基于PLC的桥式起重机挠度误差调整系统.pdf

基于 P L C的桥式 起重机挠度误差调整系统 樊耀耀王宁李峰张帅陈占春 太原理工大学机械工程学院太原0 3 0 0 2 4 摘要 针对桥式起重机主梁 在 自重和载荷 的作 用下会 产生下 挠的现象 ，及 由于主梁 的下挠 现象所产 生 的 小车运动误差，提出了一套误差补偿方法，应用激光挠度测量仪测量挠度误差 ，依靠 P L C的 P I D控制模块将梁 在不同时刻的误差记录下来，再转换成小车方向的误差并将误差值送给 P L C系统，P L C系统再将误差转化成小 车运动 ，补偿梁 的下挠产生的误差 。 关键词 桥式起重机 ；挠度 ；补偿 ；误差 中图分类号 T H 2 1 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 5 O 5 0 1 1 8 0 3 Abs t r a c tI n v i e w o f d o wn wr a p p i n g o c c ur r i n g t o t he g i r d e r o f o v e r h e a d c r a n e u nd e r t h e a c t i o n o f s e l f - we i g ht a n d l o a d i n g，an d k i n e ma t i c e r r o r o f t h e t r o l l e y a r i s i ng f r o m d o wn wr a p p i n g，t h e p a p e r p u t s f o r wa r d t h e e r r 0 r c o mp e ns a t i o n me t h od t o me a s u r e t h e d e f l e c t i o n e r r o r w i t h t h e l a s e r d e fl e c t i o n me a s u r i n g g a u g e， r e c o r d t h e e rro r s o f t h e b e a m a t d i f f e r e n t t i me s u s i n g t h e P I D c o n t r o l mo d u l e o f P L C，c o n v e r t t h e m t o t h e d i r e c t i o n a l e rro o f t h e c a r t ，a n d s e n d t h e e o r s t o P L C s y s t e m i n 0 r - de r f o r PLC s ys t e m t o c o n v e r t t h e e rro r s i nt o t he c a r t mo t i o n，t o s u p pl e me n t t he e r r o r s a r i s i n g fro m b e a m do wn wr a p p i n g ． Ke ywo r dso v e r he a d c r a ne；de f l e c t i o n；c o mpe n s a t i o n；e rro r 目前 ，处理桥式起重机 以下 简称桥机 主 梁下挠的方法大多是在设计时使 桥机主梁产生一 定的上拱 ，消 除挠度 的影 响。但是 ，这种方法 不 能准确得 出上拱 的幅度 ，而上拱 的幅度不会 随载 荷的变化而变化 ，且其拱本身也存在误 差 ，对小 车准确定位意义不大。本文提 出一种基 于 P L C控 制技术结合激光挠度测量仪实现桥机定位准确性 的方案 ，通过应 用激光挠 度测 量仪测 量挠度 值 ， 再运用 P L C的 P I D控制模块记录梁在不同时刻 的 误差，转换成小车运行方 向的误差值并传送 给 P L C 系统，P L C系统再将误差转化成小 车运动 ，从而 实现桥机准确定位。 1 桥机主梁挠度 1 ． 1 单梁桥机挠度的 A n s y s 分析 桥机存在主梁 的 自重 、小车及其起 吊设备质 量和载荷质量 ，这 3种力作用于桥机 主梁 时必然 引起桥机主梁 的下挠 ，而这种下挠也必然会影 响 小车在运动的准确性。现选择一种起重载荷为 2 t ， 跨度为 1 0 IT I 的桥机分析其在 自身重力下的变形曲 线 ，如图 1～图 3所示。在图 1中，桥机单臂梁在 自重作用下 ，在梁的中心应变最大 ，取挠度 变化 方向为负方向故挠度变化最大 的地方挠度值最小 ， 一 1 1 8 一 挠度变化最小 的地方挠度值最大 ，即中心位置挠 度值最小 S MN一1 ． 0 4 x 1 0 ～。在 两端 出挠度变 化最小 ，挠度值最大 S MX一2 ． 0 5 x 1 0一。在 图 2 和图 3中，小车 自重 和载荷力 的作用使 梁的挠度 发生了变化。在小车 自重下 ，最 大挠度和最小挠 度为 S MN一8 ． 7 3 x 1 0 和 S MX 一1 ． 6 71 0 一。 在图 3中，载荷作用 下挠度 的最 大值和最小值分 别达到了 S MN 一 9 ． 5 51 0 和 S MX一1 ． 8 3 x 1 0～。由此可见 ，桥 机梁在不 同受力情 况下挠度 一 直存在不能被忽视 。 1 ． 2 单梁桥机挠度的计算 桥机主梁 的下挠性对小 车运 行 的准确性有显 著地影响，所以有必要准确计算主梁的挠度 曲线。 单梁桥机主梁结构可简化为简支梁及集 中力结构。 对主梁的计算 均布载荷挠度方程 W l 一 z 。 