УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИНЫ И УГЛА НАКЛОНА ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЙ СТРЕЛЫ ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к подъемно-транспортному оборудованию и может быть использована в системах безопасности грузоподъемных машин.
Известно устройство для определения длины и угла наклона телескопической стрелы грузоподъемной машины, содержащее датчик угла наклона стрелы в виде установленного на поворотной части крана потенциометра, ползунок которого с помощью поводка соединен с корневой секцией стрелы, и датчик линейного перемещения секций стрелы, включающий гибкий элемент в виде кабеля-троса, расположенный вдоль стрелы и закрепленный одним концом на ее оголовке, а другим - на подпружиненном кабельном барабане, снабженным токосъемником и установленным на корневой секции стрелы, и потенциометр, кинематически связанный с валом кабельного барабана при помощи передачи (см. авторское свидетельство СССР №447350, В66С 15/00, 23/88, 25.10.1974). Использование в данном устройстве потенциометрических датчиков с пропорциональным выходным сигналом дает возможность определить текущие параметры рабочего оборудования грузоподъемной машины (длину и угол наклона телескопической стрелы), однако таким датчикам присущ ряд недостатков. Во-первых, потенциометры имеют ограниченную рабочую зону по углу поворота их вала, поэтому с ростом диапазона изменения измеряемого параметра, в частности длины стрелы, требуется увеличение передаточного числа передачи, например, редуктора, что ведет к необходимости производства датчиков с различными редукторами и к снижению точности измерения параметра с увеличением диапазона его изменения. Во-вторых, потенциометры имеют ограниченное число рабочих циклов, что снижает ресурс датчиков перемещения, выполненных на их основе.
Известно также устройство для определения линейных перемещений рабочего оборудования грузоподъемной машины, содержащее датчик линейного перемещения контролируемого оборудования, содержащий активатор с постоянным магнитом, установленный на валу с возможностью вращения магнита при перемещении контролируемого оборудования, два геркона, установленные с возможностью срабатывания под воздействием поля постоянного магнита в последовательности, обусловленной направлением вращения вала, магнитный энкодер, постоянный магнит которого установлен на торце указанного вала, реверсивный счетчик импульсов, блок определения направления счета, масштабирующий умножитель, сумматор, задатчик выходной характеристики, формирователь выходной характеристики, коммутатор, супервизор и автономный источник питания (см. патент РФ на полезную модель №62916 U1, В66С 13/18, G01B 7/00, 10.05.2007). Данное устройство позволяет контролировать только один рабочий параметр грузоподъемной машины (линейное или угловое перемещение рабочего оборудования). Это приводит к необходимости применения в системе безопасности грузоподъемной машины отдельных дополнительных устройств для реализации этих функций и, соответственно, к ее усложнению.
Наиболее близким к предложенной полезной модели по совокупности существенных признаков является устройство для определения длины и угла наклона телескопической стрелы грузоподъемного крана, содержащее микроконтроллер с энергонезависимым запоминающим устройством, выполненный с возможностью подключения к линии связи непосредственно или через схему согласования, внешнюю питающую сеть, подключенные к микроконтроллеру датчик угла наклона стрелы в виде акселерометра и датчик линейного перемещения секций стрелы, включающий гибкий элемент в виде кабеля-троса, расположенный вдоль стрелы и закрепленный одним концом на ее оголовке, а другим - на подпружиненном кабельном барабане, снабженным токосъемником и установленным на корневой секции стрелы, и магнитный энкодер, выполненный приводным от кабельного барабана и включающий магниточувствительную микросхему-преобразователь и постоянный магнит. Вал кабельного барабана кинематически связан с магнитом магнитного энкодера при помощи какой-либо передачи, например, в виде редуктора (см. патент РФ на полезную модель №47342 U1, В66С 23/64, 27.08.2005). В данном устройстве диаметр кабельного барабана и передаточное отношение редуктора выбираются таким образом, чтобы изменению длины телескопической  стрелы от минимального до максимального значения соответствовал угол поворота магнита магнитного энкодера не более 360°, поэтому с ростом диапазона изменения измеряемого параметра (длины стрелы) требуется увеличение передаточного числа редуктора, что ведет к необходимости производства датчиков линейного перемещения с различными редукторами и к снижению точности измерения параметра с увеличением диапазона его изменения. Недостатком данного устройства является также и то, что в случае реализации его в виде подпружиненного кабельного барабана, снабженного токосъемником и встроенной электронной схемой, включающей датчик угла наклона стрелы в виде акселерометра, показания данного датчика (увеличение/уменьшение сигнала на выходе датчика при увеличении/уменьшении угла наклона телескопической стрелы) будут зависеть от места расположения кабельного барабана на корневой секции телескопической стрелы, т.