数字化智能排绳器的设计与实现

数字化智能排绳器的设计与实现

0数字化智能排绳器随着工业化的发展和进步，与钢丝绳防护装置相结合的绳排权限机构非常广泛。应用于煤矿开采小绞车中的传统排绳机构存在许多问题:①由于在排绳过程中不能对误差进行自主补偿而出现误差累积,从而不能长时间连续、有序地排绳;②由于跟随不精确、换向不及时而出现压绳、咬绳、绞绳现象,容易造成钢丝绳磨损甚至断绳,降低了钢丝绳的使用寿命。针对上述问题,本文设计了一种数字化智能排绳器。该排绳器实现了实时、精确跟随和准确、及时的自动换向,适用于煤矿开采行业生产过程中长时间的连续排绳;具有误差自主补偿的能力,排绳效果好,不会出现压绳、咬绳、绞绳、排绳紊乱的现象,大大提高了钢丝绳的使用寿命。1数字智能立范器的机械结构设计1.1控制处理器、传感器、旋转编码、纠偏装置组成数字化智能排绳器主要由伺服电动机、控制处理器、角位移传感器、左右换向传感器、旋转编码器、丝杆、导绳轮、纠偏装置组成,其结构三维图如图1所示。1.2伺服电机控制信号与纠偏装置设计安装在卷扬机滚筒轴上的旋转编码器检测钢丝绳在滚筒上的精确位置,并将检测结果发送给控制处理器;控制处理器对检测结果进行处理后,发出伺服电动机的控制信号;伺服电动机转动并带动丝杆转动,从而带动导绳轮移动,实现实时跟随。在跟随过程中,纠偏装置通过安装在其后面的角位移传感器检测误差值,并控制处理器进行相应的误差补偿。当导绳轮移动到两端时,左右换向传感器感应到导绳轮的位置,控制处理器及时地发出换向指令,实现准确、及时的自动换向。1.3数字智能立钩器的重要部件设计1.3.1丝杆的排绳与直径丝杆的设计主要包括丝杆直径、行程、螺距的确定。为了保证排绳器与滚筒的同步排绳,设计时需保证丝杆行程L与滚筒的宽度d相等。丝杆的直径由丝杆的行程、导程和精度等级共同决定。丝杆的螺距由最大轴向移动速度Vmax、伺服电动机到丝杆之间的减速比i和伺服电动机的最大转速nmax决定,螺距计算公式为1.3.2数字化智能排绳器通过设置一种最大扭矩来体现伺服电动机的选择需考虑工作电压、电动机类型、功率、转矩、驱动器类型等。在数字化智能排绳器中所用的伺服电动机主要要求转矩大于丝杆工作过程中产生的最大扭矩。令出绳点经过排绳器到滚筒入绳点的距离为S,出绳点与入绳点在水平方向的距离为C,在数字化智能排绳器工作过程中钢丝绳受到的最大载荷拉力为F,导绳轮装置的质量为m,重力加速度为g,丝杆传动的摩擦力为μ,则丝杆受到的最大轴向载荷为丝杆受到的最大扭矩为式中:η为丝杆的传动效率。所选伺服电动机的额定转矩TN应为丝杆最大扭矩的1.5倍:伺服电动机的额定功率Pe可由额定转矩和额定转速n决定:2连接数字智能设备的实现2.1旋转编码配合问题的描述在排绳过程中,伺服电动机通过改变转速和方向来实现钢丝绳在滚筒和导绳轮上的同步移动。设旋转编码器的分辨率为K,每秒钟检测的脉冲数为M,钢丝绳直径为D2,丝杆螺距为D1,卷扬机的转速为R,则R=M/K,为了保证伺服电动机与卷扬机的同步跟随,要满足RD2=rD1。根据旋转编码器的实时检测数据,可得伺服电动机的理论跟随转速r=(MD2)/(KD1)。由于受旋转编码器检测精度、伺服电动机响应时间、伺服电动机控制精度等因素的影响,同步跟随存在跟随误差。本文采用前馈控制和PID控制算法相结合的方法,实现伺服电动机的位置闭环控制,从而实现误差补偿和精确控制。在PID闭环控制算法中,将导向轮所在的实际位置作为控制系统的反馈,该位置可通过伺服电动机的实际输出得到。而旋转编码器检测的钢丝绳在滚筒上的位置是导向轮在丝杆上的理论位置。将2个位置数据进行比较,得到跟随位置误差,再通过PID控制提高步进跟随的精度和系统稳定性。