專利名稱：一種幅度限制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種幅度限制裝置及方法，是利用嵌入式技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的用于計(jì)算并限制伸縮臂作業(yè)幅度的ー種安全保護(hù)裝置，適用于具有伸縮臂架型式的工程機(jī)械車的防傾翻安全控制，特別是伸縮臂式高空作業(yè)車、イ申縮臂式起重機(jī)的作業(yè)幅度安全限制。
背景技術(shù)：
伸縮臂式是ー種典型結(jié)構(gòu)的工程機(jī)械車臂架型式，可以使整個(gè)臂架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，特別是在起重機(jī)、高空作業(yè)車中，其應(yīng)用越來越多。一般來講，伸縮臂式臂架由回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)、變幅關(guān)節(jié)、伸縮關(guān)節(jié)組成，使其臂架具有更好的靈活性和更廣的可達(dá)空間，但這種臂架型式會(huì)帶來ー個(gè)新的問題，即在高空作業(yè)車、起重機(jī)中應(yīng)用時(shí)，由于臂架的伸出可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)車體的重心發(fā)生很大變化，一旦整個(gè)重心處于四條支腿所確定的矩形之外，則會(huì)發(fā)生傾覆事故，造成災(zāi)難性后果。因此，對(duì)于伸縮臂式工程機(jī)械車而言，有效地限制臂架的運(yùn)動(dòng)范圍，避免傾覆事故的發(fā)生是ー個(gè)非常重要的問題。在工程應(yīng)用中，常常通過作業(yè)幅度限制的辦法實(shí)現(xiàn)防傾翻控制，即通過離線計(jì)算得到ー種在最大負(fù)荷下不同作業(yè)方位角度下整車的最大安全工作幅度，而在實(shí)際工作過程中通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作幅度的變化，使其限制在安全范圍以內(nèi)，保證作業(yè)的安全性。幅度限制器可以分為機(jī)械式和電子式兩種，機(jī)械式往往與臂架型式有直接關(guān)系，使用不靈活，已逐漸被電子式所代替。電子式幅度限制器中需要對(duì)回轉(zhuǎn)角度、伸縮臂長(zhǎng)、俯仰角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)時(shí)作業(yè)幅度。一般情況下，回轉(zhuǎn)角度采用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量，俯仰角度采用電子式或機(jī)械式傾角傳感器測(cè)量，臂長(zhǎng)采用拉線式傳感器測(cè)量。各個(gè)測(cè)量值往往通過電流或電壓信號(hào)傳遞給幅度限制控制器。但由于臂架一般都較長(zhǎng)，模擬量的方式往往會(huì)對(duì)信號(hào)的精度存在很大影響，造成計(jì)算的作業(yè)幅度與實(shí)際作業(yè)幅度有很大偏差。另外，前兩種測(cè)量手段都安裝在機(jī)構(gòu)內(nèi)部，一般都具有較好的可靠性，而拉線式測(cè)長(zhǎng)傳感器需要將多圈拉線絞盤安裝在伸縮臂的外臂(即ー節(jié)臂)上，拉線一段纏繞在絞盤上，另一端固定在套接在外臂之內(nèi)的ニ節(jié)臂上，伸縮臂在伸縮過程中帶動(dòng)拉線運(yùn)動(dòng)，通過絞盤上的多圈電位器計(jì)算伸縮長(zhǎng)度。這種方式除了測(cè)量精度較差之外，還存在一定的安全隱患，一旦作業(yè)過程中拉線斷裂或絞盤回收不及時(shí)，就會(huì)使測(cè)量的長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度存在很大差別甚至錯(cuò)誤，不能反映實(shí)際伸縮長(zhǎng)度，導(dǎo)致作業(yè)幅度計(jì)算失去依據(jù)，帶來發(fā)生傾翻事故的隱患。因此，為了提高系統(tǒng)的可靠性，保證作業(yè)的安全性，需要開發(fā)ー種新型的幅度限制裝置，避免拉線式測(cè)長(zhǎng)方式的弊端，保障臂架型工程機(jī)械車在應(yīng)用過程中的作業(yè)安全。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種新型幅度限制裝置及方法，改變傳統(tǒng)的拉線式測(cè)長(zhǎng)傳感器存在的弊端，改變模擬量信號(hào)傳輸在系統(tǒng)應(yīng)用中的誤差問題，提高伸縮臂工程機(jī)械車在作業(yè)幅度測(cè)量和計(jì)算時(shí)的精度，使計(jì)算得到的作業(yè)幅度能夠真實(shí)體現(xiàn)出其實(shí)際作業(yè)幅度值，并應(yīng)用在工程機(jī)械車的幅度限制中，確保作業(yè)過程中不會(huì)發(fā)生傾翻事故，保證作業(yè)設(shè)備和人員的安全性。
