。運(yùn)行門式起重機(jī)靠近門座起重機(jī)，空間防撞系統(tǒng)可以即時檢測門式起重機(jī)主梁與臂架的干涉碰撞，并分析小車與臂架的干涉碰撞。如門式起重機(jī)停機(jī)，電控系統(tǒng)斷電，防撞系統(tǒng)檢測門座起重機(jī)的停機(jī)狀態(tài)參數(shù)，門式起重機(jī)停機(jī)，上下小車設(shè)定位置，小車吊鉤均下降到設(shè)定高度。運(yùn)行門座起重機(jī)靠近門式起重機(jī)，防撞系統(tǒng)能即時檢測運(yùn)算分析停機(jī)防撞可能性。

4 結(jié)論

空間防撞系統(tǒng)通過建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，空間函數(shù)運(yùn)算，計算得出潛在的空間干涉沖突，并提供避讓操作提示?？臻g防撞系統(tǒng)不僅實用于兩臺起重機(jī)之間的相互防碰撞，還可應(yīng)用拓展到多臺多類型起重機(jī)之間的防碰撞。

防撞系統(tǒng)依靠相互之間位置數(shù)據(jù)交換和儲存，具備主動防撞和被動防撞功能，起重機(jī)在停機(jī)狀態(tài)下也可以有效起到防撞功能。