塔式起重機(jī)垂直度測(cè)量?jī)x技術(shù)研究

傅建俊

摘要：本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套多傳感器能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量塔吊垂直度的系統(tǒng)，包括傳感器的安裝裝置，以及基于LabVIEW的數(shù)據(jù)分析、顯示、報(bào)警等功能的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傾角傳感器，實(shí)現(xiàn)更全面的測(cè)量功能，建立了塔吊的模型對(duì)塔吊在各種工況下的傾斜變形情況進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析，為測(cè)量系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)提供參考。通過(guò)對(duì)傾角傳感器的原理介紹、器件選型、測(cè)量的工藝流程和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)等方面的研究來(lái)克服目前測(cè)量方法的缺點(diǎn)。

Abstract： This project has designed a multi-sensor system that can measure the verticality of tower cranes in real time， including sensor installation equipment， and software system based on LabVIEW data analysis， display， alarm and other functions. The system adopts the inclination sensor to realize more comprehensive measurement function. The model of the tower crane is established to simulate and analyze the tilt deformation of the tower crane under various working conditions， which provides a reference for the functional design of the measurement system. The shortcomings of the current measurement methods are overcome by the introduction of the principle of the tilt sensor， the selection of the device， the process flow of the measurement， and the software design of the host computer.

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；垂直度測(cè)量；設(shè)計(jì)；創(chuàng)新

Key words： tower crane；verticality measurement；design；innovation

中圖分類號(hào)：TH213.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）33-0219-03

1 研究思路與技術(shù)方案

1.1 研究思路

目前的塔吊垂直度測(cè)量方式主要有經(jīng)緯儀測(cè)量式，但是這種方式的操作過(guò)程都比較復(fù)雜，在測(cè)量過(guò)程中需要人工干預(yù)，因此會(huì)降低測(cè)量精度。另外這兩種測(cè)量方式只能在塔吊處于工作停止?fàn)顟B(tài)，且周圍風(fēng)速級(jí)數(shù)較低、沒(méi)有降雨等良好的氣象條件下測(cè)量，不能達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)垂直度的目的，這對(duì)重大工程事故的避免非常不利。因此設(shè)計(jì)一套只需一次人工參與調(diào)整安裝，且能夠監(jiān)測(cè)多節(jié)塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的系統(tǒng)，從而提高塔吊垂直度測(cè)量精度。通過(guò)采集多個(gè)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析處理，最終簡(jiǎn)單易懂的將垂直度顯示在操作面板，便于實(shí)時(shí)用戶獲取垂直度信息，為用戶安全使用塔吊提供數(shù)據(jù)參考。

1.2 技術(shù)方案

為了獲得更多的塔吊垂直度信息，在整個(gè)塔身上分布均勻5-6個(gè)雙軸傾角位置傳感器，運(yùn)用特定設(shè)計(jì)的傳感器安裝裝置，將傳感器固定于塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的固定位置。經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器等裝置，最終傳輸至基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中。經(jīng)過(guò)軟件系統(tǒng)的分析和處理，將塔吊垂直度顯示在人機(jī)交互界面，當(dāng)垂直度超過(guò)規(guī)定范圍時(shí)立即報(bào)警，提醒用戶進(jìn)行相關(guān)操作。

1.3 測(cè)量原理

1.3.1 靜剛度的測(cè)量

要求：滿足《塔式起重機(jī)》（GB/T5031—2008）中5.2.4靜剛度要求：

在額定載荷作用下，塔機(jī)臂根鉸點(diǎn)的水平靜位移應(yīng)不大于1.34H/100。H為臂根鉸點(diǎn)至塔機(jī)基準(zhǔn)面（無(wú)附著時(shí)的最大獨(dú)立高度）或最高附著點(diǎn)（有附著時(shí)的最大懸臂高度）的垂直距離。

按照以上要求，測(cè)量時(shí)將傳感器安裝在塔機(jī)臂根鉸點(diǎn)的位置，并設(shè)置報(bào)警值為0.77°。超過(guò)此值報(bào)警系統(tǒng)便進(jìn)行報(bào)警。

1.3.2 垂直度的測(cè)量

要求：滿足空載，風(fēng)速不大于3m/s狀態(tài)下，獨(dú)立狀態(tài)塔身（或附著狀態(tài)下最高附著點(diǎn)以上塔身）軸心線的側(cè)向垂直度允差為4/1000，最高附著點(diǎn)以下塔身軸心線的垂直度允差為2/1000。

