СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА АЗИМУТА ГРУЗОПОДЪЕМНОГО КРАНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01B7/30 B66C13/46 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах управления и защиты от перегрузок и повреждения стреловых самоходных кранов с поворотной платформой.

Известен способ измерения угла азимута грузоподъемного крана (угла поворота платформы со стрелой относительно опорно-ходовой части крана) при помощи позиционно-чувствительной оптической системы, заключающийся в том, что на платформе закрепляют оптические детекторы, направляют их оптические оси на источники света, расположенные стационарно около грузоподъемного крана, принимают при помощи оптических детекторов сигналы источников света, преобразуют выходные сигналы детекторов в электрические величины, и далее на основе полученных величин на бортовом компьютере вычисляют пространственное положение стрелы с грузом и платформы крана [1], [2].

Устройство для осуществления этого способа содержит оптическую систему, первый и второй детекторы которой установлены на платформе и ориентированы таким образом, что их оптические оси направлены на источники света, расположенные вне грузоподъемного крана. Выходы детекторов подключены к входам бортового компьютера, выходы которого соединены с управляющими входами исполнительных механизмов крана [1], [2].

Недостатком этого технического решения является отсутствие мобильности. Кроме того, наличие оптических элементов снижает надежность работы устройства в условиях плохой оптической видимости (при высоких уровнях запыленности, при дожде, снегопаде и т.д.).

Наиболее распространенным является потенциометрический способ определения угла азимута грузоподъемного крана, заключающийся в том, что угол поворота платформы крана преобразуют в круговое перемещение движка однооборотного линейного потенциометра, перемещение движка потенциометра преобразуют в электрическое напряжение и далее осуществляют цифро-аналоговое преобразование этого напряжения [3].

Устройство для осуществления этого способа содержит потенциометр, ось которого закреплена на опорно-ходовой части, а корпус - на поворотной части крана, источник постоянного напряжения, подключенный к первому и второму выводам потенциометра, третий вывод которого через диодную схему защиты соединен со входом аналого-цифрового преобразователя [3].

Недостатком этого способа и устройства для его осуществления является ограниченный диапазон измеряемых углов, поскольку существует разрыв в контактной системе потенциометра в момент перехода его движка с начала на конец обмотки. Соответственно, в определенном секторе (обычно около 30^o) угол азимута (положение поворотной платформы крана) не измеряется.

Кроме того, недостатком этого измерителя является невысокая надежность, вызванная низкой износоустойчивостью контактной системы потенциометра.

К снижению надежности приводят также радиальные нагрузки на ось потенциометра, вызванные несоосностью осей вращения поворотной части крана (платформы со стрелой) и потенциометра ввиду неточностей изготовления механических узлов и их износа в процессе эксплуатации.

Наиболее совершенным и наиболее близким к предложенному по совокупности существенных признаков является способ измерения угла азимута грузоподъемного крана, при котором угол поворота платформы крана преобразуют в круговое перемещение двух чувствительных элементов (движков круговых линейных потенциометров), которые предварительно сдвигают друг относительно друга на четверть оборота, преобразуют это перемещение в два электрических напряжения, пропорциональных углу азимута, определяют полярности этих напряжений и на основании этих полярностей судят о квадранте угла азимута, а также определяют абсолютные значения этих напряжений и по их величинам судят о значении угла азимута в пределах каждого квадранта [4].

Устройство для осуществления известного способа содержит два круговых линейных потенциометра, сдвинутых относительно друг друга на четверть оборота. Оси и корпуса потенциометров механически закреплены соответственно на опорно-ходовой и на поворотной частях крана, выводы питания потенциометров подключены к двухполярному источнику постоянного напряжения, а выходы подключены к входам компараторов и к входам выпрямителей, выходы которых соединены с индикаторными устройствами [4].

В известном техническом решении, благодаря применению двух круговых потенциометров, осуществляется измерение угла азимута во всем диапазоне углов 360^o.

Однако применение двух скользящих контактов в потенциометрах снижает надежность устройства ввиду низкой износоустойчивости контактных систем.

