基于全站儀的新型起重機軌道檢測儀設計

孔慶彬 程維明

(1.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072；2.上海工程技術大學機械工程學院，上海 201620)

隨著現代工業的發展，起重機作為物料搬運工具在鋼鐵冶金、船舶及機械制造等工業領域的應用越來越廣泛。在起重機運行過程中一個主要的問題就是啃軌問題，嚴重時會造成脫軌事故，因此對軌道狀態的定期檢測十分必要[1,2]。國家標準規定的起重機軌道檢測參數主要包括單軌直線度、雙軌同截面內跨距和高度差[3]。目前儀器檢測主要采用兩種方法：激光準直測量法[4,5]和全站儀測量法[6,7]。針對現有檢測方法和設備存在的問題，筆者提出了一種新的起重機軌道檢測方法，并設計了一種新型檢測儀，該檢測儀成本更低、安全性更強、檢測更方便。

1 檢測方法與總體方案①

如圖1所示，將全站儀固定于地面某個位置建站，由全站儀建立統一的全局坐標系。搭載反射靶的兩部軌檢儀分別運行在兩根軌道上，全站 儀瞄準反射靶，測量靶心坐標。測量結束后分別獲得位于同一坐標系的兩組坐標值。通過這兩組坐標即可重構出兩條軌道曲線，進而可獲得兩根軌道直線度、雙軌跨距及雙軌高差等待測參數。系統功能框圖如圖2所示。

圖1 檢測方案示意圖

圖2 軌檢儀控制系統功能框圖

2 硬件設計

軌檢儀控制系統硬件組成如圖3所示，軌檢儀主動輪和反射靶是系統的兩個主要受控對象，可以接受兩種方式對其進行無線控制：PC和遙控器。

圖3 軌檢儀硬件結構框圖

2.1 電機驅動模塊

電機驅動部分采用L298N作為驅動芯片，可同時驅動兩個電機。用該芯片作電機驅動，操作方便、穩定性好、性能優良，可直接用單片機IO口提供信號，且帶有使能端，方便PWM調速，電路簡單，性能穩定，使用比較方便。電機驅動模塊電路如圖4所示，由于電機運行狀態突然改變時會形成很大的反向電流，因此在電路中加入了二極管，其可為反向電流提供泄放途徑，保護芯片安全。

圖4 電機驅動模塊電路

2.2 位置反饋模塊

位置反饋模塊主要用來產生計數脈沖信號并反饋到MCU，從而使MCU得到反射靶旋轉角度和軌檢儀運行距離信息。該模塊中的編碼器電路如圖5所示，筆者采用增量式編碼器，輸出A、B兩相的方波信號，A相超前90°。將B相信號接入單片機IO口作為中斷計數。A、B兩相信號經D觸發器74ls74輸出方向信號，輸入到單片機IO口供旋轉方向判斷之用。

圖5 編碼器電路

2.3 防撞模塊

為防止軌檢儀在軌道上運行時撞到障礙物而受損，加入了防撞設計。防撞檢測距離不宜太小，一般在300mm左右為宜，以防止因速度過快、車輪打滑造成相撞事故。采用光電式接近開關做防撞感應元件。采用4個NPN常開型漫反射光電開關檢測前后方的障礙物，檢測到障礙物時輸出低電平，通過四輸入端雙與門74ls21連接至單片機。當任一個檢測到障礙物時，都會引發輸出信號負跳變，從而提高障礙檢測的范圍和精確性，以適應復雜的作業環境。

2.4 待機控制模塊

為最大限度地延長電池壽命，設計了待機控制模塊，在檢測暫停時可以很方便地通過遙控器在地面上關閉主電路電源，使儀器進入低功耗待機模式。待機控制模塊電路如圖6所示，其主要由D觸發器CD4013、三極管T1、二極管D6及繼電器K1等元件構成。通過CD4013實現狀態翻轉，信號通過三極管放大后驅動繼電器完成主電路電源狀態的切換。

圖6 待機控制模塊電路

3 軟件設計

儀器軟件系統主要由主程序(圖7)、PC指令解析子程序、遙控指令解析子程序、串口中斷子程序、定時器中斷子程序、儀器行走控制子程序及反射靶控制子程序等模塊構成。系統開機后首先進行相應初始化，隨后進入主循環不斷掃描PC和遙控器指令并執行相應操作。

圖7 主程序流程

4 現場實驗

為驗證筆者提出的檢測方法和所研制的軌道檢測儀的性能，進行了現場實驗。起重機軌道軌長74m，設定軌檢儀采樣間隔2m，A軌采樣37點，B軌由于障礙物遮擋，采樣33點。將實驗檢測數據同上海市計量測試技術研究院對該軌道的檢測鑒定結果進行對比，對比結果見表1。

表1 檢測結果對比 mm

通過實驗對比可知，筆者提出的新型起重機軌道檢測方法和軌檢儀的檢測精度接近于傳統方法，檢測結果最大相差在3mm以內，檢測精度可以滿足要求。

5 結束語

現有起重機軌道檢測方法和裝置基本都需要檢測人員攀爬至軌道上進行檢測，普遍存在檢測安全性差及檢測不方便等不足，針對該現狀，提出了一種新的檢測方法，并設計了一種新型檢測儀。該檢測儀在檢測過程中，不需要將全站儀架至起重機高空軌道，檢測更安全、更可靠。設計的軌道檢測儀已成型，并經過多次現場實驗，實驗結果表明，該儀器能夠滿足起重機軌道檢測的要求，檢測精度較高，且系統成本降低，檢測更安全、方便。若配合更高精度的全站儀測量，能達到更高的檢測精度。研究的起重機軌道檢測方法為起重機軌道檢測提供了一條更安全、可靠、成本更低、更易 實現的途徑，可替代原有全站儀法進行較長軌道的檢測，具有重要的實際應用和推廣價值。

[1] 牛潔,陶元芳.橋門式起重機車輪啃軌現象的研究[J].機械工程與自動化,2012,(1):115～117.

[2] 解春花.論橋門式起重機啃軌原因分析[J].煤炭技術,2003,22(10):23～25.

[3] GB/T 10183-2005，橋式和門式起重機制造及軌道安裝公差[S].北京：中國標準出版社，2006.

[4] 程維明,宋偉,劉亮，等.一種新型橋門式起重機軌道測量方法[J].中國機械工程,2010,21(18):2187～2191.

[5] 宋偉,程維明,劉亮，等.一種大長度軌道直線度的測量方法和裝置[J].機械工程師,2010,21(2):32～35.

[6] 張輝輝，杜寶江,吳恩啟，等.橋門式起重機軌道檢測系統[J].起重運輸機械,2008,(7):89～91.

[7] 吳恩啟,杜寶江,張輝輝，等.橋門式起重機軌道檢測技術研究[J].無損檢測,2007,29(10):578～579.

DesignofNewCraneRailDetectorBasedonTotalStation

KONG Qing-bin1, CHENG Wei-ming2

(1.SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China)

Considering the deficiency of both existing crane rail detection methods and equipment, a new crane rail detection method based on total station was proposed and a new crane rail detector was designed. The whole detection scheme of the detector was introduced, including the realization of its control system and