е, на какой из боковых сторон телескопической стрелы установлен кабельный барабан. Однако в известном техническом решении не предусмотрена возможность корректировки программы работы микроконтроллера в зависимости от места расположения кабельного барабана на телескопической стреле, и это обстоятельство следует учитывать при монтаже устройства на конкретном грузоподъемном механизме.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства для определения длины и угла наклона телескопической стрелы грузоподъемной машины, обладающего повышенной надежностью и точностью измерения в широком диапазоне изменения длины телескопической стрелы. Дополнительной задачей полезной модели является создание устройства, которое допускало бы возможность установки подпружиненного кабельного барабана, снабженного токосъемником и встроенной электронной схемой, на любой из боковых сторон корневой секции телескопической стрелы.
Решение поставленных задач и достижение технического результата обеспечивается тем, что в устройстве для определения длины и угла наклона телескопической стрелы грузоподъемной машины, содержащем микроконтроллер с энергонезависимым запоминающим устройством, выполненный с возможностью подключения к линии связи непосредственно или через схему согласования, питающую сеть, подключенные к микроконтроллеру датчик угла наклона стрелы в виде акселерометра и датчик линейного перемещения секций стрелы, включающий гибкий элемент в виде кабеля-троса, расположенный вдоль стрелы и закрепленный одним концом на ее оголовке, а другим - на подпружиненном кабельном барабане, снабженным токосъемником и установленным на корневой секции стрелы, и магнитный энкодер, выполненный приводным от кабельного барабана и включающий магниточувствительную микросхему-преобразователь и постоянный магнит, согласно полезной модели, в датчик линейного перемещения секций стрелы введены закрепленный на валу токосъемника активатор с постоянным магнитом, в качестве которого использован постоянный магнит магнитного энкодера, и, по крайней мере, два датчика магнитного поля, установленные с возможностью срабатывания под воздействием поля постоянного магнита в последовательности, обусловленной направлением вращения вала токосъемника, при этом выходы датчиков магнитного поля подключены к дополнительным входам микроконтроллера, а микроконтроллер выполнен с возможностью изменения направления отсчета угла наклона стрелы и изменения разрешающей способности датчика линейного перемещения секций стрелы по внешним управляющим командам, полученным по линии связи, с сохранением данных в энергонезависимом запоминающем устройстве.
Достижению технического результата способствуют также частные существенные признаки полезной модели.
Микроконтроллер может быть выполнен с возможностью запоминания адресов датчиков, присваиваемых с помощью внешнего устройства по линии связи устройства с регистрирующей аппаратурой.
Предпочтительно, микроконтроллер имеет дополнительный информационный вход для подключения датчика пересечения фиксированной точкой секции телескопической стрелы, по меньшей мере, одной контрольной точки, находящейся в рабочей зоне перемещения секций телескопической стрелы, и микроконтроллер приспособлен для коррекции показаний датчика линейного перемещения по сигналам с датчика пересечения фиксированной точкой секции телескопической стрелы контрольной точки.
В качестве датчика пересечения фиксированной точкой секции телескопической стрелы контрольной точки может быть использован датчик стопорения секций телескопической стрелы или датчик полностью втянутой секции стрелы.
Устройство может быть снабжено подключенным к питающей сети блоком бесперебойного питания со встроенным автономным источником питания для подключения его к микроконтроллеру при отключении питающей сети от устройства и формирования сигнала на переход микроконтроллера в режим пониженного энергопотребления с отключением питания магнитного энкодера и акселерометра.
