一種板坯夾鉗高度智能檢測設備的制造方法
【專利摘要】一種板坯夾鉗高度智能檢測設備，包括測量模塊、校正限位、解碼模塊、CPU模塊、SPC3模塊和DP接口模塊；其特征在于測量器模塊與解碼模塊相連；解碼模塊和校正限位與CPU模塊相連；CPU模塊和SPC3模塊相連；SPC3模塊和DP接口模塊相連；校正限位為旋轉(zhuǎn)凸輪限位，凸輪限位與編碼器通過減速齒輪組進行機械連接。采用測量模塊作為高度檢測傳感器，通過解碼模塊將數(shù)據(jù)傳遞到CPU，然后由CPU通過的SPC3芯片和DP接口電路將數(shù)據(jù)發(fā)送到DP總線上，完成與總線上PLC的通訊；測量模塊實現(xiàn)高度檢測，解碼模塊實現(xiàn)測量模塊的數(shù)據(jù)解碼，CPU模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，SPC3模塊完成Profibus數(shù)據(jù)的接收的發(fā)送，實現(xiàn)CPU和Profibus的接口，DP接口實現(xiàn)Profibus和電氣連接，同時具有電氣隔離功能。
【專利說明】
一種板坯夾鉗高度智能檢測設備
技術領域
[0001]本專利屬于自動化控制技術領域，涉及一種板坯夾鉗高度智能檢測設備。
【背景技術】
[0002]在鋼鐵企業(yè)熱乳、冷乳、連鑄等廠區(qū)主要使用起重機搬運板坯，而起重機也要依靠板還夾鉗來搬運板還O為了提高工作效率，通常需要一次搬運多塊板還，而搬運不同數(shù)量板坯需要將板坯夾鉗的鉗爪升降不同的高度，在目前市場上多數(shù)夾鉗均采用司機目測的方法來進行夾鉗的高度控制，精度沒有保證，很容易出現(xiàn)安全事故。少數(shù)夾鉗會采用限位開關來指示夾鉗的升降高度，在不同板坯位置安裝限位開關，這種方法將比人工目測可靠一些，但由于限位需要安裝在鉗腿上，否則無法做到位置檢測，而在熱乳和連鑄廠區(qū)，都是需要搬運紅坯(溫度高于800°C)這就導致限位開關需要耐高溫，不過即使增加各種防護措施，但限位開關仍然壽命很短，故障率很高，可靠性很低。在寶鋼內(nèi)部分廠區(qū)采用了進口夾鉗，具有高度檢測裝置，裝置安裝在夾鉗上方平臺上，具有隔熱板和防護措施，采用的傳感器是自整角機，效果非常不錯，精確度和穩(wěn)定性都很高，可以提供連續(xù)的高度位置數(shù)據(jù)，方便起重機PLC實現(xiàn)智能化控制。不過如今基本已經(jīng)工作20年左右，多數(shù)已經(jīng)損壞，部分在用設備也存在精度降低，穩(wěn)定性下降的問題。在目前大力推廣自動化行車的形式下，目前的高度檢測設備都已經(jīng)無法滿足要求了，所以急需采用一種新型的可靠穩(wěn)定的高度檢測設備來滿足起重機自動化改造的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述問題，本專利提供一種有效地解決方案，實現(xiàn)板坯夾鉗高度智能檢測設備，用于起重機自動化的改造。本專利采用嵌入式控制系統(tǒng)，為獨立設備，提供可目前市場上應用最為廣泛的Profibus接口，可以與多種廠家的PLC進行通訊連接。采用了自整定、自校驗、多重濾波算法，提供了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)輸出?？梢酝ㄟ^PLC設定參數(shù)實現(xiàn)高度換算和板坯固定位置節(jié)點的整定，為起重機PLC提供有效高度數(shù)據(jù)和固定的板坯位置節(jié)點數(shù)據(jù)，不需要起重機PLC再次進行換算，有效降低起重機的PLC的計算工作量。
