數(shù)字化智能排繩器的設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)字化智能排繩器的設(shè)計與實現(xiàn)

0數(shù)字化智能排繩器隨著工業(yè)化的發(fā)展和進步，與鋼絲繩防護裝置相結(jié)合的繩排權(quán)限機構(gòu)非常廣泛。應(yīng)用于煤礦開采小絞車中的傳統(tǒng)排繩機構(gòu)存在許多問題:①由于在排繩過程中不能對誤差進行自主補償而出現(xiàn)誤差累積,從而不能長時間連續(xù)、有序地排繩;②由于跟隨不精確、換向不及時而出現(xiàn)壓繩、咬繩、絞繩現(xiàn)象,容易造成鋼絲繩磨損甚至斷繩,降低了鋼絲繩的使用壽命。針對上述問題,本文設(shè)計了一種數(shù)字化智能排繩器。該排繩器實現(xiàn)了實時、精確跟隨和準確、及時的自動換向,適用于煤礦開采行業(yè)生產(chǎn)過程中長時間的連續(xù)排繩;具有誤差自主補償?shù)哪芰?排繩效果好,不會出現(xiàn)壓繩、咬繩、絞繩、排繩紊亂的現(xiàn)象,大大提高了鋼絲繩的使用壽命。1數(shù)字智能立范器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計1.1控制處理器、傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼、糾偏裝置組成數(shù)字化智能排繩器主要由伺服電動機、控制處理器、角位移傳感器、左右換向傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、絲桿、導(dǎo)繩輪、糾偏裝置組成,其結(jié)構(gòu)三維圖如圖1所示。1.2伺服電機控制信號與糾偏裝置設(shè)計安裝在卷揚機滾筒軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器檢測鋼絲繩在滾筒上的精確位置,并將檢測結(jié)果發(fā)送給控制處理器;控制處理器對檢測結(jié)果進行處理后,發(fā)出伺服電動機的控制信號;伺服電動機轉(zhuǎn)動并帶動絲桿轉(zhuǎn)動,從而帶動導(dǎo)繩輪移動,實現(xiàn)實時跟隨。在跟隨過程中,糾偏裝置通過安裝在其后面的角位移傳感器檢測誤差值,并控制處理器進行相應(yīng)的誤差補償。當(dāng)導(dǎo)繩輪移動到兩端時,左右換向傳感器感應(yīng)到導(dǎo)繩輪的位置,控制處理器及時地發(fā)出換向指令,實現(xiàn)準確、及時的自動換向。1.3數(shù)字智能立鉤器的重要部件設(shè)計1.3.1絲桿的排繩與直徑絲桿的設(shè)計主要包括絲桿直徑、行程、螺距的確定。為了保證排繩器與滾筒的同步排繩,設(shè)計時需保證絲桿行程L與滾筒的寬度d相等。絲桿的直徑由絲桿的行程、導(dǎo)程和精度等級共同決定。絲桿的螺距由最大軸向移動速度Vmax、伺服電動機到絲桿之間的減速比i和伺服電動機的最大轉(zhuǎn)速nmax決定,螺距計算公式為1.3.2數(shù)字化智能排繩器通過設(shè)置一種最大扭矩來體現(xiàn)伺服電動機的選擇需考慮工作電壓、電動機類型、功率、轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動器類型等。在數(shù)字化智能排繩器中所用的伺服電動機主要要求轉(zhuǎn)矩大于絲桿工作過程中產(chǎn)生的最大扭矩。令出繩點經(jīng)過排繩器到滾筒入繩點的距離為S,出繩點與入繩點在水平方向的距離為C,在數(shù)字化智能排繩器工作過程中鋼絲繩受到的最大載荷拉力為F,導(dǎo)繩輪裝置的質(zhì)量為m,重力加速度為g,絲桿傳動的摩擦力為μ,則絲桿受到的最大軸向載荷為絲桿受到的最大扭矩為式中:η為絲桿的傳動效率。所選伺服電動機的額定轉(zhuǎn)矩TN應(yīng)為絲桿最大扭矩的1.5倍:伺服電動機的額定功率Pe可由額定轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速n決定:2連接數(shù)字智能設(shè)備的實現(xiàn)2.1旋轉(zhuǎn)編碼配合問題的描述在排繩過程中,伺服電動機通過改變轉(zhuǎn)速和方向來實現(xiàn)鋼絲繩在滾筒和導(dǎo)繩輪上的同步移動。設(shè)旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率為K,每秒鐘檢測的脈沖數(shù)為M,鋼絲繩直徑為D2,絲桿螺距為D1,卷揚機的轉(zhuǎn)速為R,則R=M/K,為了保證伺服電動機與卷揚機的同步跟隨,要滿足RD2=rD1。根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的實時檢測數(shù)據(jù),可得伺服電動機的理論跟隨轉(zhuǎn)速r=(MD2)/(KD1)。由于受旋轉(zhuǎn)編碼器檢測精度、伺服電動機響應(yīng)時間、伺服電動機控制精度等因素的影響,同步跟隨存在跟隨誤差。本文采用前饋控制和PID控制算法相結(jié)合的方法,實現(xiàn)伺服電動機的位置閉環(huán)控制,從而實現(xiàn)誤差補償和精確控制。