现有起重机的自动化：从概念到模型外文翻译资料

 2022-01-29 18:58:36

英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

现有起重机的自动化：从概念到模型

耶希尔.罗森菲尔德

国际建筑研究所，以色列理工学院土木工程学院，以色列海法32000

摘要

本文描述了将现有的全尺寸S-ton有效载荷起重机转换为半自动“搬运机器人”。通过其尺寸，自由度和该起重机类似于典型的建筑起重机的操作模式，该起重机可以通过相同的方式来增强。新的控制系统允许以手动或半自动模式操作起重机，并且可以教导记忆多达50个不同的基准，即施工现场的特定点，以及它们之间的安全路线。该系统的主要组件包括：可编程控制器，三个速度调节器，三个编码器，几个限位开关，一个无线遥控装置和一个用户友好的M.M.I. （人机接口）。大多数部件可以安装在起重机接头附近和机舱内部的外部，对原始接线的干预最小。在对起重机进行物理改造之后，一系列测试检查了性能，准确性，可重复性和安全性方面。它们表现出典型工作周期缩短了15-50％，高精度和可重复性，并且由于预先测试的路径和更平稳的运动以及负载的摇摆和摆动更少，因此操作通常更安全。

关键词：施工自动化;建筑起重机;机器人;机器控制

1.介绍

起重机不仅是建筑工地中最大，最引人注目，最具代表性的设备，而且在项目的各个阶段，也是一个真正的“瓶颈”，会减缓施工过程的速度。 虽然起重机在很多情况下都可以闲置，但一旦涉及到特定的任务，它就成为活动链中不可或缺的环节，迫使至少两名人员（在装载或者卸载空间内）等待服务。 正如之前的出版物[6-81]所分析的那样，为了实现更高的生产率，更好的经济性和更安全的操作，自动化（或者说，半自动）起重机导航是可行的。 在过去十年中，只有少数其他出版物涉及建筑起重机操作的相关方面，例如，[1-3,9]。 本文重点介绍将现有起重机转换为大型半自动机械手的技术方面。通过主要安装在起重机上的外部设备，它可以用于学习，记忆和自动导航到预编程的目标或通过预先路径。

下文描述了起重机自动化的各个方面：首先，重新审视了必要的组件及其技术特性，以及一些选择标准。 随后将新组件安装和集成到现有起重机中。 接下来，人机界面（MMI）呈现其提供的不同操作模式。 最后，在结论和建议之后报告了一组对照测试的亮点。

2.手动与自动操作

普通塔式起重机的三个主要自由度如图1所示。在某些情况下，起重机安装在轨道上，提供第四自由度，而在其他情况下，塔架是“伸缩式”或可伸展的或“悬臂”可以升高到对角线位置。 由于这些额外的自由度在正常操作期间不是常规使用，而是长时间（几天或几周）固定在某个位置，因此它们不包括在常规自动操作模式中， 虽然他们的工作必须“知道”控制系统。

图1 一般起重机的关节结构

2.1手动操作

在大多数配置中，每个主要接头都有自己独立的电动机，由起重机操作员通过“操纵杆”或“按钮”控制。普通手动操作的典型半周期由操作员基本上按照以下阶段执行：

1.他首先通过吊钩的当前位置评估了目标的位置。

2.通过直觉且先大致上，他计划一条自由而安全的路径来将吊钩从目前的位置带到目标附近。

3.他操作操纵杆和/或按钮，以便遵循他的预先计划路径。

4.在这个“长途”导航过程中，他根据需要插入了原计划的路径的某些变化或对这些路径进行纠正。

5.抵达目标附近后，他经历了一个相当长的试错过程，主要依靠来自战区人员的手势和/或无线电通信。

2.2自动操作

起重机自动化的最重要的好处是通过以下两种方式缩短了这个过程：

(1).对于长途导航，起重机在任何两点之间只需要被“教导”一条安全且有效的路线，并且它随后在必要时“回放”这条路线，这比重复的手动导航要快得多。

(2).在精细操纵中有两种可能性：如果装载和/或卸载点是固定的，它们可以预先进行，并且可以节省精细操纵时间。如果装载和/或卸载点不是保持在完全相同的点，而是在相同的附近，那么操作员可以允许他们的工头进行解释和使用信号或者现场人员的指示。如果采用所有必要的安全预防措施，借助简单的遥控器进行精细操纵。根据以前的研究[6,7]，这两个在典型的施工活动中的改进可以节省超过四分之一的周期时间。