Предпочтительно, микроконтроллер, микросхема акселерометра и микросхема-преобразователь магнитного энкодера расположены на одной печатной плате.
Кроме того, предлагаемое устройство может быть снабжено устройством термостатирования микросхемы акселерометра.
Устройство может быть снабжено элементами для защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода и импульсных помех по цепи питания и линии связи устройства с регистрирующей аппаратурой.
Предпочтительно, датчик линейного перемещения секций стрелы снабжен тремя датчиками магнитного поля, смещенными друг относительно друга на 45°, в качестве которых использованы герконы, а активатор выполнен с шунтированием магнитного потока за пределами области срабатывания датчиков магнитного поля, например, в виде круглой пластины из немагнитного материала, на внешней поверхности которой закреплена дополнительная круглая пластина из магнитомягкого материала с вырезом на ее поверхности грибовидной формы, состоящим из размещенных по обе стороны относительно диаметра полукруглой и прямоугольных частей, а постоянный магнит активатора имеет прямоугольную форму и размещен в фигурном вырезе с гарантированными зазорами между его боковыми поверхностями и примыкающими к ним боковыми поверхностями прямоугольной части фигурного выреза, при этом один из концов магнита контактирует с торцом указанного прямоугольного выреза.
Введение в датчик линейного перемещения секций стрелы активатора с постоянным магнитом, в качестве которого использован постоянный магнит магнитного энкодера, и, по крайней мере, двух датчиков магнитного поля, установленных с возможностью срабатывания под воздействием поля постоянного магнита в последовательности, обусловленной направлением вращения вала токосъемника, и подключенных к дополнительным входам микроконтроллера, позволяет создать датчик линейного перемещения секций стрелы без использования какой-либо механической передачи с присущим ее люфтом, что повышает точность измерений, а также упрощает конструкцию данного датчика и повышает надежность устройства. При этом сигнал, формируемый на выходе микроконтроллера, соответствует углу поворота активатора с дискретностью магнитного энкодера и при практически неограниченном количестве оборотов вала кабельного барабана. Поэтому нет необходимости производства датчиков с различными редукторами для использования предлагаемого устройства на различных грузоподъемных механизмах. Кроме того, выполнение микроконтроллера с возможностью изменения направления отсчета угла наклона стрелы и изменения разрешающей способности датчика линейного перемещения секций стрелы по внешним управляющим командам, полученным по линии связи, с сохранением данных в энергонезависимом запоминающем устройстве, упрощает привязку устройства на грузоподъемной машине.
Выполнение микроконтроллера с дополнительным информационным входом для подключения датчика пересечения фиксированной точкой секции телескопической стрелы, по меньшей мере, одной контрольной точки, находящейся в рабочей зоне перемещения секций телескопической стрелы, повышает точность определения длины телескопической стрелы за счет многократной корректировки показаний датчика линейного перемещения секций стрелы по сигналам с датчика пересечения фиксированной точкой секции телескопической стрелы контрольной точки в процессе работы грузоподъемной машины.
Снабжение устройства блоком бесперебойного питания позволяет отследить перемещение рабочего оборудования грузоподъемной машины при отсутствии стационарного питания от бортсети грузоподъемной машины.
Снабжение устройства элементами для защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода и импульсных помех по цепи питания и линии связи устройства с регистрирующей аппаратурой предотвращает выход из строя электронных компонентов предлагаемого устройства и регистрирующей аппаратуры, а также повышает надежность передачи данных между приборами.
Термостатирование микросхемы акселерометра уменьшает погрешности измерения угла наклона стрелы акселерометром от температуры окружающей среды.
Снабжение датчика линейного перемещения секций стрелы тремя датчиками магнитного поля, смещенными друг относительно друга на 45°, позволяет повысить надежность определения количества оборотов кабельного барабана, а выполнение активатора с шунтированием магнитного потока за пределами области срабатывания датчиков магнитного поля исключает их ложные срабатывания.
Таким образом, достигаемый технический результат выражается в повышении надежности устройства и точности измерений.
На фиг.1 показана функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - конструкция кабельного барабана со встроенным токосъемником и электронной схемой; на фиг.3 - вид А на фиг.2; на фиг.4 - вид Б на фиг.3; на фиг.5 - вид В на фиг.3.
