專利名稱：起重機格雷母線通信定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種起重機的定位系統(tǒng)，特別是一種起重機格雷母線通信定位系統(tǒng)。
技術(shù)背景現(xiàn)有的起重機大都采用人為操縱控制行車和起重，在吊裝位置只能靠操縱者人為地觀察起重臂和起重小車的行車位置，并憑借的經(jīng)驗判斷，準確度低，而且在過程中很難保證不發(fā)生碰撞、掉道等事故，不利于安全生產(chǎn)。
實用新型內(nèi)容本實用新型克服了上述缺點，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、定位精確、安裝維護方便的起重機格雷母線通信定位系統(tǒng)。
本實用新型解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是一種起重機格雷母線通信定位系統(tǒng)，包括與起重臂軌道并行的第一格雷母線和與起重小車軌道并行的第二格雷母線，所述第一格雷母線連接有地址編碼發(fā)射/接收器，起重臂上設(shè)置有天線和與所述第一天線相連的地址編碼接收/發(fā)射器，所述第二格雷母線連接有地址編碼發(fā)射/接收器，起重小車上設(shè)置有第二天線和與所述第二天線相連的地址編碼接收/發(fā)射器，所述格雷母線中包括至少兩對芯線，其中一對為相互平行的基準線，其余各對地址線為每隔一個步長交叉一次的地址線，每對地址線的步長各不相同，分別為最小步長的2i倍，其中i＝0，1，2......。
還可包括一個與所述格雷母線并行的感應(yīng)環(huán)線，所述感應(yīng)環(huán)線連接有感應(yīng)通信單元，所述起重臂上設(shè)置有與天線相連的感應(yīng)通信單元。
所述與地址編碼發(fā)射器或地址編碼接收器相連的天線可包括參數(shù)相同、方向相同的主線圈和副線圈，所述主線圈比副線圈與所述格雷母線之間的距離近。
所述起重臂上的感應(yīng)通信單元、與第一天線相連的地址編碼接收/發(fā)射器和與所述第二格雷母線相連的地址編碼接收/發(fā)射單元可分別與一個可編程控制器相連。
所述格雷母線還可包括與至少一對地址線步長相等，且錯開半個步長的地址線。
所述格雷母線的最小步長可為20～400毫米，較佳值為200毫米。
所述格雷母線的總長度可為2n-1*W，其中，n為地址線的對數(shù)，W為最小步長。
本實用新型通過安裝在起重臂的天線和敷設(shè)在起重臂軌道旁的格雷母線進行電磁耦合，通過移動站位置檢測方式來傳遞起重臂的位置信息，同時通過安裝在起重小車上的天線和敷設(shè)在起重小車軌道旁的格雷母線進行電磁耦合，通過固定站位置檢測方式來傳遞起重小車的位置信息，使檢測過程無機械性接觸磨損，能夠?qū)崿F(xiàn)起重機的自動走行、自動堆取料，防止起重機兩端掉道，防止起重機發(fā)生碰撞等事故。由于格雷母線芯線以格雷碼方式交叉扭絞排列，保證格雷母線芯線全程無重疊的交叉點，能夠在移動物體行走范圍內(nèi)連續(xù)地、高精度地檢測絕對地址，檢測精度達5毫米，完全可以滿足起重機位置的精確定位的需求；而且由于格雷母線使用了特有的交叉扭絞結(jié)構(gòu)及相位檢測技術(shù)，能夠消除電源開、停過程中產(chǎn)生的電磁干擾，也不受環(huán)境噪音和接收信號電平波動的影響，能夠在諸如鐵礦石場等惡劣環(huán)境條件中長期可靠的工作；此外，安裝在室外的格雷母線、天線箱、始端箱、終端箱和段間箱采用非金屬材料制作而且采用密封工藝，不怕雨水、灰塵，耐酸、堿腐蝕。


圖1為本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本實用新型中格雷母線的電纜芯線展開圖圖3為本實用新型中固定站檢測方式的工作原理圖圖4為本實用新型中移動站檢測方式的工作原理圖圖5為本實用新型中精密地址檢測工作原理圖圖6為本實用新型中線圈箱與格雷母線分布示意圖具體實施方式