為達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種幅度限制裝置，用于計(jì)算并限制伸縮臂架型式工程機(jī)械車的伸縮臂的作業(yè)幅度，其特征在干，該裝置包括ARM控制器模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器模塊、傾角傳感器模塊和測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊；其中，所述ARM控制器模塊是所述幅度限制裝置的核心控制單元，其包括ARM處理器、電源變換模塊、CAN總線接ロ模塊、顯示屏、輸出驅(qū)動(dòng)模塊、內(nèi)部存儲(chǔ)器，所述內(nèi)部存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有離線計(jì)算出的伸縮臂在不同方位角度上的幅度限制臨界值的對(duì)應(yīng)表，所述ARM控制器模塊還通過其輸出驅(qū)動(dòng)模塊與外部的聲光報(bào)警器、開關(guān)閥繼電器相連；所述旋轉(zhuǎn)編碼器模塊用于測(cè)得伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度Θ，并將測(cè)得的伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度Θ通過CAN總線傳送給所述ARM控制器模塊；所述傾角傳感器模塊用于測(cè)得伸縮臂的俯仰角度α，并將測(cè)得的伸縮臂的俯仰角度α通過CAN總線傳送給所述ARM控制器模塊；所述測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊用于測(cè)得伸縮臂的臂長(zhǎng)L，并將測(cè)得的伸縮臂的臂長(zhǎng)L通過CAN總線傳送給所述ARM控制器模塊；所述ARM控制器模塊根據(jù)所述伸縮臂的結(jié)構(gòu)形式、接收到的俯仰角度α和臂長(zhǎng)L計(jì)算得到所述伸縮臂的作業(yè)幅度R ;根據(jù)接收到的伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度θ從所述對(duì)應(yīng)表中查得對(duì)應(yīng)的幅度限制臨界值Rh，并根據(jù)所述作業(yè)幅度R與所述幅度限制臨界值Rh的比較來控制所述開關(guān)閥繼電器的開關(guān)和所述聲光報(bào)警器，以對(duì)伸縮臂的工作幅度進(jìn)行限制或報(bào)
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目ο根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出一種幅度限制方法，用于計(jì)算并限制伸縮臂架型式工程機(jī)械車的伸縮臂的作業(yè)幅度，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟1，利用傾角傳感器獲取所述伸縮臂的俯仰角度α，利用旋轉(zhuǎn)編碼器獲取伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度Θ，利用雙向霍爾傳感器與測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條獲取所述伸縮臂的臂長(zhǎng)L ;步驟2，根據(jù)所述伸縮臂的結(jié)構(gòu)形式以及得到的俯仰角度α、臂長(zhǎng)L計(jì)算所述伸縮臂的作業(yè)幅度R ；步驟3，根據(jù)回轉(zhuǎn)方位角度Θ的值從預(yù)先存儲(chǔ)的伸縮臂在不同方位角度上的幅度限制臨界值對(duì)應(yīng)表中查得對(duì)應(yīng)所述回轉(zhuǎn)方位角度Θ的幅度限制臨界值Rh;步驟4，根據(jù)所述作業(yè)幅度R與所述幅度限制臨界值Rh的比較來對(duì)伸縮臂的工作幅度進(jìn)行限制或報(bào)警。本發(fā)明的顯著特點(diǎn)在于使用嵌入式ARM處理器分別組成ARM控制器和各個(gè)傳感器模塊，并通過CAN總線通信技木，形成了分布式的臂架參數(shù)采集單元，由各個(gè)模塊內(nèi)都有的ー個(gè)ARM處理器分別對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)、變幅角度信號(hào)、臂長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，通過CAN總線傳遞給ARM控制器進(jìn)行處理和計(jì)算，不僅提高了信號(hào)在傳輸過程中的精度，也降低了系統(tǒng)在安裝時(shí)的布線難度，提高了系統(tǒng)可靠性。本發(fā)明結(jié)合伸縮臂式臂架系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用雙向霍爾磁性傳感器和鋼質(zhì)齒條組成了一種新的臂長(zhǎng)測(cè)量的方式，這種測(cè)量方式的運(yùn)動(dòng)方和固定方通過非接觸信號(hào)傳感的形式，一節(jié)臂和ニ節(jié)臂之間沒有有形介質(zhì)連接，而是通過磁場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)傳遞，避免了傳統(tǒng)拉線式傳感器的弊端，使得測(cè)量過程更準(zhǔn)確簡(jiǎn)單，更適合于工程機(jī)械車這種應(yīng)用環(huán)境。