[0004]本專利解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0005]該板坯夾鉗高度智能檢測設備包括測量模塊、校正限位、解碼模塊、CPU模塊、SPC3模塊和DP接口模塊;測量器模塊與解碼模塊相連;解碼模塊和校正限位與CPU模塊相連;CPU模塊和SPC3模塊相連;SPC3模塊和DP接口模塊相連;校正限位為旋轉(zhuǎn)凸輪限位，凸輪限位與編碼器通過減速齒輪組進行機械連接。采用測量模塊作為高度檢測傳感器，通過解碼模塊將數(shù)據(jù)傳遞到CPU，然后由CPU通過的SPC3芯片和DP接口電路將數(shù)據(jù)發(fā)送到DP總線上，完成與總線上PLC的通訊;測量模塊實現(xiàn)高度檢測，解碼模塊實現(xiàn)測量模塊的數(shù)據(jù)解碼，CPU模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，SPC3模塊完成Prof ibus數(shù)據(jù)的接收的發(fā)送，實現(xiàn)CPU和Prof ibus的接口，DP接口實現(xiàn)Prof ibus和本專利的電氣連接，同時具有電氣隔離功能。
[0006]在目前板坯夾鉗高度檢測設備中，普遍采用自整角機加彈簧卷筒的形式，該結構形式的缺點是需要高可靠性的轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)精確的高度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對制作工藝和現(xiàn)場環(huán)境要求較高。本專利的測量模塊由拉繩、重錘、彈簧卷筒、編碼器、凸輪限位組成。其中拉繩、重錘、彈簧卷筒部分與原來結構一致，在凸輪限位與編碼器部分采用了新型結構。前面的彈簧卷筒與編碼器同軸連接，然后在傳動到一個減速齒輪組中，再連接到一個凸輪片，這樣在凸輪片通過減速齒輪組和編碼器軸可以進行差速傳動，從而保證在整個夾鉗的升降動作區(qū)間內(nèi)凸輪片的旋轉(zhuǎn)不會超過一周。通過凸輪片轉(zhuǎn)動，可以觸碰限位開關，通過調(diào)整凸輪片尖端碰頭，可以在使夾鉗升降區(qū)間中選擇一個固定位置作為參考，實現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù)的校正，從而保證編碼器數(shù)據(jù)的可靠性和有效性。
[0007]在目前工業(yè)領域增量型編碼器的數(shù)據(jù)采集都采用PLC專用高速模塊來實現(xiàn)，這不僅需要配套一個PLC專用高速模塊同時好需要PLC的CPU來支持，大大增加了設備的成本，且體積龐大，在狹小的夾鉗平臺上很難安裝。本專利在編碼器數(shù)據(jù)采集形式上采用了嵌入式硬件設備來實現(xiàn)。通過高速TTL雙D觸發(fā)器代替PLC高數(shù)計數(shù)模塊實現(xiàn)編碼器的解碼，具有體積小、可靠性高、成本低的優(yōu)點。通過嵌入式CHJ代替昂貴的PLC的CPU，大幅度降低成本。由于選用的CPU屬于微功耗產(chǎn)品，通過合理軟件和硬件設計，不僅可靠性高，對高溫合金、粉塵環(huán)境、高振動環(huán)境都有很強的適應性，完全可以替代PLC的CPU。
[0008]老式的夾鉗高度檢測設備采用模擬量的形式與外部設備進行數(shù)據(jù)交換，由于進過兩次的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(自整角機數(shù)據(jù)到模擬量、模擬量到PLC)，中間數(shù)據(jù)精度將有所損失，且容易受干擾。如果采用市場上普遍采用的PLC形式來實現(xiàn)，則還需要增加ProfiBUS通訊模塊來實現(xiàn)，雖然在可靠性和穩(wěn)定性上有保證，但成本大幅度增加。本專利同樣采用了目前廣泛采用的ProfiBUS數(shù)據(jù)通訊接口來實現(xiàn)與外部設備的數(shù)據(jù)交換，但實現(xiàn)形式上采用了西門子嵌入式專用Prof iBUS接口芯片來實現(xiàn)，同樣實現(xiàn)了Prof iBUS通訊接口，并且可靠性和穩(wěn)定性都有保證，但成本大幅度降低。由于從數(shù)據(jù)采集端(編碼器)、通訊接口、外部設備三者都是數(shù)字交互，所以不存在精度損失，測量精度只受編碼器的分辨率影響，較老式的夾鉗高度檢測設備在精度上又有了大幅度提高。而且ProfiBUS通訊協(xié)議保證了數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性，對環(huán)境的適應性大大提高。
