Способ определения координат мостового крана
METHOD FOR DETERMINING THE COORDINATES OF AN OVERHEAD CRANE

Устройство относится к измерительной технике, а именно к способу определения координат мостового крана, и может быть использовано для измерения координат перемещения крана относительно подкрановой площадки.
Известна система программного управления мостовым краном, содержащая мост, установленный на параллельных рельсах с помощью колес, первый и второй приводы, размещенные на нервом и втором концах моста и кинематически связанные с колесами, взаимодействующими, соответственно, с первым и вторым рельсами, тележку, оснащенную третьим приводом и механизмом захвата груза, установленную на мосту с возможностью перемещения вдоль него перпендикулярно рельсам, первое устройство отсчета перемещений моста, задатчик перемещений моста и первый блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом первого устройства отсчета перемещений моста, а второй вход соединен с задатчиком перемещений моста, устройство отсчета перемещений тележки по мосту, задатчик перемещений тележки и второй блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом устройства отсчета перемещений тележки, а второй вход соединен с задатчиком перемещений тележки, отличается от прототипа тем, что она снабжена вторым устройством отсчета перемещений моста, первым, вторым и третьим дополнительными задатчиками, первым и вторым ограничителями сигнала, первым и вторым нуль-органами, первым и вторым ключами, третьим и четвертым блоками сравнения, сумматором, усилителем и сдвоенным двухпозиционном переключателем с двумя входами и четырьмя выходами. Рабочий вход первого ограничителя соединен с выходом первого блока сравнения, его настроечный вход соединен с первым дополнительным задатчиком, а выход связан с первым входом двухпозиционного переключателя, рабочий вход второго ограничителя соединен с выходом второго блока сравнения, его настроечный вход соединен со вторым дополнительным задатчиком, а выход связан со вторым входом двухпозиционного переключателя, первый выход переключателя и выход первого ключа соединены с первыми входами сумматора и четвертого блока сравнения, второй выход переключателя соединен с рабочим входом первого ключа, третий выход переключателя соединен с рабочим входом второго ключа, четвертый выход переключателя и выход второго ключа соединены со входам первого нуль-органа и с третьим приводом, выход первого нуль-органа соединен с управляющим входом первого ключа, вход второго нуль-органа соединен с выходом четвертого блока сравнения, а выход связан с управляющим входом второго ключа, выход первого устройства отсчета перемещений моста соединен с первым входом третьего блока сравнения, выход второго устройства отсчета перемещений моста соединен со вторым входом третьего блока сравнения, выход третьего блока сравнения соединен с рабочим входом усилителя, настроечный вход усилителя соединен с третьим дополнительным задатчиком, а выход связан со вторым входом сумматора и вторым входом четвертого блока сравнения, выход сумматора связан со вторым приводом моста, выход четвертого блока сравнения связан с первым приводом моста. Устройства отсчета перемещений моста и тележки выполнены в виде дальномеров, первый дальномер установлен на первом конце моста параллельного первому рельсу, второй дальномер установлен на втором конце моста параллельно второму рельсу, дальномер отсчета перемещений тележки установлен на мосту параллельно нему. При этом установка первого и второго дальномеров выполнена с возможностью их взаимодействия со стеной помещения, в котором смонтирован кран, а дальномер отсчета перемещения тележки установлен с возможностью взаимодействия с тележкой (RU 127734, МПК B66C 17/00, B66C 13/08, B66C 13/16, C66C 13/30, B66C 13/38, опубл. 10.05.2013).
Недостатком известного решения является то, что в аналоге применены в качестве измерителя лазерные дальномеры, использующие лазерный луч для определения расстояния, который может быть не безопасен для сетчатки глаза человека.  Кроме того, подобное решение имеет довольно высокую стоимость для реализации.