2.3 一个关于自动导航的例子

高层建筑的混凝土板的铸造可以作为说明性示例。混凝土由卡车搅拌机提供，可以指向完全相同的卸料位置（它们具有可调节的滑槽，用于精确定位）。起重机通常使用0.5-1.0立方米的桶（当填充混凝土时重约1.5-3吨），因此需要对每个楼层执行几百个几乎相同的循环位置。卡车到目前的顶层，并返回。随着半自动系统安装在起重机上，操作员只需要“教”他的起重机一次：

(1).安全驾驶从卡车卸货位置到建筑物顶部的长距离;

(2).等待精细管理和铸造的人工干预;

(3).在清空水桶时轻轻向上抽出;

(4).跟随预先长途航行返回卡车;

(5).轻轻地，准确地将空桶“降落”在卡车旁边的地面上。

操作员应该能够通过简单的按钮指令并根据这些预先设定的部分路径运输起重机，同时保持完全控制和手中的责任，并随意选择人工干预。

整个任务涉及每层楼几百个类似周期，将更快、更安全、更高效地完成。此外，如到目前为止所描述的，当铲斗到达铸造区域附近时，操作者必须依赖于来自铸造人员领班的指令或信号形式的反馈来干预每个循环。然而，通过额外的改进和安全预防措施以及已经到位的计算机控制的自动系统，操作员可以将一些有限的操作能力委派给前任，并让他在借助于一个简单的遥控器来执行这一小部分精细操作。这样的遥控器可以集成到他的“对讲机”双向无线电通信设备中，只有当起重机操作员通过同时按下在他的仪表盘上特殊的“启用工头”明确授权他时才能生效。

2.4其他改进

有许多其他改进可以与计算机控制的起重机结合使用，但它们的细节超出了本文的范围。 它们包括，例如：“后平衡”的自适应控制，它可以大幅度增加起重机的稳定性; 遥控附件; 自动定向摄像机; 摇摆和摇摆的阻尼; 先进的安全装置; 例如，在[4,5]中可以找到有关自动化和机器人技术的先进传感器的一般信息。

3 起重机自动化的主要部件

为了实现前面描述的基本特征，起重机应配备以下七种类型的“高科技”设备：

(1).中央处理单元（CPU）具有足够的内存和计算能力。

(2).具有多个输入/输出连接的控制器，用于控制接头的电机并处理反馈信号。

(3).人机界面（MMI）带有一个小键盘和几行字母数字显示（这个可以在之后被增强到彩色图形显示）。

(4).编码器或脉冲发生器（安装在起重机的每个接头上，以监控其运动）。

(5).传感器，限位开关和其他设备，用于编码器的常规校准或安全目的。

(6).具有多个“智能对讲机”设备的无线遥控系统，将在现场的关键工头之间进行分配。

(7).速度调节器连接到每个接头的电机，以确保吊钩的平稳加速和减速，从而最大限度地减少结构疲劳以及负载的摆动和摆动。

图2是这些组件的示意性框图。大多数组件不需要干扰起重机接线。安装可以是辅助安装，因此不会破坏现有的手动操作。如果由于任何原因（例如，如果临时操作员未经过自动操作），最好手动操作，应该有一个主选择器可以从“自动”切换到“手动”，并且会立即恢复常规手动操作。这是一个重要的特征，可以在心理上极大地缓和任何创新的接受度。旧的和熟悉操作的“安全网”总是存在的以防止复杂的自动系统发生故障或操作员不愿意或无法使用它的情况发生。