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)如下利用基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)研制的具有分布式結(jié)構(gòu)的幅度限制器部件単元，分別對(duì)各個(gè)伸縮臂關(guān)節(jié)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，通過CAN總線傳遞回ARM控制器，使數(shù)據(jù)測(cè)量更準(zhǔn)確，布線更簡(jiǎn)単，安裝更為方便；采用雙向霍爾磁性傳感器和鋼質(zhì)齒條配合使用，構(gòu)成非接觸測(cè)長(zhǎng)手段，這種方式避免了拉線式傳感器的斷線問題，提高了使用過程的可靠性，而且由于傳感器基于磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于伸縮臂上的油污、塵土等物質(zhì)有良好的穿透性，不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，而且測(cè)量裝置本身有良好的防護(hù)，基本上不會(huì)受到日曬雨淋、溫度變化等外部環(huán)境因素的影響，適合于露天環(huán)境中的應(yīng)用；采用顯示器以數(shù)值或曲線的方式實(shí)時(shí)顯示各個(gè)傳感器的數(shù)值和作業(yè)幅度值，更加直觀明顯，易于人員的操作。


圖I是本發(fā)明幅度限制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明幅度限制裝置的工作流程圖。圖3是本發(fā)明幅度限制裝置在伸縮臂型工程機(jī)械車上的安裝方式示意圖。圖4是本發(fā)明幅度限制裝置中測(cè)長(zhǎng)齒條的幾種形式的示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)ー步詳細(xì)說明。本發(fā)明的幅度限制裝置基于嵌入式技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)設(shè)計(jì)，采用分布式的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成伸縮臂型工程機(jī)械車臂架系統(tǒng)防傾翻的控制部分，通過實(shí)時(shí)采集各個(gè)伸縮臂的變量參數(shù)，并用CAN總線傳輸給ARM控制器，實(shí)現(xiàn)幅度計(jì)算和幅度限制功能。圖I為本發(fā)明幅度限制裝置的總體結(jié)構(gòu)圖，本發(fā)明的幅度限制裝置主要由ARM控制器模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器模塊、傾角傳感器模塊、測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊四部分組成，其中ARM控制器模塊是該幅度限制裝置的核心控制單元，用于實(shí)時(shí)采集旋轉(zhuǎn)編碼器模塊、傾角傳感器模塊、測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊的數(shù)據(jù)，計(jì)算伸縮臂的作業(yè)幅度，井根據(jù)作業(yè)幅度的值對(duì)開關(guān)閥繼電器、報(bào)警指示燈等執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。ARM控制器模塊由ARM處理器(在本實(shí)施例中采用NXP公司的LPC2478芯片)、電源變換模塊、CAN總線接ロ模塊、顯示屏、輸出驅(qū)動(dòng)模塊、內(nèi)部存儲(chǔ)器(圖中未示出)等組成；所述內(nèi)部存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有離線計(jì)算出的伸縮臂在不同方位角度上的幅度限制臨界值的對(duì)應(yīng)表；所述ARM控制器模塊通過其輸出驅(qū)動(dòng)模塊與外部的聲光報(bào)警器、開關(guān)閥繼電器相連；所述顯示屏通過數(shù)值或曲線的方式實(shí)時(shí)顯示獲得的伸縮臂的俯仰角度、臂長(zhǎng)、回轉(zhuǎn)方位角度的值、當(dāng)前作業(yè)幅度值以及當(dāng)前到達(dá)的幅度限制臨界百分比，當(dāng)前到達(dá)的幅度限制臨界百分比為當(dāng)前作業(yè)幅度值與當(dāng)前幅度限制臨界值之比；旋轉(zhuǎn)編碼器模塊用于測(cè)得伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度，并將測(cè)得的伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度通過CAN總線傳送給ARM控制器模塊，旋轉(zhuǎn)編碼器模塊由ARM處理器(在本實(shí)施例中采用NXP公司的LPC1754芯片)、電源變換模塊(圖中未示出)、CAN總線接ロ模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器等組成，ARM處理器還內(nèi)置有正交雙向計(jì)數(shù)器，用于對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，以得到伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度；