Невысокую надежность предопределяет также наличие радиальных нагрузок на оси потенциометров, вызванных несоосностью оси вращения поворотной части крана (стрелы) и осей потенциометров из-за погрешностей изготовления механических узлов крана и неточности установки потенциометров. В процессе эксплуатации крана износ подшипников, связывающих поворотную и опорно-ходовую части крана, приводит к появлению зазоров и механических люфтов и возможному сдвигу поворотной части крана относительно опорно-ходовой. Это ухудшает соосность осей потенциометров и оси поворота платформы крана, приводит к увеличению радиальных нагрузок на оси потенциометров и может вызвать их поломку.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является осуществление возможности измерения угла азимута при несоосном расположении элементов устройства на опорно-ходовой и поворотной частях крана при одновременном повышении надежности измерителя.

В способе измерения угла азимута грузоподъемного крана, заключающемся в том, что на поворотной платформе крана размещают два чувствительных элемента, сдвигают эти элементы друг относительно друга на четверть оборота, в зависимости от угла азимута формируют два электрических напряжения, определяют полярности этих напряжений и на основании этих полярностей судят о квадранте угла азимута, а также определяют величины этих напряжений и по этим величинам судят о значении угла азимута в пределах каждого квадранта, решение поставленной задачи достигается тем, что создают магнитное поле, неподвижное относительно опорно-ходовой части крана и имеющее одинаковую индукцию в местах расположения чувствительных элементов, воздействуют этим магнитным полем на два чувствительных элемента, которые выполняют магниточувствительными, в результате чего осуществляют указанное формирование двух электрических напряжений, причем одно из этих напряжений формируют пропорционально синусу, а другое пропорционально косинусу угла между направлением магнитного поля и углом поворота платформы крана.

В устройстве для осуществления предложенного способа измерения угла азимута грузоподъемного крана, содержащем два чувствительных элемента, закрепленные на поворотной платформе крана со сдвигом на четверть оборота, входы которых подключены к источнику питания, а выходы подключены к входам измерительной схемы, решение поставленной задачи достигается тем, что на опорно-ходовой части крана закреплен источник магнитного поля, который выполнен в виде магнита и имеет размеры, превышающие размеры чувствительных элементов, а чувствительные элементы выполнены магниточувствительными.

Решение поставленной задачи может достигаться тем, что магниточувствительные элемены выполнены в виде датчиков Холла или магниторезисторных мостов.

Решение поставленной задачи может достигаться также тем, что измерительная схема выполнена в виде микроконтроллера со встроенным многоканальным аналого-цифровым преобразователем, аналоговые входы которого подключены к выходам магниточувствительных элементов, а выходы микроконтроллера подключены к внешней линии связи и (или) к индикаторному устройству.

В измерительной схеме между выходами магниточувствительных элементов и входами микроконтроллера может быть установлен усилительно-преобразовательный блок.

Реализация предложенного технического решения с приведенными отличительными признаками позволяет получить необходимый технический результат - обеспечить независимость результата измерения угла азимута грузоподъемного крана от смещения оси вращения (несоосности) поворотной платформы, а также, благодаря отсутствию подвижных контактов, повысить надежность устройства.

На фиг. 1 схематично показано размещение предложенного устройства на грузоподъемном кране. На фиг.2 приведен пример реализации устройства.

Устройство для измерения угла азимута грузоподъемного крана (угла поворота платформы со стрелой 1 (фиг.1) относительно опорно-ходовой части 2) содержит источник магнитного поля (постоянный магнит) 3, жестко закрепленный на опорно-ходовой части 2 крана вблизи оси вращения поворотной платформы 1, два чувствительных элемента 4, 5, закрепленных жестко на поворотной платформе 1 в зоне действия магнита 3 со сдвигом на четверть оборота. Входы чувствительных элементов 4, 5 (фиг.2) подключены к источнику питания 6, а выходы подключены к входам измерительной схемы 7. Измерительная схема 7 может быть выполнена на основе микроконтроллера со встроенным аналого-цифровым преобразователем 8. Между выходами чувствительных элементов 4, 5 и входами микроконтроллера 8 может быть установлен усилительно-преобразовательный блок 9.

Чувствительные элементы 4, 5 выполнены магниточувствительными на основе датчиков Холла или магниторезисторных мостов. В последнем случае возможно исполнение чувствительного элемента в виде комбинации обычных и магниточувствительных резисторов, включенных по мостовой схеме.