图2 起重机自动化的主要部件

4 通过系统的信息流

图3 最初MMI“草图”，拥有10位数键盘和12个功能键

与系统的接口是MMI，其“草图”形式如图3所示。经验丰富的起重机操作员只需几个小时的培训即可开始使用自动选项。培训的重点应放在安全方面和有效战略上，而不是基本操作上。 MMI的操作与数百万根本没有接受过培训的普通人(持有信用卡或其他银行卡的人)每天使用的ATM（自动柜员机）一样简单。就像ATM一样，起重机的MMI包括一个小型显示屏“屏幕”和一个十位数的键盘以及十几个功能键。附录A演示了逐步学习完整周期的过程。本质上，其原理是起重机工作范围内的不同点通过吊钩被实际带到需要的位置并被分配一个代码号来存储在机器的内存中。每一个这样的点都是由起重机连接的编码器所定义的关节位置来记忆的。例如，如果操作员想要将挂钩发送到点17，则按下以下键：“转到”，“1”，“7”，“输入”。计算机立即从存储器中检索每个关节的“目标位置”，以便将钩子带到点17.它还从适当的“当前位置”寄存器“读取”每个关节的当前位置，这些寄存器可以实时更新关节的每一个动作。对这些数据对的快速比较（“目标位置”减去“当前位置”）使几个同时指令控制器可以以正确的方向和正确的速度操作每个电动机，以便关闭目标和每个关节的当前位置之间的“间隙”。与此同时，速度调节器也开始运行，将速度从零增加到选定的最大速度（如果距离足够大到可以达到全速），则会逐渐增加速度。同时，连接到接头的编码器连续产生电脉冲，将它们作为“反馈”发送到控制器，在那里它们被立即转换成数字化信息，反映每个关节变化时的“当前位置”。 CPU以非常短的间隔（例如，每100毫秒）“读取”信息，并“决定”何时开始按照预先设定的方式减速每个电动机。因此，吊钩以平滑的轨迹接近目标，并在其上进行精确的软着陆。可编程控制器（带有内置CPU）和三个速度调节器并排安装在图4所示的电路板上，而使用的标准编码器如图5​​。实际上，该软件比这个简化的解释更为复杂：例如，另一个特征是沿着路径定义几个“通过点”，以确保吊钩拥有一个安全的路线，它们必须在没有执行“着陆程序”情况下通过其附近（具有较大的容忍度）。一旦吊钩到达“通过点”附近，“目标位置”就自动改变到路径的下一个点。另一项增强功能包括各种用于避免碰撞和其他安全和校准目的的外部设备。这些可能会中断正常反馈环路并覆盖其指令，而不会丢失任何信息。第三个重要特征是用于校正“过冲”的自动程序。当这些发生时，它会以预设的精度将吊钩带回目标。

图4 外部安装的自动化系统的主板

图5样机中使用的典型编码器

5测试已安装的系统

如前所述，整个系统是由商业上可用的组件的“内部”组装而成。它安装在现有且已有15年历史的载重5吨的高架桥式起重机上，如图6所示。它一直服务于一个位于Technion校园内的大厅，用于测试位于以色列国际建筑研究所的结构建筑构件。在其大部分功能中，这种起重机类似于典型的建筑起重机，但其便利的室内位置，以及它不易被占用的事实，与对其表现的系统测试一样允许通过各种组件和安装模式的替代方案进行全面的实验。后者分为两大类——空间表现和时间表现，它们总结在表1中。到目前为止已经进行了两轮测试，第一轮的经验正在为第二轮做准备。表1中显示的结果来自第二轮，其仍然可以通过硬件和/或软件改进来完善（如果需要的话）。

表1 性能测试的简明结果

测试项目

特定测试

简明结论

空间表现

准确性

在2至10厘米之内，具体取决于具体的关节

重复性

在1至4厘米内，具体取决于具体的关节

路径导航

必须在特定的“慢动作”测试循环期间预先插入或插入关键的“直通点”

时间表现

远距离

节省时间在15％到40％之间，具体取决于路径的复杂程度

精细操纵

节省高达60％，具体取决于所需的精度

图6 样机总体视角

5.1 空间表现

此类测试涉及以下要求：

准确性：从起重机工作范围内的任意点，在预先记录的位置检查到达的绝对准确度，在记录时非常精确地标记（“转到”）。对每个关节单独检查准确性，并在起重机容量范围内对不同负载进行检查，以发现其中的任何滑动或系统误差。

重复性：指系统在两点之间来回运行的一致性，每个点分散进行。重复性通过多个循环中结果的分散来测量而不管它们的绝对位置如何。它应该在类似条件和相同负载下测量。

路径导航：检查钩子实际上遵循预先安全路径的程度。以发现是否需要（额外）“通过点”来确保无碰撞旅程。这些测试产生了一些关于广泛的经验教训重要的启发式规则，用于插入旨在避开障碍物的关键通过点。

前两组测试是在一个由精确尺寸的钢块组成的重型紧凑负载下进行的，如图7所示。第三组测试以及下面的两个时间性能测试都是在大型钢架（图8）的帮助下进行的。

图7 准确性和重复性测试

图8 路径导航和时间性能测试

5.2 时间表现

关于可节省的时间，进行了两种类型的测试：

长途导航

全文共10343字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[211]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章