傾角傳感器模塊用于測(cè)得伸縮臂的俯仰角度，并將測(cè)得的伸縮臂的俯仰角度通過CAN總線傳送給所述ARM控制器模塊，傾角傳感器模塊由ARM處理器(在本實(shí)施例中采用NXP公司的LPC1754芯片)、電源變換模塊(圖中未示出)、CAN總線接ロ模塊、ニ維傾角傳感器(在本實(shí)施例中選用SCA100T芯片)等組成，所述ニ維傾角傳感器用于采集伸縮臂的俯仰角度并將其通過SPI總線發(fā)送給ARM處理器；測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊用于測(cè)得伸縮臂的臂長(zhǎng)，并將測(cè)得的伸縮臂的臂長(zhǎng)通過CAN總線傳送給所述ARM控制器模塊，測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊由ARM處理器(在本實(shí)施例中采用NXP公司的LPC1754芯片)、電源變換模塊(圖中未示出)、CAN總線接ロ模塊、雙向霍爾傳感器、測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條等組成，ARM處理器還內(nèi)置有正交雙向計(jì)數(shù)器，以對(duì)雙向霍爾傳感器與測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條運(yùn)動(dòng)過程中的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過已知的齒條間距，獲取伸縮臂的臂長(zhǎng)。ARM控制器模塊與旋轉(zhuǎn)編碼器模塊、傾角傳感器模塊、測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊之間通過CAN總線相連，采用CAN0PEN通信協(xié)議。ARM控制器模塊通過其輸出驅(qū)動(dòng)模塊與外部的聲光報(bào)警器、開關(guān)閥繼電器相連。各個(gè)模塊的電源變換模塊用于將9 30V直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為內(nèi)部處理電路所需的5V和3. 3V電壓，為各個(gè)模塊的ARM處理器及其他単元供電。所述ARM控制器模塊根據(jù)所述伸縮臂的結(jié)構(gòu)形式、接收到的俯仰角度α和臂長(zhǎng)L計(jì)算得到所述伸縮臂的作業(yè)幅度R ;根據(jù)接收到的伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度θ從所述對(duì)應(yīng)表中查得對(duì)應(yīng)的幅度限制臨界值Rh，并根據(jù)所述作業(yè)幅度R與所述幅度限制臨界值Rh的比較來控制所述開關(guān)閥繼電器的開關(guān)和所述聲光報(bào)警器，以對(duì)伸縮臂的工作幅度進(jìn)行限制或報(bào)
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目ο圖2是本發(fā)明幅度限制裝置的工作流程圖。首先，傾角傳感器模塊的ARM處理器通過SPI總線接收傾角傳感器采集到的數(shù)值，獲取伸縮臂的俯仰角度α ;旋轉(zhuǎn)編碼器模塊的旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測(cè)回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生代表回轉(zhuǎn)臺(tái)所旋轉(zhuǎn)過的角度的一定數(shù)量的脈沖，該脈沖由兩路正交差分信號(hào)表示，兩路差分信號(hào)的相位差代表了回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向。旋轉(zhuǎn)編碼器模塊的ARM處理器通過內(nèi)置的正交雙向計(jì)數(shù)器對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖計(jì)數(shù)，得到伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度Θ ;測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊的ARM處理器通過內(nèi)置的正交雙向計(jì)數(shù)器對(duì)雙向霍爾傳感器與測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條運(yùn)動(dòng)過程中的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再通過已知的齒條間距，獲取伸縮臂的臂長(zhǎng)し然后，傾角傳感器模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器模塊、測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊通過CAN總線利用CAN0PEN協(xié)議中的PDO數(shù)據(jù)格式將獲得的α、Θ、L的值傳送給ARM控制器模塊。