如圖1所示，本實用新型包括與起重臂軌道并行的格雷母線1和起重小車軌道并行的格雷母線2，兩對感應(yīng)環(huán)線(圖中未標示)與所述格雷母線1并行，用于數(shù)據(jù)感應(yīng)通信，所述格雷母線1的兩端設(shè)置有始端箱11和終端箱12，地址編碼發(fā)射器13通過所述始端箱11與所述格雷母線1相連，地址編碼接收器14與天線箱Y1相連，并設(shè)置在移動的起重臂的操作室中，感應(yīng)通信單元31也通過所述始端箱11與所述感應(yīng)環(huán)線3相連，另一感應(yīng)通信單元32與天線箱Y2相連，也設(shè)置在所述移動的起重臂操作室中，所述格雷母線2的兩端也設(shè)置有始端箱21和終端箱22，所述地址編碼接收器24通過所述始端箱21與所述格雷母線2相連，且也設(shè)置在所述起重臂操作室中，地址編碼發(fā)射器連接有天線箱Y2，并設(shè)置在起重小車上。所述感應(yīng)通信單元32、地址編碼接收器14和24都分別與可編程控制器4相連。
本實用新型中采用了兩種檢測方式，即固定站檢測方式和移動站檢測方式，所述對起重臂位置檢測即采用移動站檢測方式，而對起重小車位置的檢測則采用固定站檢測方式。以下對兩種檢測方式的工作原理和過程做詳盡描述。
(一)起重小車位置檢測所述格雷母線為以格雷碼方式排列的檢測母線，包括電纜護套和由所述電纜護套包裹的電纜芯線和模芯，所述電纜芯線如圖2中所示，所述電纜芯線有兩種，即基準線R線和地址線G0線-G9線，基準線R線在整個格雷母線段中不交叉，用于獲取標準信號，地址線用于檢測地址。各對地址線按不同步長規(guī)律編排，每隔一個步長交叉一次，設(shè)格雷母線的最小步長為W，則G0、G1、G2…G8、G9步長分別為20W、21W、22W……28W、29W，即1W、2W、4W…256W、512W。
通過上述布置的地址線，可實現(xiàn)絕對地址的檢測，移動站(即起重小車23)上安裝一個帶有發(fā)射天線的天線箱，天線箱距離格雷母線電纜8～20CM，天線箱發(fā)射的高頻信號通過電磁感應(yīng)被起重臂上的的格雷母線電纜接收，R線為平行敷設(shè)的一對線，接收到的信號作為基準信號，G0～G9在不同的位置有不同的交叉點，其接收到的信號在經(jīng)過偶數(shù)個交叉后，相位與基準信號相同，在經(jīng)過奇數(shù)個交叉點后，相位與基準信號的相位相反，若規(guī)定同相位時地址為“0”，反相位時地址為“1”，則在格雷母線電纜的某一位置得到唯一10位的地址編碼，此對應(yīng)于起重小車的一個地址。
如圖3中所示，通過一個最小的地址檢測系統(tǒng)來描述固定站檢測方式工作原理，該系統(tǒng)中的格雷母線僅由一對交叉的地址線和一對平行的基準線組成。當移動站的天線線圈中通入交變電流時，在天線附近會產(chǎn)生交變磁場，由于天線離格雷母線很近(約80毫米)，故所述格雷母線近似處在一個交變的、均勻分布的磁場中，因此每對格雷母線芯線會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由所述移動站的天線發(fā)射的地址信號通過電磁耦合方式傳送到格雷母線的地址線和基準線上，并通過地址線和基準線把信號傳送到固定站的地址編碼接收器。地址編碼接收器對接收到的信號進行相位比較。當?shù)刂贰?”的地址線的信號相位與基準線的信號相位相同，那么定義移動站地址為“0”；當?shù)刂贰?”的地址線的信號相位與基準線的信號相位相反，那么移動站地址為“1”。從而實現(xiàn)了在固定站完成地址檢測。
此過程中，移動站天線箱為信號“發(fā)射天線”，固定設(shè)置的格雷母線芯線為信號“接收天線”；由固定站來檢測移動站的地址，所述移動站要獲得起重小車地址需通過無線通信方式得到。
(二)起重臂位置檢測所述格雷母線為以格雷碼方式排列的檢測母線，并如圖2中所示，這里不再贅述。