在PID閉環(huán)控制算法中,將導(dǎo)向輪所在的實際位置作為控制系統(tǒng)的反饋,該位置可通過伺服電動機的實際輸出得到。而旋轉(zhuǎn)編碼器檢測的鋼絲繩在滾筒上的位置是導(dǎo)向輪在絲桿上的理論位置。將2個位置數(shù)據(jù)進行比較,得到跟隨位置誤差,再通過PID控制提高步進跟隨的精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。前饋控制將上個采樣周期中導(dǎo)向輪位置的實際測量結(jié)果與理論計算結(jié)果進行比較,分析數(shù)字化智能排繩器的誤差產(chǎn)生趨勢,并用該趨勢得到下一個周期的修正系數(shù),從而達到事先減小偏差的目的,實現(xiàn)誤差補償。前饋控制使得跟隨動作更加及時,跟隨更加敏捷,實時性更強。PID控制和前饋控制原理如圖2所示。其中,r(t)為排繩輪理論位置,u(t)為排繩輪實際位置,e(t)為排繩輪位置誤差,c(t)為PID控制后伺服電動機實際設(shè)定位置,o(t)為上個周期中伺服電動機的轉(zhuǎn)速。2.2自動換向控制準確、及時自動換向的實現(xiàn)原理:首次上電檢測獲得排繩的單周期行程S2,然后即可在每次換向時將伺服電動機的輸出距離變量清零,重新計算伺服電動機的輸出距離,當(dāng)輸出距離到達單周期行程S2時進行換向,并將距離變量再次置零,從而實現(xiàn)準確及時的換向。實現(xiàn)自動換向的關(guān)鍵是單周期行程S2的確定。在排繩輪移動到某一端時,安裝在該端的換向傳感器會獲得感應(yīng)信號,此時將伺服電動機的輸出距離變量清零,導(dǎo)繩輪繼續(xù)移動。伺服電動機接收到控制處理器的輸出指令后,會做出相應(yīng)的跟隨、減速、停止、換向、加速等動作。伺服電動機執(zhí)行到停止時,保存伺服電動機的輸出距離S1,同時將輸出距離變量清零。伺服電動機換向加速后繼續(xù)跟隨,直至感應(yīng)到另一端的換向傳感器,保存伺服電動機的輸出距離S3,從而可得單周期行程S2=S1+S3。左右換向傳感器在計算單周期行程S2時起到了不可缺少的作用,在數(shù)字化智能排繩器接下來的循環(huán)工作過程中,左右換向傳感器每個周期行程都會被感應(yīng)。控制處理器接收左右換向傳感器的感應(yīng)信號,判斷數(shù)字化智能排繩器是否有序工作,從而起到程序保護的作用。2.3智能排繩器的工作原理數(shù)字化智能排繩器綜合采用了前饋控制和PID控制算法,實現(xiàn)了對伺服電動機位置的閉環(huán)控制,達到了精確跟隨的目的。同時,數(shù)字化智能排繩器采用了一套誤差補償裝置,以確保在實際跟隨不同步的情況下,能夠得到及時、有效的補償。鋼絲繩經(jīng)過糾偏裝置,再經(jīng)過導(dǎo)繩輪,最后纏繞在滾筒上。數(shù)字化智能排繩器跟隨時可能滯后或者超前,鋼絲繩會帶動糾偏裝置的左右圓桿旋轉(zhuǎn)某個角度,此時安裝在糾偏裝置后方的角位移傳感器感應(yīng)到偏轉(zhuǎn)的角度,并將檢測信號輸入控制處理器;控制處理器接收到該信號后,進行運算處理,并輸出信號控制伺服電動機加速或者減速。3數(shù)字化智能排繩器控制部分為了說明數(shù)字化智能排繩器的應(yīng)用效果,介紹一個數(shù)字化智能排繩器在煤礦開采小絞車中的應(yīng)用實例。與數(shù)字化智能排繩器相關(guān)的技術(shù)參數(shù)見表2。根據(jù)上述技術(shù)參數(shù)和1.3節(jié)中的計算公式,進行數(shù)字化智能排繩器重要機械部件的選型。絲桿的行程L=d=800mm,通過計算得到絲桿的導(dǎo)程Dh為2.67mm,查機械設(shè)計手冊,取Dh為5mm。由于數(shù)字化智能排繩器對絲桿沒有嚴格的定位精度要求,只需要滿足重復(fù)精度即可,所以精度等級選為C7級;根據(jù)計算出的絲桿行程和導(dǎo)程,查機械設(shè)計手冊,選擇絲桿外徑為30mm。通過式(2)、式(3)計算可得,絲桿受到的最大軸向載荷為109.3N,最大扭矩為15.47N·m。所選伺服電動機的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為最大扭矩的1.5倍,即伺服電動機的額定轉(zhuǎn)矩TN為23.2N·m,查找伺服電動機選型手冊,選擇額定轉(zhuǎn)矩為25N·m。通過式(5)計算可得額定功率為2.6kW,查找伺服電動機選型手冊,取伺服電動機額定功率為3kW,額定轉(zhuǎn)矩為25N·m,額定轉(zhuǎn)速為1000r/min。數(shù)字化智能排繩器控制部分,實時、精確跟隨模塊程序的中斷周期為20ms,旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率選擇2000。左右換向傳感器選用高靈敏度的電感式傳感器,能夠精確檢測信號,使得自動換向更加及時、有效。角度傳感器選用高靈敏度、非接觸式的角度傳感器,可以精確地檢測出鋼絲繩的傾斜狀況。信號采集模塊采樣周期為10ms,能夠快速地采集鋼絲繩的傾斜情況并傳送到處理器中進行運算處理,處理器發(fā)出相應(yīng)的補償信號,從而實現(xiàn)誤差實時、精確補償,使得排繩的同步性更加