ARM控制器模塊根據(jù)伸縮臂的結(jié)構(gòu)形式和接收到的α、L的值來計(jì)算伸縮臂的作業(yè)幅度R。本實(shí)施例中采用的作業(yè)幅度R的計(jì)算公式為R = L*cos a -R0，其中，Rtl為伸縮臂與回轉(zhuǎn)臺(tái)的鉸接點(diǎn)到回轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸線的水平方向的距離(伸縮臂的結(jié)構(gòu)形式不同，R0的值可能是不同的)。之后，由于ARM控制器模塊的內(nèi)部存儲(chǔ)器中已經(jīng)存儲(chǔ)了通過離線計(jì)算出的伸縮臂 在不同方位角度上的幅度限制臨界值的對(duì)應(yīng)表，就可以根據(jù)接收到的Θ的值從對(duì)應(yīng)表中查得對(duì)應(yīng)的幅度限制臨界值Rh。如果R > Rh，ARM控制器模塊通過其輸出驅(qū)動(dòng)模塊關(guān)斷開關(guān)閥繼電器，限制伸縮臂的向下變幅運(yùn)動(dòng)和主臂伸出運(yùn)動(dòng)，否則將打開開關(guān)閥繼電器，允許伸縮臂的向下變幅運(yùn)動(dòng)和主臂伸出運(yùn)動(dòng)；如果R > 90% Rh, ARM控制器模塊通過其輸出驅(qū)動(dòng)模塊點(diǎn)亮聲光報(bào)警器，指示伸縮臂即將進(jìn)入危險(xiǎn)工作區(qū)域，否則將關(guān)斷聲光報(bào)警器，取消報(bào)警指示。
圖3是本發(fā)明幅度限制裝置在伸縮臂型工程機(jī)械車上的安裝方式示意圖。如圖3所示，所述伸縮臂為一、ニ節(jié)套接結(jié)構(gòu)，即該伸縮臂的ニ節(jié)臂套接在ー節(jié)臂內(nèi)。所述幅度限制裝置可安裝在伸縮臂型工程機(jī)械車上，以實(shí)現(xiàn)其工作幅度的安全控制。所述幅度限制裝置的ニ維傾角傳感器安裝在ー節(jié)臂的外側(cè)，測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊的測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條安裝在ニ節(jié)臂的外側(cè)，雙向霍爾傳感器和測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊的其他部件安裝在一節(jié)臂的末端。工程機(jī)械車行駛時(shí)，一節(jié)臂呈水平狀態(tài)，ニ節(jié)臂收入到ー節(jié)臂內(nèi)，(a，L) = (0，
O);工程機(jī)械車工作時(shí)，ニ維傾角傳感器測(cè)量出ー節(jié)臂的傾角α，測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊測(cè)量出ニ節(jié)臂的伸出長(zhǎng)度L，從而得到工程機(jī)械車作業(yè)幅度的(a，L)值供ARM控制器模塊使用。圖4是本發(fā)明幅度限制裝置中測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條的幾種形式的示意圖。安裝在伸縮臂ニ節(jié)臂上的齒條是用來測(cè)量伸縮臂臂長(zhǎng)伸長(zhǎng)量的依據(jù)，ニ節(jié)臂在運(yùn)動(dòng)過程中，雙向霍爾傳感器所正對(duì)的位置如果是齒條的磁性金屬部分，則會(huì)輸出高電平，如果是齒條的空隙部分，則會(huì)輸出低電平，這樣在運(yùn)動(dòng)過程中，雙向霍爾傳感器的輸出就會(huì)在齒條運(yùn)動(dòng)方向上感應(yīng)出高低跳變的脈沖，而且由于雙向霍爾傳感器內(nèi)部有兩個(gè)前后并排的霍爾器件，會(huì)存在一定的相位差，通過所述雙向霍爾傳感器產(chǎn)生的相位差就可以判別齒條運(yùn)動(dòng)的方向。這樣通過對(duì)齒條數(shù)目齒條運(yùn)動(dòng)的方向加減計(jì)數(shù)，再結(jié)合齒條的間距，就可以得到運(yùn)動(dòng)的距離，從而得到伸縮臂的臂長(zhǎng)。在齒條設(shè)計(jì)中，所述測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條采用軟磁或硬磁材料，可以通過在條形材料上加工出矩形齒、三角形齒、鋸齒，也可以加工出凹槽或孔洞(比如圓形或方形的凹槽或孔洞)的形狀來標(biāo)記長(zhǎng)度信息的刻度。齒距、齒寬度、齒深度以及條形鋼鐵材料的厚度等參數(shù)，可以根據(jù)所使用的雙向霍爾傳感器的信號(hào)感應(yīng)特點(diǎn)來確定。