通過上述布置的地址線，可實現(xiàn)絕對地址的檢測，固定站的地址編碼發(fā)生器在TR0時刻接通標準信號線R0，首先發(fā)送一個同步頭，緊接著發(fā)送R0信號；TG0時刻接通地址線G0，發(fā)送G0信號；依次接通并向G1、G2…G8、G9發(fā)送信號。移動站的接收天線接收到同步頭信號后，下一個時間的信號便是R0，緊接著是G0、G1、G2…G8、G9。移動站上地址檢測單元根據(jù)接收到的R0信號產(chǎn)生一個標準信號，緊接著將接收到的各路地址線信號放大整形后送入進行鑒相和計數(shù)，G0、G1、G2…G8、G9信號相位與R0信號相同，若規(guī)定地址為“0”，反相位時地址為“1”，即可得到一組格雷碼。最后將格雷碼轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)即可得到移動的起重臂位置。
如圖4所示，以4個地址的檢測系統(tǒng)為例來具體描述移動檢測過程所述固定站的地址編碼發(fā)射器以同頻率分時方式分別將信號送給格雷母線標準線、地址線1、地址線2，并通過電磁耦合方式把信號傳送到移動站的天線。
移動站的地址編碼接收器按順序接收信號后，將兩對地址線的信號分別與基準線信號進行相位比較，如果地址線的信號相位與基準線的信號相位相同，那么定義地址為“0”；如果相位相反，定義地址為“1”。圖3中地址1的兩對地址線的信號相位與基準線的信號相位相同，因此地址1為“00”。地址2中的第一對地址線的信號相位與基準線的信號相位相同，第二對地址線的信號相位與基準線的信號相位相反，因此地址2為“01”。
從上面的分析可以看到，格雷母線用一對地址線可以檢測到2個地址，用二對地址線可以檢測到4個地址。實際上，用n對地址線可以檢測到2n個地址。
根據(jù)電磁學理論Φ＝S*B 其中Φ為磁通量，S為線圈面積，B為電磁強度。
e＝N*dΦ/dt 其中e為感應(yīng)電壓，N為線圈的匝數(shù)。
理論上講，只要將格雷母線最小步長W取得足夠小，格雷母線定位精度就可以做得很高，但在工程上由于格雷母線芯線、天線尺寸誤差、起重擺動，磁場分布不均勻性，以及外界干擾等因素，格雷母線最小步長W取值受到一定限制。W取得太小，電磁感應(yīng)面積變小，地址檢測的信噪比低，造成地址不穩(wěn)定。根據(jù)工程經(jīng)驗，W＝200毫米較好。
格雷母線最小步長W根據(jù)定位精度來確定，電纜長度由格雷母線芯線的數(shù)量和最小步長W確定。一般來說絕對定位精度μ＝W/2(其中W為格雷母線最小步長)格雷母線長度L＝2n*μ (其中n為格雷母線芯線的數(shù)量)通過上面的分析我們知道當格雷母線最小步長W＝200毫米時，大地址的檢測精度為μ＝W/2＝200/2＝100毫米。
如果格雷母線地址線為10對(G0-G9)，當W＝200毫米時，則格雷母線長度為L＝210*100(毫米)＝102.4米。
格雷母線長度可依工程需要而定，單根格雷母線長度可達102.4米，多根格雷母線可拼接以滿足工程需要。
地址線G0步長200毫米，在100毫米開始交叉；G1步長400毫米，在200毫米開始交叉；G2步長800毫米，在400毫米開始交叉，……；G8步長51.2米，在25.6米交叉一次，；G9步長102.4米，在51.2米交叉一次。
選擇那一種地址檢測工作方式要根據(jù)控制系統(tǒng)的需求來考慮決定。如果控制系統(tǒng)的重心在移動站上，則采用移動檢測方式較好；如果控制系統(tǒng)的重心在固定站，則采用固定檢測方式較合適。
此外，可以在所述格雷母線中增加一對地址線L0，如圖4中所示，所述地址線L0的步長即交叉間隔跟G0一樣，只是錯開半個步長。
與絕對地址檢測方法一樣，精密地址也分為固定站檢測方式和移動站檢測方式。兩種工作方式原理相同，這里以固定站檢測方式為例，在格雷母線電纜中增加一對地址線L0，其交叉間隔跟G0一樣，只是錯開半個最小步長。
如圖5所示，G0，L0兩對線的交叉間距一致，均為200毫米，且錯開100毫米，其中R線為基準線，不交叉。