Устройство для определения длины и угла наклона телескопической стрелы 1 грузоподъемной машины содержит микроконтроллер 2 с энергонезависимым запоминающим устройством (на чертеже не показано), датчик 3 линейного перемещения секций стрелы, датчик 4 угла наклона стрелы, датчик 5 полностью втянутой секции стрелы, схему 6 согласования с линией связи, питающую сеть, и блок 7 бесперебойного питания со встроенным автономным источником питания (на чертеже не показан).
Датчик 3 линейного перемещения секций стрелы включает в себя гибкий элемент 8 в виде кабеля-троса, расположенный вдоль телескопической стрелы 1 и закрепленный одним концом на его оголовке 9, а другим - на подпружиненном кабельном барабане 10, установленном на корневой секции 11 стрелы, магнитный энкодер, выполненный приводным от кабельного барабана 10 и включающий магниточувствительную микросхему-преобразователь 12 и постоянный магнит 13, активатор 14 с постоянным магнитом, в качестве которого использован постоянный магнит 13 магнитного энкодера, и три датчика магнитного поля в виде герконов 15.
Подпружиненный кабельный барабан 10 выполнен с встроенным токосъемником 16, вал 17 которого связан с выходным валом 18 кабельного барабана. На свободном конце вала 17 токосъемника закреплен активатор 14 с постоянным магнитом 13 прямоугольной формы. Активатор 14 выполнен в виде круглой пластины из немагнитного материала, на внешней поверхности которой закреплена дополнительная круглая пластина 19 из магнитомягкого материала с вырезом 20 на ее поверхности грибовидной формы, состоящим из размещенных по обе стороны относительно диаметра полукруглой 21 части и прямоугольной части 22. Постоянный магнит 13 активатора 14 размещен в фигурном вырезе 20 с гарантированными зазорами Δ между его боковыми поверхностями и примыкающими к ним боковыми поверхностями прямоугольной части 22 фигурного выреза 20 и контактирует с торцом указанного прямоугольного выреза 22.
На неподвижной части токосъемника 16 закреплена печатная плата 23, на которой размещены три датчика магнитного поля в виде герконов 15, продольные оси которых смещены друг относительно друга на 45°, микроконтроллер 2, микросхема-преобразователь 12 магнитного энкодера, датчик 4 угла наклона стрелы в виде акселерометра, схема 6 согласования с линией связи, и блок 7 бесперебойного питания со встроенным автономным источником питания (на чертеже не показан).
На печатной плате 23 размещено также устройство термостатирования микросхемы акселерометра, включающее в себя термореле 24, управляемое микроконтроллером 2, и электронагреватель 25. Микросхема акселерометра, термореле и электронагреватель расположены рядом и снабжены общим теплоизолирующим экраном 26.
Кроме того, на печатной плате 23 могут быть также смонтированы известные элементы для защиты устройства от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода и импульсных помех по цепи питания и линии связи (на чертеже не показаны), выбор которых не представляет труда для специалистов.
Микросхема-преобразователь 12 магнитного энкодера подключена к микроконтроллеру 2 с помощью двухсторонней линии связи. Выход акселерометра подключен к аналоговому входу микроконтроллера. Выходы герконов 15, а также выход датчика 5 полностью втянутой секции стрелы подключены к регистрирующим входам микроконтроллера 2. Термореле 24 связано с микроконтроллером 2 с помощью цифровой линии связи. Электронагреватель 25 подключен к питающей сети через термореле 24. Блок 7 бесперебойного питания подключен к питающей сети грузоподъемной машины. К блоку 7 бесперебойного питания подключены линия питания магнитного энкодера, линия питания акселерометра, а также линия питания микроконтроллера. Микроконтроллер 2 подключен с помощью схемы 6 согласования к двусторонней линии связи устройства с регистрирующей аппаратурой.
Микроконтроллер выполнен с возможностью:
подключения к линии связи непосредственно или через схему согласования;
запоминания адресов датчиков, присваиваемых с помощью внешнего устройства по линии связи с регистрирующей аппаратурой;
изменения направления отсчета угла наклона стрелы;
изменения разрешающей способности датчика линейного перемещения;
коррекции показаний датчика линейного перемещения секций стрелы по сигналам с датчика пересечения фиксированной точкой секции телескопической стрелы контрольной точки.