本發(fā)明還提出一種幅度限制方法，用于計(jì)算并限制伸縮臂架型式工程機(jī)械車的伸縮臂的作業(yè)幅度，該方法包括以下步驟步驟1，利用傾角傳感器獲取所述伸縮臂的俯仰角度α，利用旋轉(zhuǎn)編碼器獲取伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度Θ，利用雙向霍爾傳感器與測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條獲取所述伸縮臂的臂長(zhǎng)L ;步驟2，根據(jù)所述伸縮臂的結(jié)構(gòu)形式以及得到的俯仰角度α、臂長(zhǎng)L計(jì)算所述伸縮臂的作業(yè)幅度R R = L*cos a -R0，其中，L為伸縮臂的臂長(zhǎng)，α為伸縮臂的俯仰角度，R0為伸縮臂與回轉(zhuǎn)臺(tái)的鉸接點(diǎn)到回轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸線的水平方向的距離；步驟3，根據(jù)回轉(zhuǎn)方位角度Θ的值從預(yù)先存儲(chǔ)的伸縮臂在不同方位角度上的幅度限制臨界值對(duì)應(yīng)表中查得對(duì)應(yīng)所述回轉(zhuǎn)方位角度Θ的幅度限制臨界值Rh;步驟4，根據(jù)所述作業(yè)幅度R與所述幅度限制臨界值Rh的比較來對(duì)伸縮臂的工作幅度進(jìn)行限制或報(bào)警。具體地，如果R > RH，則限制所述伸縮臂的向下變幅運(yùn)動(dòng)和主臂伸出運(yùn)動(dòng)；如果R> 90% RH，則進(jìn)行報(bào)警，指示所述伸縮臂即將進(jìn)入危險(xiǎn)工作區(qū)域。本發(fā)明采用ARM嵌入式軟硬件技術(shù)和總線式通訊技術(shù)構(gòu)成了伸縮臂型工程機(jī)械車臂架運(yùn)動(dòng)過程中的作業(yè)幅度限制裝置，由于采用了分布式結(jié)構(gòu)，使得計(jì)算精度得到提高，簡(jiǎn)化了布線要求，便于各個(gè)功能単元的安裝；采用了基于雙向霍爾傳感器和鋼質(zhì)齒條的非接觸式臂長(zhǎng)測(cè)量方式，避免了傳統(tǒng)拉線式傳感器的斷線隱患，保障了系統(tǒng)的安全性和可靠性。同時(shí)這種方式不會(huì)受到油污、灰塵等因素的影響，也對(duì)日曬雨淋等環(huán)境影響有較好的適應(yīng)性，其應(yīng)用的范圍更廣，適用性更強(qiáng)。采用這種新型的幅度限制裝置，可以更好地限制伸縮臂工程機(jī)械車的作業(yè)幅度，避免傾翻事故的發(fā)生，保障作業(yè)設(shè)備和作業(yè)人員的安全。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)ー步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種幅度限制裝置，用于計(jì)算并限制伸縮臂架型式工程機(jī)械車的伸縮臂的作業(yè)幅度，其特征在干，該裝置包括ARM控制器模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器模塊、傾角傳感器模塊和測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊；其中， 所述ARM控制器模塊是所述幅度限制裝置的核心控制單元，其包括ARM處理器、電源變換模塊、CAN總線接ロ模塊、顯示屏、輸出驅(qū)動(dòng)模塊、內(nèi)部存儲(chǔ)器，所述內(nèi)部存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有離線計(jì)算出的伸縮臂在不同方位角度上的幅度限制臨界值的對(duì)應(yīng)表，所述ARM控制器模塊還通過其輸出驅(qū)動(dòng)模塊與外部的聲光報(bào)警器、開關(guān)閥繼電器相連； 所述旋轉(zhuǎn)編碼器模塊用于測(cè)得伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度Θ，并將測(cè)得的伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度Θ通過CAN總線傳送給所述ARM控制器模塊； 所述傾角傳感器模塊用于測(cè)得伸縮臂的俯仰角度α，并將測(cè)得的伸縮臂的俯仰角度α通過CAN總線傳送給所述ARM控制器模塊； 所述測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊用于測(cè)得伸縮臂的臂長(zhǎng)L，并將測(cè)得的伸縮臂的臂長(zhǎng)L通過CAN總線傳送給所述ARM控制器模塊； 所述ARM控制器模塊根據(jù)所述伸縮臂的結(jié)構(gòu)形式、接收到的俯仰角度α和臂長(zhǎng)L計(jì)算得到所述伸縮臂的作業(yè)幅度R ;根據(jù)接收到的伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度Θ從所述對(duì)應(yīng)表中查得對(duì)應(yīng)的幅度限制臨界值Rh，并根據(jù)所述作業(yè)幅度R與所述幅度限制臨界值Rh的比較來控制所述開關(guān)閥繼電器的開關(guān)和所述聲光報(bào)警器，以對(duì)伸縮臂的工作幅度進(jìn)行限制或報(bào)警。