[0009]本專利的有益效果是實現(xiàn)了板坯夾鉗高度的智能化檢測，可以代替進口的高度檢測設備，通過適當?shù)陌b盒防護措施可以應用于高溫高粉塵的場合，在設備成本、環(huán)境適應性、可靠性方面都有了大幅度的提高，因此可以有效解決目前市場上板坯夾鉗無法穩(wěn)定可靠檢測高度的問題。本專利還具有多種參數(shù)設置功能，可以靈活設置多種動作節(jié)點，可以有效降低起重機實現(xiàn)自動化工作時PLC的工作負荷，大幅度提高了板坯夾鉗的運行可靠性和穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0010]圖1是本專利電氣系統(tǒng)圖。
[0011 ]圖2是本專利測量模塊結構圖。
[0012]圖3是本專利安裝布置示意圖。
[0013]圖4是本專利解碼模塊電路圖。
[0014]圖5是本專利CPU模塊電路圖。
[0015]圖6是本專利Prof ibus接口電路圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結合技術方案和附圖詳細敘述本專利的具體實施例。
[0017]實施例:
[0018]本專利采用意大利的意法半導體公司研制的STM32F103系列的CPU芯片作為嵌入式主控CPU。采用專門定制的測量模塊作為高度檢測傳感器，通過解碼模塊將數(shù)據(jù)傳遞到CPU，然后由CPU通過西門子的SPC3芯片和DP接口電路將數(shù)據(jù)發(fā)送到DP總線上，完成與總線上PLC的通訊。
[0019]圖1是本專利的電氣系統(tǒng)圖，測量模塊實現(xiàn)高度檢測，解碼模塊實現(xiàn)測量模塊的數(shù)據(jù)解碼，CPU模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，SPC3模塊完成Prof ibus數(shù)據(jù)的接收的發(fā)送，實現(xiàn)CPU和Prof ibus的接口，DP接口實現(xiàn)Prof ibus和本專利的電氣連接，同時具有電氣隔離功能。
[0020]圖2是本專利測量模塊結構圖。
[0021 ]①是重錘，由一塊圓鐵餅制作而成，上方連接一根鋼絲繩，與板坯的上表面接觸，在夾鉗下降時，重錘可以先接觸到板坯，此時將開始高度測量。
[0022]②是彈簧卷筒，鋼絲繩纏繞在彈簧卷筒上，重錘的上下動作可以使卷筒轉(zhuǎn)動，將帶動編碼器進行測量。
[0023]③是編碼器，為增量式脈沖編碼器，與彈簧卷筒同軸連接，彈簧卷筒的轉(zhuǎn)動將使編碼器產(chǎn)生計數(shù)脈沖
[0024]④是凸輪限位組，由減速齒輪組、凸輪片、限位開關組成，齒輪組的輸入軸與編碼器同軸連接，凸輪片連接在齒輪組的輸出軸，編碼器轉(zhuǎn)動也將帶動齒輪組轉(zhuǎn)動，從而帶動凸輪片轉(zhuǎn)動。
[0025]⑤是凸輪片，⑥是校驗限位。凸輪片有個尖頭凸起，在凸起轉(zhuǎn)動到限位上方時會將限位的碰頭按下，從而觸發(fā)限位的動作，調(diào)整凸輪片的角度，可以實現(xiàn)在特定位置時限位動作，根據(jù)限位的動作可以實現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù)的校驗。齒輪組的輸出軸與輸入軸的傳動比為1:40，即輸入軸(編碼器)轉(zhuǎn)動40圈時，輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈編碼器，這樣可以保證凸輪片在整個的檢測行程內(nèi)，旋轉(zhuǎn)不會超過一周，從而可以保證校驗限位校驗的可靠性。
[0026]③④⑤⑥是本專利的創(chuàng)新點。通過數(shù)字增量式編碼器進行高度測量。目前夾鉗的高度測量范圍基本在1.5米左右，如果采用每圈1024脈沖的編碼器，則高度的測量精度可以達到1500/1024?1.5mm。而夾鉗高度的測量進度基本要求在± 10mm，所以測量模塊完全可以滿足夾鉗高度測量精度的要求。