一 2 1 x 1 l 一 一 集中力载荷挠度方程 一 淼 f -- 2 一 b 2 0 ≤ ≤ 。 2 挠度累计 W 总W 1 W 2 在式 2 中，令 a ，b f a得 作用位 起重运输机械 2 0 1 5 5 图 1 主梁自重引起的挠度 图 2 小车作用引起的挠度 图 3 载荷作用主梁的挠曲线 置的挠度值 f 1一a1 z 一 瓦 一 令 a 得 f f 一 将桥机主梁简化为如 图 4 、图 5所示 的简支粱 结构 ，图4为梁在均布载荷作用时受力 变形情况 ， 均布载荷作用于梁 的变形情况相 当于梁承载 自身 重力时变形情况 。图 5为梁在集 中力 作用时应变 情况 ，集中力作用梁 的变形情况相 当于梁承载小 车和载荷时的变形情况 。 2激 光挠度测量仪 1 ． 3单梁桥机挠度分析 图 6给 出中给出了单梁桥机 在 自重 、小 车重 力和载荷作 用下 的 Ma t l a b挠度 曲线 。在 图 6中， 主梁挠度 曲线 图里 曲线 1为主梁只在 自身重力作 用下梁的弯 曲变形 ；曲线 2为主梁在 自身重 力和 小车重力作用下梁 的弯 曲变形 曲线 ；曲线 3为桥 机主梁在满载 、自身重力和小车质量作用下 梁的 弯曲变形 曲线 。由图 6和弯曲变形公式可 知，梁 在变化外 力作用时 ，梁 的弯 曲变形不 同；梁作用 力位置变 化时 ，梁 的弯 曲曲线也是不 同。可知在 现实中只要桥机 在运动 ，梁 的挠度值便 时刻都会 变化，故必须选用一种设备来进行检测。 IF 兰 图5 集中力作用挠度 图6 单梁桥机不同载荷挠度曲线 激光挠度测量仪是 为了满足大型结 构挠度测 量的实际需求 ，实现较大 的测量范 围，提供 良好 的计算机接 口，简化数据 采集和处理 ，满足动态 实时监测的需求 。 2 ． 1 激光挠度测量仪原理 如图 7所示 ，激光挠度 由激光器 、光接收器 件 、信号处理 电路及计算 机组成。激 光器被 固定 在被测结构 上，保证它们 之间无相对运 动 ，光接 起重运输机械 2 0 l 5【 5 收器件 固定在被测结构 的基座上 ，来 自激 光器的 光斑投射到光接 收器件 的光敏面上 ，控制 电路 每 次扫描光接收器件 的输 出，通过硬件处理 电路得 出光斑 中心在光接 收器件 上的相对位置 ，并 将其 作为测量的初始位置 ． 。当被测结构在 方 向发 生挠度变形时，激光器的位置与之同步变化，光 斑在光接收器件光敏面上的位置也发生相应变化 ， 变化后光斑 的中心位 置相对 于光接 收器件 的位置 为 ，则前后 2次测量得到结构的挠度变化 一 ，多次测量即可获得结构连续挠度变化。 一 1 1 9 被 普通光接收芯片 图7 挠度测量仪原理 3 P L C可编程控制器 系统 P L C 可编程逻辑控制器 是一种专用于工业 控制的计算机 ，其硬件结构基本上与微 型计算 机 相同， 一般具有脉冲输出功能， 能够作为步进电机 和数字式交流伺服电机的控制器。 3 ． 1 设计 计算 小车在运动 中，由于梁 的受力不 同位置不同， 载荷大小分 布不 同，梁的下挠程度也在 变化 ，故 设计计算时必须考虑不同时刻梁的挠度和转角。 如 图 8所 示 ，挠 度测 量 仪 始终 测 量 C 点 的挠 度 ，挠度 为 。 在 A A C D 中将 C点 的 挠度 就是 C D 的大小 ， ／C A D 就 是 A 点 处 的 x方向 翰 图 8 小车挠度误差示意 转角 0 ，0t a n 。任 意微小 运动 △ ，小车运 A 乙 动误差为 A s 1一 c o s 0 d x 。小车从 0点到 C点运 r C 动时，误小车运动误差 为SJ 1一 c o s 6 d x 。 JU 3 ． 2 P L C控制下桥机小车工作过程 当小车到指定位置 时可启 动图 9所示工作程 序 。P L C控制系统设计 图 9 要求实现针对桥机 挠度变化而相应运动变化 的功能，特别是 P L C的 P I D累加功能将不 同测量仪得到的不 同时刻挠度值 进行累计计算，最终转为小车运动中位移的变化 量，实现精确运动功 能，P L C控制系统设计要 求 可靠性好 ，易于操作和维护。桥机控制 系统主要 依靠 P L C的 P I D功能模块 ，将不 同时刻载荷引起 的梁挠度产生 的行进误差进行 累计计算 ，并将误 差结果送给 P L C，使 P L C驱动步进 电机合理调整。 4 总结 传统的桥机 主要依靠梁 预拱 的方式消 除梁下 挠的影响，但往往精确度不够，且增加了另一项 一 1 2 0 一 图 9 桥机 P L C程序挠度调整流程图 误差，应用本该套系统能实际测量梁的挠度值， 并将挠度误差及时转换成小车在梁上 的运动误差 ， 运用 P L C对步进 电机 的精确控制实现桥机在运动 中更精确 的定位要求。另外 ，该系统设计 可应 用 于主梁结 构不同，核定载荷不 同和跨度不 同的桥 机系统中，只需简单调整参数 即可 。 参考文献 [ 1 ]吴涛 ，自鹏 宇 ．基 于 A N S Y S的 J Q 5 0 ／ 1 8 0架桥机 结梅 有限元分析 [ J ] ． 建设机械技术与管理，2 0 1 1 8 1 011 0 4． [ 2 ]钱利霞，章强 ．桥式起重机箱形主梁下挠的修复和加 固[ J ] ． 起重运输 机械 ，2 0 0 8 7 9 7 9 9 ． [ 3 ]荆忠国，曹敏，黄代 民，等 ．基于光纤光栅 B r a g g的 行车模型主梁挠度的测量 [ J ] ． 光学技术，2 0 1 t ，3 7 2 2 4 9 2 5 2 ． 作 者 樊耀耀 地 址 太原市迎泽西大街 7 9号太原理工大学机械工程 学院 邮 编 0 3 0 0 2 4 收稿 日期2 0 1 41 1 0 6 起重运输机械 2 0 1 5 5