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述ARM控制器模塊的顯示屏通過數(shù)值或曲線的方式實(shí)時(shí)顯示獲得的伸縮臂的俯仰角度α、臂長(zhǎng)L、回轉(zhuǎn)方位角度Θ的值、當(dāng)前作業(yè)幅度R值以及當(dāng)前到達(dá)的幅度限制臨界百分比。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)編碼器模塊進(jìn)一歩包括ARM處理器、電源變換模塊、CAN總線接ロ模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器，所述旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測(cè)工程機(jī)械車回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生代表回轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)過的角度的一定數(shù)量的脈沖，該脈沖由兩路正交差分信號(hào)表示，兩路差分信號(hào)的相位差代表了所述回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向，所述ARM處理器還內(nèi)置有正交雙向計(jì)數(shù)器，用于對(duì)所述旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，以得到伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度Θ。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述傾角傳感器模塊進(jìn)一歩包括ARM處理器、電源變換模塊、CAN總線接ロ模塊、ニ維傾角傳感器，所述ニ維傾角傳感器用于采集伸縮臂的俯仰角度α并將其通過SPI總線發(fā)送給所述ARM處理器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊進(jìn)一歩包括ARM處理器、電源變換模塊、CAN總線接ロ模塊、雙向霍爾傳感器、測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條，所述ARM處理器內(nèi)置有正交雙向計(jì)數(shù)器，用于對(duì)所述雙向霍爾傳感器與所述測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條運(yùn)動(dòng)過程中的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過已知的齒條間距，獲取伸縮臂的臂長(zhǎng)し
6.根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一所述的裝置，其特征在于，所述電源變換模塊用于將9 30V直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為內(nèi)部處理電路所需的5V和3. 3V電壓，為各個(gè)模塊的ARM處理器及其他単元供電。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述伸縮臂的作業(yè)幅度R按照下式計(jì)算R = L*cos a -R0, 其中，L為伸縮臂的臂長(zhǎng)，α為伸縮臂的俯仰角度，Rtl為伸縮臂與工程機(jī)械車回轉(zhuǎn)臺(tái)的鉸接點(diǎn)到回轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸線的水平方向的距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，如果所述伸縮臂的作業(yè)幅度R> RH，所述ARM控制器模塊通過其輸出驅(qū)動(dòng)模塊關(guān)斷所述開關(guān)閥繼電器，限制伸縮臂的向下變幅運(yùn)動(dòng)和主臂伸出運(yùn)動(dòng)，否則打開所述開關(guān)閥繼電器，允許伸縮臂的向下變幅運(yùn)動(dòng)和主臂伸出運(yùn)動(dòng)；如果R > 90% RH，則所述ARM控制器模塊通過其輸出驅(qū)動(dòng)模塊點(diǎn)亮所述聲光報(bào)警器，指示所述伸縮臂即將進(jìn)入危險(xiǎn)工作區(qū)域，否則關(guān)斷所述聲光報(bào)警器，取消報(bào)警指示。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述幅度限制裝置安裝在伸縮臂為一、ニ節(jié)套接結(jié)構(gòu)的伸縮臂型工程機(jī)械車上，所述傾角傳感器模塊的ニ維傾角傳感器安裝在所述伸縮臂的ー節(jié)臂的外側(cè)，所述測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊的測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條安裝在所述伸縮臂的ニ節(jié)臂的外側(cè)，所述測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊的雙向霍爾傳感器和所述測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊的其他部件安裝在所述ー節(jié)臂的末端。