В качестве микроконтроллера 8 со встроенным аналого-цифровым преобразователем может быть использован, например, микроконтроллер типа AT90S4433 фирмы Atmel. Если выходные сигналы магниточувствительных элементов 4 и 5 малы, на входе микроконтроллера 8 может быть установлен усилительно-преобразовательный блок 9, выполненный, например, в виде двухканального измерительного усилителя.

Выходы микроконтроллера 8 могут быть подключены к внешней линии связи, выполненной, например, по стандарту RS-232C, или к любому индикаторному устройству - жидкокристаллическому дисплею, стрелочному индикатору и т.д.

Поясним суть предложенного способа на примере работы реализующего его устройства.

При работе грузоподъемного крана его поворотная платформа 1 вращается относительно опорно-ходовой части 2. Постоянный магнит 3, закрепленный на опорно-ходовой части крана, создает магнитное поле, которое воздействует на магниточувствительные элементы 4, 5. К этим элементам от источника питания 6 подается питающее напряжение (в случае применения магниторезисторных мостов) или питающий ток (в случае применения датчиков Холла).

Выходные напряжения первого и второго чувствительных элементов, если они выполнены в виде датчиков Холла, определяются по формулам

где U1, U2 - выходные напряжения первого 4 и второго 5 магниточувствительных элементов (датчиков Холла);
K1, K2 - коэффициенты чувствительности (передачи) элементов;
I1, I2 - токи питания элементов;
B1, B2 - индукция магнитного поля в местах установки элементов;
α - угол поворота платформы крана (угол азимута).

В формулах (1) выходное напряжение U1 изменяется по синусоидальному закону исходя из принципа действия датчика Холла. Напряжение U2 при этом изменяется по косинусоидальному закону, поскольку магниточувствительные элементы Холла по углу α сдвинуты на четверть оборота.

Размеры магнита существенно превышают размеры чувствительных элементов, а магнит расположен непосредственно около чувствительных элементов на малом расстоянии от них. Поэтому индукции магнитного поля в местах расположения магниточувствительных элементов имеют равные величины (В1=В2).

Если магниточувствительные элементы 4, 5 имеют идентичные характеристики (К1=К2), питаются одинаковым током (I1=I2), то формулы (1) принимают вид

где К - постоянный коэффициент.

Напряжения U1 и U2 непосредственно или через усилительно-преобразовательный блок 9 (если эти напряжения имеют малую амплитуду) поступают на входы микроконтроллера 8.

Из формул (2) следует, что знаки выходных напряжений однозначно определяют, в каком направлении расположена платформа крана: "Левый борт" или "Правый борт" и, соответственно, "Нос" или "Корма". Поэтому микроконтроллер 8, проверив знаки напряжений U1 и U2, непосредственно получает двухбитовый код номера квадранта угла азимута: при Sign(U1)=0 и Sign(U2)=0 угол азимута находится в интервале 0...90^o, при Sign(U1)=1 и Sign(U2)=0 угол азимута 90.. . 180^o, при Sign(U1)=0 и Sign(U2)=1 угол азимута 180-270^o и при Sign(U1)=1 и Sign(U2)=1 угол азимута находится в интервале 270...360^o.

Далее микроконтроллер 8 определяет точное значение угла по величинам напряжений U1 и U2. При этом возможны различные алгоритмы работы микроконтроллера. Один из возможных алгоритмов заключается в следующем.

Микроконтроллер осуществляет деление напряжений U1 и U2
U1/U2 = K•Sinα/K•Cosα = tgα. (3)
Из этого выражения следует, что
α = arctg(U1/U2). (4)
Микроконтроллер 8 по выражению (4) непосредственно вычисляет угол азимута и далее передает полученный результат на внешнее устройство.

Если магниточувствительные элементы 4, 5 выполнены не в виде датчиков Холла, а в виде магниторезисторов, включенных по мостовой схеме, то питание на них подается в виде напряжения. В остальном принцип работы устройства не изменяется.

Возможно также применение магниточувствительных элементов 4, 5 типа GMR - многослойной структуры магнитных (Fe, Co) и немагнитных (Сu) материалов. Сопротивление магниточувствительных элементов 4, 5 типа GMR не зависит от величины магнитного поля, а зависит только от его направления. Это приводит к упрощению формул (1) без изменения технической сущности предложенного способа измерения и принципа работы реализующего его устройства.