Известен кран-манипулятор с автоматизированной системой управления для перемещения контейнера с радиоактивными отходами, в котором ориентируемый грузоподъемный механизм выполнен состоящим из четырех нарезных синхронно вращающихся барабанов с закрепленными на них концами грузовых канатов, два же ведущих барабана соединены через редуктор, тормоза с приводом грузоподъемного механизма и кинематически связаны с остальными двумя ведомыми барабанами. При этом захват представляет собой жесткий объемно-пространственный корпус, включающий опорную раму, рамную траверсу с вертикальными стойками и центральную стойку, закрепленную на раме, а также лапы захвата с зубьями зацепления, установленные на опорной раме с возможностью поворота и соединенные посредством тяг с приводом этого поворота, размещенным в полости центральной стойки. В качестве дальномеров использованы размещенные на краях моста и тележки лазерные датчики измерения расстояний относительно осей координат Х и Y. Устройство же фиксации пространственного положения грузовой тележки выполнено в виде оптоэлектронной системы ее наведения, в частности, на транспортную платформу, перемещающую радиоактивные отходы, а система управления создана как единая автоматизированная система программного управления передвижением крана и работой захвата по всему циклу их функционирования в соответствии с имеющимися алгоритмами программ, причем управление краном и захватом осуществляется дублировано, как с радиопульта, так и с пульта ручного управления. Предотвращение перекоса захвата относительно горизонта и устранение вращения его вокруг вертикальной оси обеспечивается в основном грузоподъемным механизмом, особенность которого заключается в том, что его четыре барабана установлены попарно и параллельно друг другу, причем два из них ведущие барабаны находятся на одной оси и соединены вместе, а два ведомых - аналогично соединены, как и два первых барабана и связаны кинематически с ними зубчатой передачей. Два каната ведомых барабанов одним концом закрепляют на их поверхностях, а вторые, проходя через блок подвески, запасованы на раме тележки. Третий канат одним концом прикреплен к поверхности одного из ведущих барабанов, проходит через блок подвески, затем поступает на уравнительные блоки, откуда направляется на другой блок подвески, и после чего наматывается на второй ведущий барабан. Таким образом, предложенная схема запасовки канатов грузоподъемного механизма обеспечивает не только соблюдение горизонтального положения захвата, закрепленного на проушинах подвески, но и устраняет возможность его поворота вокруг вертикальной оси. Для проведения ремонтных работ на подвеске крана кроме установки захвата предусмотрено и размещение грузового крюка. На этой же подвеске находится и токоподвод захвата (RU 111532, МПК B66C 17/00, опубл. 20.12.2011).
Среди недостатков указанного решения можно выделить значительные затраты на реализацию и применение в качестве измерителя лазерных дальномеров, не безопасных для сетчатки глаза человека.
Известна система автоматического командного наведения крана на координаты центрального зала атомной станции, которая имеет в наличии цифровую карту пола центрального зала и два информационно-измерительных канала - цифровой и аналоговый. При этом цифровой измерительный канал включает в свой состав размещенный на мосту крана измеритель координаты его местоположения, измерители координат местонахождения и высоты подвески с крюком, размещенные на тележке, а также прибор наведения и панельный компьютер цифровой карты, установленные на изолированном общем пульте управления краном. В состав аналогового измерительного канала входят телевизионная камера, лазерные целеуказатели, закрепленные на краях тележки с помощью имеющих винтовой механический привод поворотных платформ, позволяющих осуществлять настройку ориентации лучей целеуказателей по азимуту и зениту и предназначенных для наведения образованной световой марки на пол центрального зала в точке проекции крюка крана, телевизионный монитор и блок его управления, которые установлены на изолированном пульте управления работой крана, причем прибор наведения и панельный компьютер цифровой карты представляют собой цифровые устройства и реализуют для обеспечения надежности работы крана сходные функции визуализации положения и формирования сигналов наведения и расположены совместно с телевизионным монитором, образуя единый пульт наведения и контроля за перемещением крана по разрешенному пространству центрального зала. Управление наведением крана на заданную координату осуществляется с помощью единого комплекса средств программного управления. Прибор наведения при этом представляет собой микропроцессорное устройство (контроллер), имеющий свой блок питания и интерфейс RS-485, а на его передней панели размещены две клавиатуры управления, индикаторы текущих координат и индикаторы прицеливания - «перекрестье».  Система в целом характеризуется тем, что измерители координат местоположения крана и тележки включают в свой состав контроллер, связанный через интерфейс с лазерным дальномером, взаимодействующим с оптическими мишенями. Для определения местоположения подвески с крюком относительно пола зала система состоит из связанных между собой контроллера, абсолютного шифратора координаты и редуктора, взаимодействующего с приводным колесом. В качестве первичных измерителей координат местонахождения моста и тележки крана использованы лазерные дальномеры. Система также характеризуется и тем, что единый комплекс цифровых средств аппаратно-программного управления составлен из соединенных шиной измерителей координат местоположения моста и тележки крана, измерителя координаты местонахождения по высоте подвески с крюком крана относительно пола зала, прибора наведения, панельного компьютера цифровой карты, связанного с ЭВМ общего пользования, при этом все измерительные каналы снабжены общим блоком питания, а работающий автономно аналоговый канал также имеет индивидуальный блок питания и блок управления (RU 124256, МПК B66C 17/00, опубл. 20.01.2013).
