高精度智能起重机设计
起重机在各类港口、建筑工地、工业厂房、货物仓库等场所应用十分广泛，其高效的搬运能力能很好的提高劳动生产效率，是物料搬运的常用设备。目前，我国的起重机制造业飞速发展，产能较以往有了很大的提升，质量水平日益提高。由于广大用户的使用需求不断的提升，起重机产品类型不断丰富，技术应用也不断加强。本文针对涉及危险化工品、核工业、军事领域的需求，充分考虑到危险物料对人身的伤害以及物料搬运全过程的作业安全，提出一种安全可靠、性能稳定的，能远程操控的高精度智能起重机设计方案。
1、基本工作原理及组成
本文所设计的高精度智能起重机按照国家颁布的特种设备目录分类为通用桥式起重机，对应相关产品制造标准为GB/T 14405-2011《通用桥式起重机》。高精度智能起重机的基本组成：机械部分（包括大车、小车、主梁、端梁、取物装置等）、控制系统软件、硬件以及电气系统。基本工作原理：各机构接收到控制指令后，启动相应的电机使其运转，通过减速机、传动轴、联轴器等机械传动方式把扭矩输送到转动部件（如：大车轮、小车轮、起升卷扬装置），以实现大车左右方向行走、小车前后方向行走、起升装置垂直方向的上下运行。控制指令停止时，供电回路失电，电机停止运转，工作制动器闭合，旋转机构停止运动。基本作业流程：起重机定位（X0，Y0，Z0）；作业功能选择（用户可根据软件选择自动作业、手动作业等工作模式）；系统作业初始化[确认识别物料原始位置（x1，y1，z1）、需摆放的位置（x2，y2，z2）、搬运路径S：（x1，y1，z1）→（x2，y2，z2）]；执行自动或手动作业流程并实时反馈吊运物体和起重机的位置信息；物料通过规划好的路径吊运至设定位置；系统自动核对位置，确认无误后，脱离物料与起重机的连接；起重机回归原始位置（X0，Y0，Z0）；结束作业。
2、总体方案设计
2.1可靠性指标
沿用我国机械行业标准JB/T 50103-1998《通用桥式起重机可靠性考核评定试验规范》的规定：首次故障前平均工作时间MTTF≥250h；当量平均无故障工作时间MTBF≥320h；平均修复时间MTTR≤2h；可用度A0≥0.98。
2.2建立模型
对起重机的使用场所建立空间直角坐标系，起重机、物料的位置状态可以用空间坐标（x，y，z）表示，把小车运行方向定义为X轴方向，把大车运行方向定义为Y轴方向，把起升方向定义为Z轴方向。把物料从位置P1（x1，y1，z1）搬运至位置P2（x2，y2，z2），起重机需要进行以下动作：垂直起升物料（x1，y1，z1）→（x1，y1，zm），大车运行至合适位置（x1，y1，zm）→（x1，y2，zm），小车运行至合适位置（x1，y2，zm）→（x2，y2，zm），垂直下降物料（x2，y2，zm）→（x2，y2，z2）。物体在X轴上的位移，等效为小车位移Δx，由小车电机运转实现；物体在Y轴上的位移Δy，等效为大车位移，由大车电机运转实现；物体在Z轴上的位移，等效为起升取物装置位移Δz，由起升卷扬电机运转实现。
3.3功能设计
a、实时位置跟踪显示；b、自动作业；c、手动作业；d、堆放规则（自定义）；e、库房物流自动管理；图像监控；故障报警及记录。
图1高精度智能起重机总体架构
3、机械部分设计
机械部分的设计由实际需求而定，如：桥架结构的尺寸由库房的跨度决定、起重机的额定起重量由吊运物体的最大重量决定。该部分设计和传统起重机的机械设计一致，行业上已有大量成熟经验，在此不作熬述。
4、控制系统硬件设计
总控室采用1台工控机作为上位控制中心，通过以太网连接下位PCC控制器。PCC控制器作为控制核心部件具备以太网、USB、RS232、CAN总线接口等多种通讯方式，还可通过增加CAN IO子站进行接口扩展。PCC控制器与变频器驱动器的通信主要通过CAN总线进行。起重机上设有大车行程限位开关和预限位开关等，可实现大车极限位置的安全保护作用；设有小车行程限位开关和预限位开关等，可实现小车极限位置的安全保护作用；设有起升高度行程限位开关，可防止过卷扬事故的发生。设有重量传感器和起重量限制器，可实现物体称重功能，如有超载情况发生，发出报警信号并限制起升方向动作，但不限制下降方向动作。设有小车、大车激光测距仪，用于采集位置状态信息，可实现高精度的定位；设有高清摄像机，用于监视物料搬运时的情景，并记录相关图像信息。控制系统基本结构如图2。
图2控制系统基本结构
整个控制系统可实现基本控制功能：大车、小车精确控制运行；取物装置升降运行控制；故障检测、处理和报警等，变频器、电机、编码器、PCC构成闭环控制系统。
5、控制系统软件设计
5.1软件操作界面
5.2软件功能模块
5.3动作规划
按照本文3.2建立的模型进行动作规划。此外为了提高起重机的容错能力、纠错能力，加入运动状态智能分析。
5.4故障诊断
通过PCC控制设定的逻辑控制程序跟踪故障点，根据故障情况输出报警信号，反馈到上层计算机并显示故障部位。
5.5数据库管理
使用SQL Server软件平台进行开发，对作业信息进行存储和统计，例如：起重机技术参数、操作人员信息、库房堆放位置信息、作业过程信息、故障检修信息等，能自动生成统计报表，可打印输出。
6、结论
本文提出了高精度智能起重机的工作原理、设计流程以及相关软件的设计方法，为危险场所的物料搬运自动化作业提供设计案例。使操作人员可在安全的环境下，操纵起重机搬运危险物料（核废料、危化品、武器装备），保证了人身安全和作业质量，值得推广和应用。