Из изложенного следует, что в предложенном устройстве при правильном выборе размеров магнита 3, создающего магнитное поле, достигается независимость результата измерения угла азимута грузоподъемного крана от смещения оси вращения (несоосности) поворотной платформы, что и обеспечивает достижение необходимого технического результата. Кроме того, отсутствие подвижных контактов обеспечивает повышение надежности устройства.

Источники информации, использованные при составлении заявки
1. Патент ЕР 672889 А2, МПК G 01 В 11/16, 1995.09.20.

2. Заявка России 95121443 А, МПК 6 В 66 С 13/18, 1995.12.07.

3. Ограничитель нагрузки крана OHK-140-13. Новые нормативные материалы по безопасной эксплуатации подъемных сооружений. Вып.2. - М.: Изд-во ПИО ОБТ, 1999, с.47-86.

4. Авторское свидетельство СССР 1379239 A1, МПК 4 В 66 С 13/46, 1988.03.07.

Изобретение относится к подъемно-транспортному машиностроению, а именно к системам защиты от перегрузки и опрокидывания грузоподъемных кранов. Сущность: создают магнитное поле, неподвижное относительно опорно-ходовой части крана, воздействуют этим магнитным полем на два магниточувствительных элемента, расположенных на поворотной платформе крана и сдвинутых друг относительно друга на четверть оборота. В результате формируют два электрических напряжения пропорционально синусу и косинусу угла между направлением магнитного поля и углом поворота платформы крана. Определяют полярности этих напряжений и на основании этих полярностей судят о квадранте угла азимута. По величинам напряжений судят о значении угла азимута в пределах каждого квадранта. Устройство содержит источник магнитного поля - постоянный магнит, закрепленный на опорно-ходовой части крана, два чувствительных элемента, выполненных, в частности, в виде датчиков Холла или магниторезисторных мостов и закрепленных на поворотной платформе крана со сдвигом на четверть оборота. Входы чувствительных элементов подключены к источнику питания, а выходы - к входам измерительной схемы (микроконтроллера). Технический результат: возможность бесконтактного измерения угла азимута при несоосном расположении элементов устройства на опорно-ходовой и поворотной частях крана при одновременном повышении надежности измерителя. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения угла азимута грузоподъемного крана, заключающийся в том, что на поворотной платформе крана размещают два чувствительных элемента, сдвигают эти элементы друг относительно друга на четверть оборота, в зависимости от угла азимута формируют два электрических напряжения, определяют полярности этих напряжений, на основании этих полярностей судят о квадранте угла азимута, а также определяют величину этих напряжений и по этим величинам судят о значении угла азимута в пределах каждого квадранта, отличающийся тем, что дополнительно создают магнитное поле, неподвижное относительно опорно-ходовой части крана и имеющее одинаковую индукцию в местах расположения чувствительных элементов, воздействуют этим магнитным полем на два чувствительных элемента, которые выполняют магниточувствительными, в результате чего осуществляют указанное формирование двух электрических напряжений, причем одно из этих напряжений формируют пропорционально синусу, а другое пропорционально косинусу угла между направлением магнитного поля и углом поворота платформы крана. 2. Устройство для измерения угла азимута грузоподъемного крана, содержащее два чувствительных элемента, закрепленных на поворотной платформе крана со сдвигом на четверть оборота, входы которых подключены к источнику питания, а выходы подключены к входам измерительной схемы, отличающееся тем, что на опорно-ходовой части крана закреплен источник магнитного поля, который выполнен в виде постоянного магнита и имеет размеры, значительно превышающие размеры чувствительных элементов, а чувствительные элементы выполнены магниточувствительными. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что магниточувствительные элементы выполнены в виде датчиков Холла. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что магниточувствительные элементы выполнены в виде четырех резистивных элементов, включенных по мостовой схеме, причем все эти элементы или их часть выполнены магниточувствительными. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что измерительная схема содержит микроконтроллер со встроенным многоканальным аналого-цифровым преобразователем, аналоговые входы которого подключены к выходам чувствительных элементов, а выходы микроконтроллера подключены к внешней линии связи и(или) к индикаторному устройству. 6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что измерительная схема содержит усилительно-преобразовательный блок и микроконтроллер, причем входы и выходы усилительно-преобразовательного блока подключены соответственно к выходам чувствительных элементов и к входам микроконтроллера, а выходы микроконтроллера подключены к внешней линии связи и(или) к индикаторному устройству.