當移動站的天線線圈中通入交變電流時，地址線G0、L0產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢如下V0＝-N*dΦ0/dt ....................(1)V1＝-N*dΦ1/dt ....................(2)Φ＝S*B..... ... ..........(3)其中，V0、V1——電纜芯線G0、L0上感應(yīng)電動勢信號幅度；dΦ0、dΦ1——通過電纜芯線G0、L0的磁通變化量；N——格雷母線芯線圈數(shù)，在這里N＝1；B——磁場強度；S——磁場作用在電纜芯線G0、L0上的有效面積；設(shè)S0是磁場作用在芯線G0上的有效面積，S1是磁場作用在芯線L0上的有效面積，H為電纜的寬度，W為格雷母線芯線的最小步長。當移動站上的天線按圖5中方式移動時(移動距離為X，X＜100毫米)。
則V0＝-dΦ0/dt＝-BdS0/dt＝-Bd(HW-2HX)/dt ....(4)V1＝-dΦ1/dt＝-BdS1/dt＝-Bd(2HX)/dt....(5)在同一時間間隔內(nèi)，由(4)/(5)得V0/V1＝W/2X-1 ....(6)格雷母線安裝好后，當天線信號源不變時，由式(6)可知，當X＜100毫米范圍內(nèi)，V0/V1與X成線性關(guān)系。由于G0、L0的交叉間距相同且錯開100毫米，故在100毫米間距的每個位置總有一個V0/V1比值對應(yīng)，且這個比值不受環(huán)境噪音和接收信號電平波動的影響。
將V0、V1整流，A/D轉(zhuǎn)換得數(shù)字量，V0、V1送入CPU，計算V0/V1，此比值對應(yīng)于大地址內(nèi)(0→100毫米)的一個地址，其檢測精度為μ/m，m為大地址細分的等分數(shù)。理論上如果將V0/V1比值無限細分，可以獲得非常高的檢測精度，但是由于工藝條件的限制，地址細分數(shù)不可能很大，根據(jù)工程經(jīng)驗，細分數(shù)取20較好。例如，如果格雷母線得到的大地址精度為100毫米，細分數(shù)為20，則精密地址精度＝100/20＝5毫米。
所述線圈箱中包括主線圈和副線圈，如圖6中所示，所述主線圈與副線圈參數(shù)一樣，同向連接，主線圈距感應(yīng)電纜信號輻射范圍近，副線圈距感應(yīng)電纜信號輻射范圍遠。由于主線圈與副線圈有距離差，對地址感應(yīng)信號來說，兩個線圈接收的信號強弱有差異；對干擾信號來說，兩個線圈接收的信號強弱相當。信號強弱有差異；對干擾信號來說，兩個線圈接收的信號強弱相當。這樣，通過對G0線和L0線的采集和比較，既能夠消除電源開、停過程中產(chǎn)生的電磁干擾，又不降低位置檢測天線的接收靈敏度，較比同軸分布的差分線圈造成系統(tǒng)信噪比要低很多。
本實用新型的主要有益效果在于通過安裝在起重臂的天線和敷設(shè)在起重臂軌道旁的格雷母線進行電磁耦合，通過移動站位置檢測方式來傳遞起重臂的位置信息，同時通過安裝在起重小車上的天線和敷設(shè)在起重小車軌道旁的格雷母線進行電磁耦合，通過固定站位置檢測方式來傳遞起重小車的位置信息，使檢測過程無機械性接觸磨損；由于格雷母線芯線以格雷碼方式交叉扭絞排列，保證格雷母線芯線全程無重疊的交叉點，能夠在移動物體行走范圍內(nèi)連續(xù)地、高精度地檢測絕對地址，檢測精度達5毫米，完全可以滿足起重機位置的精確定位的需求；而且由于格雷母線使用了特有的交叉扭絞結(jié)構(gòu)及相位檢測技術(shù)，能夠消除電源開、停過程中產(chǎn)生的電磁干擾，也不受環(huán)境噪音和接收信號電平波動的影響，能夠在諸如鐵礦石場等惡劣環(huán)境條件中長期可靠的工作；此外，安裝在室外的格雷母線、天線箱、始端箱、終端箱和段間箱采用非金屬材料制作而且采用密封工藝，不怕雨水、灰塵，耐酸、堿腐蝕。
此外，所述感應(yīng)環(huán)線按一定間隔沿格雷母線鋪設(shè)，通過感應(yīng)通信方式實現(xiàn)起重機與控制站的雙向通訊，通過電磁耦合在信號發(fā)出和信號接收之間傳送信息，使用頻率鍵控(FSK)方式調(diào)制，使用相干解調(diào)，標準通信速率4800bps或9600bps，由于所述采用感應(yīng)環(huán)線的感應(yīng)通信方式為本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)，這里不再贅述。