按照以上要求，測(cè)量時(shí)將傳感器安裝在塔機(jī)臂根鉸點(diǎn)的位置，并設(shè)置報(bào)警值為0.23°。超過(guò)此值報(bào)警系統(tǒng)便進(jìn)行報(bào)警。

2 塔式起重機(jī)垂直度測(cè)量?jī)x裝置的設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

測(cè)量裝置裝主要包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分，其中硬件系統(tǒng)包括信號(hào)獲取裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)合成裝置、信號(hào)處理裝置。軟件系統(tǒng)包括程序設(shè)計(jì)和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。

2.2 硬件系統(tǒng)

2.2.1 硬件系統(tǒng)概述

硬件系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)初始數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、采集、合成及前期處理等功能。傳感器選擇TLS926T高精度傾角傳感器。為了產(chǎn)生和垂直度相關(guān)的數(shù)據(jù)，需要設(shè)計(jì)將雙軸傾角傳感器安裝于塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的安裝裝置，并通過(guò)該安裝裝置來(lái)調(diào)準(zhǔn)傳感器在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系的位置。各傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線依次傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由于RS485傳輸速率很高，可以基本保證數(shù)據(jù)的同步。通過(guò)數(shù)據(jù)處理顯示各段塔吊的傾斜狀態(tài)。

2.2.2 信號(hào)獲取裝置的設(shè)計(jì)

信號(hào)獲取裝置設(shè)計(jì)主要包括傳感器的選擇和傳感器安裝裝置設(shè)計(jì)。測(cè)量偏移量一般采用加速度傳感器和傾角傳感器，而在傾角傳感器的測(cè)量精度更高，所以選用傾角傳感器作為信號(hào)產(chǎn)生源。為了便于將傾角傳感器安裝于塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上，設(shè)計(jì)如圖1所示的固定裝置。其中1是雙軸傾角傳感器，2是與塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)直接連接件，3是位置調(diào)整塊。圖2是傳感器固定裝置與塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)安裝示意圖，清晰可見(jiàn)連接件2和對(duì)應(yīng)角扣件4用蝶形螺栓固定于塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上，在通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)整塊的位置來(lái)調(diào)整傳感器在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系中的位置。圖3是傳感器安裝整體示意圖。

①數(shù)據(jù)的采集。考慮到數(shù)據(jù)接收的方便性、穩(wěn)定性、測(cè)量裝置的靈活性，采用RS485串口總線形式讀取各傳感器數(shù)據(jù)，將各傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)處理后即可按照操作人員意愿對(duì)任意數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)量觸發(fā)傳感器為安裝于回轉(zhuǎn)臺(tái)上的磁珠傳感器，當(dāng)X向磁珠觸發(fā)時(shí)，采集X軸傾角數(shù)據(jù)；當(dāng)Y向磁珠觸發(fā)時(shí)，采集Y向傾角數(shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)的合成。 所有傳感器的傾角數(shù)據(jù)按照對(duì)應(yīng)塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)自下至上的順序依次排列，每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)分為X軸傾斜角度、Y軸傾斜角度和對(duì)應(yīng)高度三個(gè)數(shù)據(jù)。測(cè)量時(shí)按照順序依次判斷，根據(jù)塔吊位置傳感器對(duì)不同姿態(tài)的塔吊整體垂直度進(jìn)行整體計(jì)算分析（任意某段的實(shí)際傾斜狀態(tài)為其高度以下部分的矢量和），最后對(duì)塔吊的整體傾斜狀態(tài)進(jìn)行判斷。

③信號(hào)的處理。

1）正常數(shù)據(jù)的處理： 正常數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄保存，并為最后的整體數(shù)據(jù)整合服務(wù)。

2）不正常數(shù)據(jù)的處理：若測(cè)量中某些數(shù)據(jù)跳動(dòng)較大，則應(yīng)舍去，不進(jìn)行記錄。

2.3 軟件系統(tǒng)

2.3.1 軟件系統(tǒng)概述

軟件系統(tǒng)是基于LabVIEW設(shè)計(jì)的，包括程序框圖的設(shè)計(jì)和人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。程序框圖是完成數(shù)據(jù)分析和顯示的內(nèi)部支撐，由于LabVIEW的程序設(shè)計(jì)已經(jīng)模塊化，所以程序結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單易懂，實(shí)現(xiàn)的功能也更全面。人機(jī)交互界面將塔吊垂直度顯示在相應(yīng)分區(qū)中，另外人機(jī)交互界面還將多點(diǎn)偏移量以三維圖的形式呈現(xiàn)出來(lái)，這樣用戶能夠清晰地得到那個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的偏移量大，便于調(diào)整。人機(jī)交互界面還能實(shí)現(xiàn)報(bào)應(yīng)的功能，當(dāng)垂直度超出安全值后以報(bào)警的形式提醒用戶。