前馈控制将上个采样周期中导向轮位置的实际测量结果与理论计算结果进行比较,分析数字化智能排绳器的误差产生趋势,并用该趋势得到下一个周期的修正系数,从而达到事先减小偏差的目的,实现误差补偿。前馈控制使得跟随动作更加及时,跟随更加敏捷,实时性更强。PID控制和前馈控制原理如图2所示。其中,r(t)为排绳轮理论位置,u(t)为排绳轮实际位置,e(t)为排绳轮位置误差,c(t)为PID控制后伺服电动机实际设定位置,o(t)为上个周期中伺服电动机的转速。2.2自动换向控制准确、及时自动换向的实现原理:首次上电检测获得排绳的单周期行程S2,然后即可在每次换向时将伺服电动机的输出距离变量清零,重新计算伺服电动机的输出距离,当输出距离到达单周期行程S2时进行换向,并将距离变量再次置零,从而实现准确及时的换向。实现自动换向的关键是单周期行程S2的确定。在排绳轮移动到某一端时,安装在该端的换向传感器会获得感应信号,此时将伺服电动机的输出距离变量清零,导绳轮继续移动。伺服电动机接收到控制处理器的输出指令后,会做出相应的跟随、减速、停止、换向、加速等动作。伺服电动机执行到停止时,保存伺服电动机的输出距离S1,同时将输出距离变量清零。伺服电动机换向加速后继续跟随,直至感应到另一端的换向传感器,保存伺服电动机的输出距离S3,从而可得单周期行程S2=S1+S3。左右换向传感器在计算单周期行程S2时起到了不可缺少的作用,在数字化智能排绳器接下来的循环工作过程中,左右换向传感器每个周期行程都会被感应。控制处理器接收左右换向传感器的感应信号,判断数字化智能排绳器是否有序工作,从而起到程序保护的作用。2.3智能排绳器的工作原理数字化智能排绳器综合采用了前馈控制和PID控制算法,实现了对伺服电动机位置的闭环控制,达到了精确跟随的目的。同时,数字化智能排绳器采用了一套误差补偿装置,以确保在实际跟随不同步的情况下,能够得到及时、有效的补偿。钢丝绳经过纠偏装置,再经过导绳轮,最后缠绕在滚筒上。数字化智能排绳器跟随时可能滞后或者超前,钢丝绳会带动纠偏装置的左右圆杆旋转某个角度,此时安装在纠偏装置后方的角位移传感器感应到偏转的角度,并将检测信号输入控制处理器;控制处理器接收到该信号后,进行运算处理,并输出信号控制伺服电动机加速或者减速。3数字化智能排绳器控制部分为了说明数字化智能排绳器的应用效果,介绍一个数字化智能排绳器在煤矿开采小绞车中的应用实例。与数字化智能排绳器相关的技术参数见表2。根据上述技术参数和1.3节中的计算公式,进行数字化智能排绳器重要机械部件的选型。丝杆的行程L=d=800mm,通过计算得到丝杆的导程Dh为2.67mm,查机械设计手册,取Dh为5mm。由于数字化智能排绳器对丝杆没有严格的定位精度要求,只需要满足重复精度即可,所以精度等级选为C7级;根据计算出的丝杆行程和导程,查机械设计手册,选择丝杆外径为30mm。通过式(2)、式(3)计算可得,丝杆受到的最大轴向载荷为109.3N,最大扭矩为15.47N·m。所选伺服电动机的额定转矩应为最大扭矩的1.5倍,即伺服电动机的额定转矩TN为23.2N·m,查找伺服电动机选型手册,选择额定转矩为25N·m。通过式(5)计算可得额定功率为2.6kW,查找伺服电动机选型手册,取伺服电动机额定功率为3kW,额定转矩为25N·m,额定转速为1000r/min。数字化智能排绳器控制部分,实时、精确跟随模块程序的中断周期为20ms,旋转编码器的分辨率选择2000。左右换向传感器选用高灵敏度的电感式传感器,能够精确检测信号,使得自动换向更加及时、有效。角度传感器选用高灵敏度、非接触式的角度传感器,可以精确地检测出钢丝绳的倾斜状况。信号采集模块采样周期为10ms,能够快速地采集钢丝绳的倾斜情况并传送到处理器中进行运算处理,处理器发出相应的补偿信号,从而实现误差实时、精确补偿,使得排绳的同步性更加