以上對本實用新型所提供的起重機格雷母線通信定位系統(tǒng)進行了詳細介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本實用新型的思想，在具體實施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本實用新型的限制。
權(quán)利要求1. 一種起重機格雷母線通信定位系統(tǒng)，其特征在于包括與起重臂軌道并行的第一格雷母線和與起重小車軌道并行的第二格雷母線，所述第一格雷母線連接有地址編碼發(fā)射/接收器，起重臂上設(shè)置有天線和與所述第一天線相連的地址編碼接收/發(fā)射器，所述第二格雷母線連接有地址編碼發(fā)射/接收器，起重小車上設(shè)置有第二天線和與所述第二天線相連的地址編碼接收/發(fā)射器，所述格雷母線中包括至少兩對芯線，其中一對為相互平行的基準線，其余各對地址線為每隔一個步長交叉一次的地址線，每對地址線的步長各不相同，分別為最小步長的2i倍，其中i＝0，1，2......。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的起重機格雷母線通信定位系統(tǒng)，其特征在于所述與地址編碼發(fā)射器或地址編碼接收器相連的天線包括參數(shù)相同、方向相同的主線圈和副線圈，所述主線圈比副線圈與所述格雷母線之間的距離近。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的起重機格雷母線通信定位系統(tǒng)，其特征在于還包括一個與所述格雷母線并行的感應(yīng)環(huán)線，所述感應(yīng)環(huán)線連接有感應(yīng)通信單元，所述起重臂上設(shè)置有與天線相連的感應(yīng)通信單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的起重機格雷母線通信定位系統(tǒng)，其特征在于所述起重臂上的感應(yīng)通信單元、與第一天線相連的地址編碼接收/發(fā)射器和與所述第二格雷母線相連的地址編碼接收/發(fā)射單元分別與一個可編程控制器相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的起重機格雷母線通信定位系統(tǒng)，其特征在于所述格雷母線還包括與至少一對地址線步長相等，且錯開半個步長的地址線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的起重機格雷母線通信定位系統(tǒng)，其特征在于所述格雷母線的最小步長為20～400毫米，較佳值為200毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的起重機格雷母線通信定位系統(tǒng)，其特征在于所述格雷母線的總長度為2n-1*W，其中，n為地址線的對數(shù)，W為最小步長。
專利摘要本實用新型涉及一種起重機的定位系統(tǒng)，特別是一種起重機格雷母線通信定位系統(tǒng)。通過安裝在起重臂的天線和敷設(shè)在起重臂軌道旁的格雷母線進行電磁耦合，通過移動站位置檢測方式來傳遞起重臂的位置信息，同時通過安裝在起重小車上的天線和敷設(shè)在起重小車軌道旁的格雷母線進行電磁耦合，通過固定站位置檢測方式來傳遞起重小車的位置信息，使檢測過程無機械性接觸磨損，能夠?qū)崿F(xiàn)起重機的自動走行、自動堆取料，防止起重機兩端掉道，防止起重機發(fā)生碰撞等事故。
文檔編號B66C1/36GK2915813SQ20062001220
公開日2007年6月27日 申請日期2006年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月18日
發(fā)明者張明華, 梁能志, 黎寧 申請人:武漢利德測控技術(shù)股份有限公司