Недостатком данного решения является сложность устройства и его высокую стоимость, применение опасных лазерных дальномеров для сетчатки глаза человека, контролирующего процесс.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является мостовой кран кругового действия для атомной электростанции, содержащий подкрановый монорельс, мост, тележку, грузовую подвеску дополнительно оснащен расчетно-управляющим контроллером со встроенной программой, блокирующей вхождение крановой подвески в запрещенную зону и лазерными дальномерами для определения пространственных координат грузовой подвески. Положение каждого из крановых устройств - моста, тележки и грузовой подвески определяют с помощью установленных в крановой системе лазерных дальномеров (RU 83241, МПК B66C 17/06, опубл. 27.05.2009).
Недостатками прототипа, как и аналогов, является сложность и неэкономичность технической реализации, затрудненность функционирования и высокая погрешность во время атмосферных осадков и сложных метеоусловий, применение в качестве измерителя лазерных дальномеров не безопасных для сетчатки глаза человека лазерных лучей для определения расстояния.
Все вышеприведенные технические решения относятся к системам обработки информации от измерителей длины и не могут сравниваться с заявленным способом измерения, по этой причине их невозможно сравнивать с заявленным методом измерения и получения координат положения мостового крана.
Технический результат, при использовании заявленного изобретения, заключается в повышении скорости и точности измерений за счет определения координат через сопротивление участка рельсы.
Сущность изобретения заключается в том, что способ определения координат мостового крана заключается в переводе сопротивления участка рельсы в величину длины. Эта величина не зависит от погодных условий (дождь, снег) и не меняет величину при измерениях в разных погодных условиях. Лазерные лучи не смогут работать в снежных условиях. Также способ безопасен для людей по физическим характеристикам. Используют прибор, измеряющий сопротивление участка рельс от крана до края подкрановой площадки, рассчитывают общее сопротивление, используемое для вычисления координат, концы рельс подключают кабелем к измерительной части прибора, измерение сопротивления рельс производят с помощью измерительного моста, в диагональ которого включено измеряемое сопротивление, мост преобразует сопротивление в  постоянное напряжение, которое усиливается с помощью дифференциального усилителя операционного усилителя, далее аналоговый сигнал преобразуются в дискретные величины 24-битным аналого-цифровым преобразователем, микроконтроллер прибора опрашивают по прерыванию аналого-цифровым преобразователем и получает данные измерений по шине i2C, полученные данные помещаются в буфер обмена, рассчитывают дискретное значение после усреднения буфера, осуществляют поиск длины рельс от края до крана, процедуру калибровки выполняют с помощью лазерного дальномера и мобильного телефона.
На фиг. 1 показана схема измерительного участка, на фиг. 2 показана структурная схема прибора определения координат.
Способ осуществляют следующим образом.
Способ определения координат мостового крана заключается в использовании прибора, измеряющего сопротивление участка рельс от крана до края подкрановой площадки. Подкрановый путь можно представить в виде двух реостатов плечи, которые меняют свое сопротивление в зависимости от расположения крана на рельсах. Общая величина сопротивления будет иметь величину пропорционально длине рельса от крана до края рельса.
Общее сопротивление, используемое для вычисления координат, вычисляют по следующей формуле:
R4 = R1 + R2 + R3,
где R1 – сопротивление правого плеча рельса,
R2 – сопротивление конструкции крана константа,
R3 – Сопротивление левого плеча рельса.
Концы рельс подключаются кабелем к измерительной части прибора.