Указанные установки могут быть выполнены по внешним управляющим командам, полученным по линии связи устройства с регистрирующей аппаратурой, с сохранением данных в энергонезависимом запоминающем устройстве.
В качестве микроконтроллера 2 можно использовать, например, микросхему MSP430F147 фирмы "Texas Instruments" (США), а в качестве микросхемы-преобразователя 12 магнитного энкодера - микросхему MLX 90316 фирмы "Milexis".
Схема 6 согласования с линией связи включает в себя в общем виде контроллер стандартного последовательного интерфейса, например, CAN, и приемопередатчик этого интерфейса для подключения к общему последовательному интерфейсному каналу. В случае, когда микроконтроллер содержит в себе контроллер последовательного интерфейса, то схема согласования с линией связи может включать в себя только приемопередатчик последовательного интерфейса. В качестве контроллера последовательного интерфейса можно использовать, например, микросхемы МСР2515 или микросхемы SJA1000, а в качестве приемопередатчиков последовательного интерфейса - микросхемы SN65HVD1040 или ISO1050DUB (в случае использования интерфейсной шины CAN). Кроме того, схема согласования с линией связи может быть выполнена на основе специализированной микросхемы TJA1050T.
Блок 7 бесперебойного питания может быть реализован на базе компаратора MAX9117EXK-Т.
В качестве автономного источника питания может быть использована, например, батарея SL-360/PT.
В качестве термореле 24 можно использовать микросхему DS1631 фирмы "Dallas Semiconductor", а в качестве электронагревателя 25 - транзистор IRL540N с внешним токозадающим резистором, включенный по схеме источника тока.
Устройство работает следующим образом.
При любом положении выдвижных секций телескопической стрелы, подпружиненный кабельный барабан 10, взаимодействующий с гибким элементом 8 (кабелем-тросом), обеспечивает его постоянное натяжение.
Перемещение секций телескопической стрелы вызывает вращение вала 18 кабельного барабана 10 и соединенного с ним вала 17 токосъемника 16 с активатором 14 и постоянным магнитом 13. При вращении постоянного магнита 13 активатора 14, который одновременно является и постоянным магнитом магнитного энкодера, происходит срабатывание герконов 15, служащих для определения точки начала отсчета, подсчета числа оборотов и определения направления вращения. Число оборотов определяется по количеству срабатывания герконов 15, направление вращения вала 18 кабельного барабана 10 определяется порядком срабатывания герконов 15. Одновременно при вращении вала 18 кабельного барабана 10 магнитный энкодер регистрирует прохождение магнитных полюсов вращающегося постоянного магнита 13 непосредственно вблизи чувствительного элемента - микросхемы-преобразователя 12, преобразуя эти данные в соответствующий цифровой код. Выходные сигналы датчиков 3, 4 и 5 поступают на входы микроконтроллера 2. Микроконтроллер 2 обрабатывает полученную информацию в соответствии с программой его работы и выдает через схему 6 согласования результаты в регистрирующую аппаратуру в цифровом виде по CAN-каналу.
При отключении питающей сети от устройства блок 7 бесперебойного питания отключает магнитный энкодер и акселерометр от питающей сети и формирует управляющий сигнал на переход микроконтроллера 2 в режим пониженного энергопотребления («спящий режим») с питанием от батареи, т.е. когда он потребляет ток на уровне микроампер. Микроконтроллер «просыпается» когда изменяется состояние хотя бы одного из датчиков магнитного поля (герконов 15). Далее микроконтроллер 2 корректирует значение полных оборотов вала датчика 3 линейного перемещения в своем оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) и снова переходит в «спящий режим».
При работе устройства микроконтроллер 2 задает пороги срабатывания устройства термостатирования микросхемы акселерометра, поддерживая заданную температуру в пространстве, ограниченном теплоизолирующим экраном 26.
Предлагаемое устройство может быть изготовлено промышленным способом с использованием современных материалов, электронных компонентов и технологий.