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，安裝在所述伸縮臂的ニ節(jié)臂上的測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條是測(cè)量所述伸縮臂臂長(zhǎng)的依據(jù)，所述ニ節(jié)臂在運(yùn)動(dòng)過程中，所述雙向霍爾傳感器所正對(duì)的位置如果是齒條的磁性金屬部分，則會(huì)輸出高電平，如果是齒條的空隙部分，則會(huì)輸出低電平，這樣在運(yùn)動(dòng)過程中，所述雙向霍爾傳感器的輸出就會(huì)在齒條運(yùn)動(dòng)方向上感應(yīng)出高低跳變的脈沖，而且由于所述雙向霍爾傳感器內(nèi)部有兩個(gè)前后并排的霍爾器件，會(huì)存在一定的相位差，通過所述雙向霍爾傳感器產(chǎn)生的相位差就能夠判別齒條運(yùn)動(dòng)的方向；通過對(duì)齒條數(shù)目進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，再結(jié)合齒條的間距，就得到所述伸縮臂運(yùn)動(dòng)的距離，從而得到伸縮臂的臂長(zhǎng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條采用軟磁或硬磁材料，通過在長(zhǎng)條形的材料上加工出矩形齒、三角形齒、鋸齒、凹槽或孔洞的形狀來標(biāo)記長(zhǎng)度信息的刻度。
12.一種幅度限制方法，用于計(jì)算并限制伸縮臂架型式工程機(jī)械車的伸縮臂的作業(yè)幅度，其特征在于，該方法包括以下步驟 步驟1，利用傾角傳感器獲取所述伸縮臂的俯仰角度α，利用旋轉(zhuǎn)編碼器獲取伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度Θ，利用雙向霍爾傳感器與測(cè)長(zhǎng)鋼質(zhì)齒條獲取所述伸縮臂的臂長(zhǎng)L ; 步驟2，根據(jù)所述伸縮臂的結(jié)構(gòu)形式以及得到的俯仰角度α、臂長(zhǎng)L計(jì)算所述伸縮臂的作業(yè)幅度R ； 步驟3，根據(jù)回轉(zhuǎn)方位角度Θ的值從預(yù)先存儲(chǔ)的伸縮臂在不同方位角度上的幅度限制臨界值對(duì)應(yīng)表中查得對(duì)應(yīng)所述回轉(zhuǎn)方位角度Θ的幅度限制臨界值Rh; 步驟4，根據(jù)所述作業(yè)幅度R與所述幅度限制臨界值Rh的比較來對(duì)伸縮臂的工作幅度進(jìn)行限制或報(bào)警。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述伸縮臂的作業(yè)幅度R的計(jì)算公式為R = L*cos a -R0, 其中，L為伸縮臂的臂長(zhǎng)，α為伸縮臂的俯仰角度，Rtl為伸縮臂與工程機(jī)械車回轉(zhuǎn)臺(tái)的鉸接點(diǎn)到回轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸線的水平方向的距離。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述步驟4進(jìn)ー步為如果R> Rh，則限制所述伸縮臂的向下變幅運(yùn)動(dòng)和主臂伸出運(yùn)動(dòng)；如果R > 90% RH，則進(jìn)行報(bào)警，指示所述伸縮臂即將進(jìn)入危險(xiǎn)工作區(qū)域
全文摘要
本發(fā)明公開了一種幅度限制裝置和方法，用于計(jì)算并限制伸縮臂架型式工程機(jī)械車的伸縮臂的作業(yè)幅度，所述裝置包括ARM控制器模塊、傾角傳感器模塊、測(cè)長(zhǎng)傳感器模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器模塊，各模塊之間通過CAN總線相連。所述方法包括以下步驟獲取伸縮臂的俯仰角度、伸縮臂的回轉(zhuǎn)方位角度以及伸縮臂的臂長(zhǎng)；根據(jù)伸縮臂的結(jié)構(gòu)形式和俯仰角度、臂長(zhǎng)計(jì)算伸縮臂的作業(yè)幅度；根據(jù)回轉(zhuǎn)方位角度從預(yù)先存儲(chǔ)的幅度限制臨界值對(duì)應(yīng)表中查得對(duì)應(yīng)的幅度限制臨界值；根據(jù)作業(yè)幅度與幅度限制臨界值的比較對(duì)伸縮臂的工作幅度進(jìn)行限制或報(bào)警，以保證工程機(jī)械車作業(yè)的安全性，避免發(fā)生傾翻事故。
文檔編號(hào)B66F17/00GK102627231SQ20121008841
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者李恩, 梁自澤, 譚民, 賈鵬霄, 趙曉光 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所