Измерение сопротивления рельс производится с помощью измерительного моста 1, в диагональ которого включено измеряемое сопротивление. Мост преобразует сопротивление в  постоянное напряжение, которое усиливается с помощью дифференциального усилителя 2 операционного усилителя. Далее аналоговый сигнал преобразуются в дискретные величины 24-битным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 3. Микроконтроллер прибора 5 через каждые 40 мс опрашивают по прерыванию АЦП 3 и получает данные измерений по шине i2C.  Полученные данные помещаются в буфер обмена. По алгоритму обработки их два, когда первый накапливает данные, второй обрабатывает. Размер обоих буферов по 14 байт каждый. При заполнении буфера, запускается первая функция обработки буфера. Обнуляются 3 байта, имеющие самое большое значение, и 3 байта, имеющие самое низкое значение. Этим фильтром удаляются выборки значений измерений, которые были подвержены шумовым помехам от электрических наводок и токов земли. В результате обнуления эти байты в буфере не будут влиять на результат при последующей обработке. Далее операция усреднения,  уменьшает шум АЦП 3,  повышая точность измерения. Суммируют буфер и делят на 8. Рассчитывают дискретное значение после усреднения буфера Р:
Данной обработки достаточно для ситуации, когда кран стоит неподвижно, но он может двигаться в разных направлениях и с разной скоростью. Для этого необходимо найти коэффициент предсказания (K) по следующей методике. При вычислении (P)старое значение(P) сравнивается с переменной (Pp) которая хранит предыдущее значение (P).
В результате получают, что при K = 0 кран неподвижен, при K>0 кран движется вперед, величина пропорциональна скорости, при K<0 кран движется назад, величина пропорциональна скорости.
Pr = P+K*k,
где k – коэффициент задается при калибровке системы для уменьшения значения (K).
Следующий этап, поиск длины рельс от края до крана. Для этого надо от полученного значения (Pr) отнять (P0) эта дискретная величина измерения хранится во Flash памяти и записывается при калибровке прибора кран при этом расположен в нулевой точке кoординат:
Pd=Pr–P0.
Для перевода (Pd)в величину длины (L) в см:
L= Pd * Kd,
где Kd – коэффициент, полученный при калибровке, также хранится в памяти и вычислен по следующей формуле:
Kd = Lk/L,
где Lk – длина, измеренная лазерным дальномером от нулевой точки координат до крана в максимальном удалении в см.
Перевод дискретных величин длины в см, где Lx – координата в см:
Lx= Pd/Kd.
После вычисления (Lx) координата выводится на светодиодный индикатор 6. Также выводится при запросах внешних по протоколу ModbusRTU. Процедура калибровки выполняется с помощью лазерного дальномера и сотового телефона. Сначала кран устанавливается в нулевую точку координат, затем подключаемся к пробору через WiFi (поз. 7) имя точки доступа (Kranx) пароль (admx) в браузере телефона набираем ip адрес 192.168.4.1 появится Wеb интерфейс через который можно менять статические данные записанные в приборе:
1. Название точки доступа.
2. Пароль точки доступа.
3. Lk – длина, измеренная лазерным дальномером от нулевой точки координат до   крана в максимальном удалении в см.
4. Нажатием кнопки записываются данные P0 калибровка 0 координаты.
5. Адрес устройства в сети по шине RS485 (поз. 4).
6. Скорость обмена в сети по шине RS485 (поз. 4).
Необходимо в интерфейсе нажать кнопку калибровки 0, при этом на светодиодном индикаторе прибора 6 появится сообщение “Выполнена калибровка 0”. Далее кран перегоняют в удаленное положение и вводят данные измеренные лазерным дальномером от нулевой координаты до крана, в окно ввода (расстояние до крана). На этом калибровка закончена, прибор начинает координаты в соответствии с положением.
Обмен данных по RS485 (поз. 4) выполняет две функции, первая передача текущей координаты, вторая получение данных о текущем состоянии крана (движение вперед, движение назад, неподвижен). Это повышает скорость и точность измерений.
Таким образом, заявленный способ является очень точным, широко используется в метрологии точного измерения размеров деталей, измерении веса, а также контрольно-измерительных приборах.