2.3.2 程序設(shè)計(jì)

經(jīng)初始篩選后的數(shù)據(jù)，要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的分析和綜合，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)偏移度數(shù)顯示與人機(jī)交互界面，另外還要達(dá)到垂直度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、波形圖形式顯示、數(shù)據(jù)點(diǎn)三維顯示、超限報(bào)警等功能，而程序的設(shè)計(jì)則基于這些功能，以實(shí)現(xiàn)功能為主線，結(jié)合LabVIEW的編程特點(diǎn)完成程序的設(shè)計(jì)。大的框架是一個(gè)while循環(huán)和多個(gè)事件分支，通過(guò)不同事件分支完成不同的功能。

2.3.3 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面主要包括波形圖顯示區(qū)域、數(shù)據(jù)三維顯示區(qū)域、傾角數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果顯示區(qū)域、人機(jī)交互區(qū)域。波形圖顯示區(qū)域?qū)y(cè)量得到的X軸和Y軸的傾斜數(shù)據(jù)以波形圖的形式呈現(xiàn)，波形圖X軸表示傳感器安裝高度，Y軸表示傾角值。數(shù)據(jù)三維顯示區(qū)域?qū)⒉煌叨葴y(cè)得的傾斜數(shù)據(jù)以三維圖的形式呈現(xiàn)，X軸和Y軸表示在這兩個(gè)方向上的傾角值，Z軸表示高度。傾角數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果顯示區(qū)域?qū)y(cè)得數(shù)據(jù)以數(shù)值形式呈現(xiàn)，并將傾角數(shù)據(jù)換算成垂直度顯示出來(lái)。人機(jī)交互區(qū)域有報(bào)警燈、信息存儲(chǔ)按鈕、下一步指示按鈕、停止測(cè)量按鈕等。人機(jī)交互界面如圖4所示。圖中1是波形圖顯示區(qū)域。2是數(shù)據(jù)三維顯示區(qū)域，3是傾角數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果顯示區(qū)域，4是人機(jī)交互功能按鈕區(qū)域。

3 研究結(jié)果及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 研究結(jié)果

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證，本垂直度測(cè)量分析儀的測(cè)量結(jié)果比以往的測(cè)量?jī)x器測(cè)的結(jié)果精度高，測(cè)量精度可以達(dá)到0.002。測(cè)量裝置安裝簡(jiǎn)單，且只需一次安裝調(diào)節(jié)便可長(zhǎng)期使用。傳感器安裝后不再拆除，可以達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量的目的，這是以往測(cè)量裝置不能實(shí)現(xiàn)的。精簡(jiǎn)清晰地人機(jī)交互界面使操作更加簡(jiǎn)單，用戶更加容易接受，界面顯示的內(nèi)容全面，用戶獲取塔吊使用狀況更容易更直接。

3.2 創(chuàng)新點(diǎn)

測(cè)量?jī)x的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有四點(diǎn)，分別為：①安裝方便，②整體檢測(cè)塔身，③實(shí)時(shí)監(jiān)控，④數(shù)據(jù)存儲(chǔ)便于維修人員調(diào)用數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)

本測(cè)量?jī)x相對(duì)于以往的測(cè)量裝置雖然有很大的改進(jìn)，但是仍然有很多可以改進(jìn)的地方。

①本測(cè)量?jī)x所用的傾角傳感器雖然精度很高但仍有提升的可能，后續(xù)研究應(yīng)當(dāng)根據(jù)傾角傳感器的原理針對(duì)自行設(shè)計(jì)的傾角傳感器進(jìn)而提高其精度，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

②在塔吊的模態(tài)分析時(shí)可以看出塔吊在受到振動(dòng)影響時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲，所以采用一個(gè)傳感器很難檢測(cè)此情況下的塔吊傾斜情況，雖然多傳感器測(cè)量的基本功能（數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、多段塔身傾斜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等）已實(shí)現(xiàn)，但在數(shù)據(jù)傳輸速度、精度、穩(wěn)定性上還有很大的提升空間，所以后續(xù)研究應(yīng)當(dāng)針對(duì)其設(shè)計(jì)完善多傳感器測(cè)量系統(tǒng)。

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