[0027]圖3是本專利安裝布置示意圖。
[0028]⑦是本專利的實現(xiàn)，封裝在一個密閉帶防護措施的箱體中，箱體底部開孔，將鋼絲繩引出。⑧是重錘連接在鋼絲繩上。在吊具下降時可以保證重錘先接觸板坯，從而實現(xiàn)夾鉗的高度測量。由于重錘和鋼絲繩均為鋼材料，在高溫下不會失效，可以保證測量的可靠性，箱體的防護措施和夾鉗本體的隔熱措施共同作用，可以保證本專利的電子電路的可靠工作。
[0029]圖4是本專利解碼模塊電路圖。
[0030]在編碼器轉(zhuǎn)動時會發(fā)出兩路相位相差90度的方波，編碼器正轉(zhuǎn)時A相超前，B相滯后。編碼器反轉(zhuǎn)時，A相滯后，B相超前。該方波通過解碼模塊可以裝換為I路計數(shù)方波和I路方向電平，當編碼器反向時，則計數(shù)和電平線路也相反。從而CPU模塊通過兩路計數(shù)器即可實現(xiàn)編碼器的數(shù)據(jù)測量，在通過設定的轉(zhuǎn)換比例即可換算為夾鉗的高度值。CPU再將數(shù)據(jù)交換到SPC3模塊即可將數(shù)據(jù)發(fā)送到起重機的PLC設備。SPC3模塊是Profibus設備模塊通過DP接口模塊可以將本專利的設備掛接到Profibus網(wǎng)絡上實現(xiàn)與網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)交換。
[0031]在圖4中，Jl連接編碼器，ISOl和IS02是高速光耦，實現(xiàn)編碼器和解碼模塊的光電隔離，U5是D觸發(fā)器，U4是兩輸入與非門。由于編碼器脈沖的正交特性，經(jīng)過U5和U4的處理可以輸出UP (加)計數(shù)脈沖和DN (減)計數(shù)脈沖。
[0032]圖4的解碼模塊代替了市場上普遍采用的PLC高速計數(shù)模塊來實現(xiàn)編碼器的解碼，在穩(wěn)定性和可靠性上沒有降低，但在成本上卻大幅度優(yōu)于高速計數(shù)模塊。
[0033]圖5是本專利的CPU模塊電路圖。CPU采用意法半導體公司的STM32F103C8T7芯片，該芯片可以在-40°至80°的溫度范圍內(nèi)正常工作，具有很高的可靠性，在工業(yè)領域被廣泛應用。CPU主要負責對測量模塊進行數(shù)據(jù)采集，同時進行計算、比較，并將結果傳遞到后面的SPC3模塊，發(fā)送到Prof ibus上。
[0034]SI是Prof ibus地址設定開關，用于DP智能子站的地址設定。Ul是EEPROM存儲芯片，用于存儲設置的參數(shù)。
[0035]本CPU模塊代替了市場上普遍采用的PLC的CPU模塊，該CPU模塊在穩(wěn)定性和可靠性上都能得到保證，而由于是微功耗模塊，所以相對于PLC的CPU來說，不需要大的散熱空間，可以通過灌封實現(xiàn)對高溫、高粉塵、高振動的環(huán)境的適應，并且體積可以做得很小，所以較PLC的CPU有很大的優(yōu)勢，同時成本更低。
[0036]圖6是本專利的Profibus接口電路圖。SPC3芯片是西門子公司研發(fā)的用于Pr ο f i bu s的智能子站開發(fā)的接口芯片，可以自動識別9.6Kbp s?12Mbps范圍內(nèi)的波特率，工作溫度:-40?85°C，通過8位數(shù)據(jù)總線與CPU進行數(shù)據(jù)交換?？梢院芊奖阍O計智能子站設備。
[0037]本就電路代替PLC的ProfiBUS接口模塊，功能上沒有任何損失，穩(wěn)定性和可靠性沒有任何降低，但在體積上和成本上較PLC的Prof iBUS接口模塊有非常大的優(yōu)勢。
[0038]本專利的工作流程如下:
[0039]1.夾鉗處于懸空狀態(tài)，重錘將彈簧卷筒拉長至最大位移位置。
[0040]2.起重機的起升機構下降，準備進行板坯抓取。
