起重机械轨道检测机器人激光姿态角自动调节系统研究

发布时间：2020-10-09 07:07

　　近年来,随着智能化和自动化技术的发展,国内外的研究学者开始采用移动机器人技术来代替传统的人工方法进行起重机械轨道自动检测。起重机械轨道检测机器人在对轨道高度差自动检测时,其上的激光发射器和激光成像板的姿态角对检测准确性影响较大。目前激光姿态角调节受机器人车速变化以及轨道表面不平等因素影响,无法满足起重机械轨道自动检测要求。为此,本文结合起重机械轨道检测的具体要求,研究了起重机械轨道检测机器人激光姿态角自动调节系统,为起重机械轨道检测机器人研发与应用提供了技术基础和保障,对于提高起重机械轨道检测的效率和精度,具有十分重要的意义。主要研究内容和成果有:(1)激光姿态角自动调节系统总体设计与性能分析。根据起重机械轨道检测技术指标要求,研究了起重机械轨道自动检测方法及系统总体方案,设计了起重机械轨道自动检测系统核心装置轨道检测机器人总体结构;依据轨道高度差自动检测要求,分析了轨道检测机器人激光姿态角自动调节系统总体方案和所要达到的性能指标,对自动调节转台结构型式、尺寸和重量范围、运动范围、精度指标和控制方法等进行了分析。(2)激光姿态角自动调节转台传动性能研究。首先,根据空间啮合传动理论,对自动调节转台的核心零部件蜗杆蜗轮传动进行数学模型的建立,计算与校核蜗杆蜗轮的尺寸参数;其次,根据得到的尺寸参数使用Adams软件对蜗杆蜗轮啮合传动过程模拟仿真,分析蜗杆蜗轮副中心距误差、中间平面误差、轴交角误差等三个因素对传动精度的影响,得出轴交角误差对传动精度的影响最大,中间平面误差影响次之,中心距误差影响最小;然后,使用有限元分析软件对蜗杆蜗轮传动过程中所受应力进行仿真分析,结果表明,所设计蜗杆蜗轮传动性能满足预期要求;最后,基于有限元分析软件,对激光姿态角自动调节转台在起重机械轨道检测机器人工作时进行模态分析及平稳性分析,得到了转台前5阶的固有频率和振幅,仿真结果表明,来自转台内部的电机激励不会引起共振,来自轨道表面不平顺的外部激励振动不会影响转台的结构稳定性,该自动调节转台具有良好的抗干扰性。(3)激光姿态角自动调节转台控制方法研究。首先,根据激光姿态角自动调节转台工作环境情况,分析自动调节转台的工作方式,基于自动控制理论,建立自动调节转台伺服控制系统数学模型;其次,为提高自动调节转台控制性能,采用经典的PID控制,基于simulink仿真软件,对控制系统性能仿真,结果表明经典的PID控制下,系统的稳定性和输出误差没有达到期望的控制要求;最后,针对这一问题,应用滑膜变结构控制方案,采用基于指数趋近律方法,设计了滑膜变结构控制器,并搭建相应的simulink仿真模型,对系统的单位阶跃、正弦响应性能仿真分析,结果表明,滑膜变结构具有更好的快速响应性和更低输出误差,满足自动调节转台控制响应快速性要求,且能更好的抵抗外界干扰。(4)设计了激光姿态角自动调节控制系统软硬件,搭建了轨道检测机器人及激光姿态角自动调节试验平台。在标准的起重机械轨道上开展激光姿态角自动调节性能试验,结果分析得到:滑膜变结构控制下激光姿态角调节的时间比PID控制下要快0.11s,最大超调量减小2.1%,且运动平稳;当检测机器人在起重机械轨道上以最大速度行走时,自动调节最大误差0.2°,满足起重机械轨道检测的调节要求,达到了较好的预期效果。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

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课题来源：江苏省特种设备安全监督检验研究院科技项目，起重机械轨道移动机器人智能检测技术与应用研究。起重机械是指用于垂直升降并能够移动重物的机电一体化设备，如图1.1所示，它是工业、交通、建筑行业中实现自动化减轻繁重体力劳动，提高生产率的设备，在现代化生产中具有十分重要的地位[1]。随着国家铁路交通、能源水利、建筑住宅等基础设施建设的陆续展开和加速进展，起重机械市场快速扩大，大型高速起重机的需求量也在不断增加，这些都将会给起重机械行业提供一个更为广阔的发展前景[2,3]。图1.1 起重机械搬运物料Fig.1.1 Lifting machinery handling material随着起重机械大型化趋势的发展，起重机械的搬运能力和搬运范围也在不断的提高，因此对起重机械的操作、检修以及维护要更加的重视。如若不当，引起重大的安全事故，给人民群众的生命安全和社会财产造成极大的损失[4,5]。近几年

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起重机械轨道检测机器人激光姿态角自动调节系统研究2图1.2 东莞起重机事故现场Fig.1.2 Dongguan crane accident site当起重机械搬运移动很重的物料时，车轮轮缘与轨道侧面发生接触，造成轮缘和轨道毁损，即起重机械轨道啃轨的现象。啃轨现象的出现，会导致金属结构摩擦，运动机构磨损，严重时将导致起重机械行走机构失稳脱轨。因此，需要对起重机械轨道进行定期强制检测，排除起重机械轨道安全隐患，使起重机械安全运行[7,8]。目前，起重机械轨道检测主要以人工采用手动模式进行，使用手持激光测距仪、钢卷尺、全站仪、塔尺等设备[9]，如图1.3所示。其存在的主要缺点为：设备繁多、笨重；跨距30米，长度50米左右的单台起重机检测需要3-4人工作4小时

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仪、钢卷尺、全站仪、塔尺等设备[9]，如图1.3所示。其存在的主要缺点为：设备繁多、笨重；跨距30米，长度50米左右的单台起重机检测需要3-4人工作4小时，检测效率低下，检测任务繁重；检测人员需要携带检测设备在高空轨道上作业，安全保护措施薄弱，工作环境危险性极大。随着智能化和自动化技术的发展，国内外的学者开始采用机器人技术来进行起重机械轨道检测。图1.3 传统起重机械轨道检测设备Fig.1.3 Track detection equipment of traditional lifting machinery由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性等优点[10]，所以提出基于一对在轨道上移动的轨道检测机器人，通过激光成像方法对起重机械轨道自动检测方法。其中，一个机器人在一端发射激光，另一个机器人在另一端通过测量计算成像板光斑的位置坐标

【参考文献】