[0041]3.當夾鉗下降到一定位置，重錘與板坯發(fā)生接觸，彈簧卷筒將鋼絲繩收回，編碼器開始旋轉(zhuǎn)發(fā)出計數(shù)脈沖，解碼模塊將編碼器的正交脈沖解碼成單方向的計數(shù)脈沖，CPU根據(jù)該脈沖開始進行計數(shù)，通過比例換算得到夾鉗發(fā)生的位移，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送到SPC3模塊，進而通過Prof ibus發(fā)生到起重機的PLC，起重機的PLC根據(jù)該數(shù)據(jù)進行自動控制。
[0042]4.當CPU計算的數(shù)據(jù)與設定的板坯數(shù)量比較值相匹配時，會將通訊中的對應開關量置位，主要起重機PLC既可以手動連續(xù)的高度數(shù)值，也可以手動對應板坯數(shù)量的開關量數(shù)據(jù)，從而可以自由控制夾鉗的下降高度，控制可以搬運的板坯數(shù)量。
[0043]5.在夾鉗下降過程中，凸輪限位也會在設定的位置動作，CPU根據(jù)該信號和設定數(shù)據(jù)對編碼器進行校正，從而保證測量的準確性和可靠性。
【主權項】
1.一種板坯夾鉗高度智能檢測設備，該板坯夾鉗高度智能檢測設備包括測量模塊、校正限位、解碼模塊、CPU模塊、SPC3模塊和DP接口模塊;其特征在于， 測量器模塊與解碼模塊相連;解碼模塊和校正限位與CPU模塊相連;CPU模塊和SPC3模塊相連;SPC3模塊和DP接口模塊相連;校正限位為旋轉(zhuǎn)凸輪限位，凸輪限位與編碼器通過減速齒輪組進行機械連接。采用測量模塊作為高度檢測傳感器，通過解碼模塊將數(shù)據(jù)傳遞到CPU，然后由CPU通過的SPC3芯片和DP接口電路將數(shù)據(jù)發(fā)送到DP總線上，完成與總線上PLC的通訊;測量模塊實現(xiàn)高度檢測，解碼模塊實現(xiàn)測量模塊的數(shù)據(jù)解碼，CPU模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，SPC3模塊完成Profibus數(shù)據(jù)的接收的發(fā)送，實現(xiàn)CPU和Profibus的接口，DP接口實現(xiàn)Profibus和電氣連接，同時具有電氣隔離功能； 所述的測量模塊結構包括重錘、彈簧卷筒、增量式脈沖編碼器和凸輪限位組;重錘由一塊圓鐵餅制作而成，上方連接一根鋼絲繩，與板坯的上表面接觸，在夾鉗下降時，重錘先接觸到板坯，此時開始高度測量;鋼絲繩纏繞在彈簧卷筒上，重錘的上下動作使卷筒轉(zhuǎn)動，將帶動編碼器進行測量;增量式脈沖編碼器與彈簧卷筒同軸連接，彈簧卷筒的轉(zhuǎn)動將使編碼器產(chǎn)生計數(shù)脈沖；凸輪限位組由減速齒輪組、凸輪片、限位開關組成，齒輪組的輸入軸與編碼器同軸連接，凸輪片連接在齒輪組的輸出軸，編碼器轉(zhuǎn)動也將帶動齒輪組轉(zhuǎn)動，從而帶動凸輪片轉(zhuǎn)動；凸輪片有個尖頭凸起，在凸起轉(zhuǎn)動到限位上方時會將限位的碰頭按下，從而觸發(fā)限位的動作，調(diào)整凸輪片的角度，實現(xiàn)在特定位置時限位動作，根據(jù)限位的動作實現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù)的校驗。齒輪組的輸出軸與輸入軸的傳動比為1:40，即輸入軸轉(zhuǎn)動40圈時，輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈編碼器，保證凸輪片在整個的檢測行程內(nèi)，旋轉(zhuǎn)不會超過一周，保證校驗限位校驗的可靠性。2.根據(jù)權利要求1所述的一種板坯夾鉗高度智能檢測設備，其特征在于，所述的解碼模塊電路是，在編碼器轉(zhuǎn)動時會發(fā)出兩路相位相差90度的方波，編碼器正轉(zhuǎn)時A相超前，B相滯后;編碼器反轉(zhuǎn)時，A相滯后，B相超前;該方波通過解碼模塊換為I路計數(shù)方波和I路方向電平，當編碼器反向時，則計數(shù)和電平線路也相反。
【文檔編號】G01B7/06GK106006389SQ201610537172
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月10日
【發(fā)明人】盧興利
【申請人】大連寶信起重技術有限公司