雙折臂雙工作臂船用多功能機械手的力矩測量及限制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種雙折臂雙工作臂船用多功能機械手的力矩測量及限制系統(tǒng)，四個角度傳感器分別安裝在主臂、回轉塔身、起重臂、多功能臂上；兩個油壓傳感器分別安裝于主臂變幅油缸的兩腔，用來測量主臂變幅油缸有桿腔和無桿腔的壓力；顯示及力矩限制單元接收角度傳感器和油壓傳感器的測量信號，輸出控制輸出力和力矩限制信號給雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手。本實用新型以最優(yōu)化的方式準確的檢測出了雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手的作業(yè)力及力矩狀態(tài)，避免了雙工作臂重復取力且受自重隨角度變化的影響，大大簡化了傳感器的布置及數(shù)量，對起重臂和多功能臂均能夠通過角度折算和油壓檢測的方式計算出相應的力和力矩的狀態(tài)。
【專利說明】雙折臂雙工作臂船用多功能機械手的力矩測量及限制系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種力矩測量及限制系統(tǒng)，尤其是一種適用于雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手的力矩測量及限制系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手適用于三用途工作船、救助船、打撈船、遠洋漁業(yè)船等工程船舶。其特有的抓取裝置多功能化，為各種復雜的作業(yè)工況提供了設備保障。雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手是甲板安全作業(yè)系統(tǒng)的核心設備之一，并集成傳統(tǒng)甲板設備錨機、拖纜機、鯊魚鉗、絞盤等形成的完整的作業(yè)系統(tǒng)。雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手突破了傳統(tǒng)的甲板作業(yè)的工作模式，同時支持舷外作業(yè)、雙機協(xié)調作業(yè)，滿足海上特種作業(yè)的需求。對于雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手來說，由于作業(yè)工況復雜，執(zhí)行機構眾多，故設備作業(yè)時的安全性亦變得由為重要。
[0003](I) Rolls-Royce 公司開發(fā)的安全甲板操作系統(tǒng)(Safe Deck Operat1n System)主要安裝于海洋工程船舶上，用于起重、抓錨鏈、抓鋼絲繩、鉤纜繩等錨作業(yè)。該系統(tǒng)的核心是一對可在船艉部作業(yè)區(qū)域行走的自行式液壓雙折臂吊，其中一個工作臂帶有多功能頭，具有抓錨鏈、抓鋼絲繩的功能，另一個工作臂具有起重和鉤纜繩的功能。該設備起重臂采用的力矩限制系統(tǒng)的原理是在鋼絲繩上設置軸銷傳感器，配合在工作臂油缸和主臂油缸上設置的角度傳感器來計算出多功能機械手的力和力矩狀態(tài)的。由于該位置的軸銷傳感器只能通過鋼絲繩測力，在多功能臂上因無測力元件，無法獲得多功能臂上的力和力矩狀態(tài)；對整個設備在船上的傾斜角度也無法檢測，更沒有判斷設備所處的海況等級的措施。
[0004](2)為了提高甲板作業(yè)安全，麥基嘉集團開發(fā)的系統(tǒng)稱之為甲板作業(yè)機械手系統(tǒng)(deck handling manipulator system 一 DHMS),該系統(tǒng)中的核心設備也是自行式液壓折臂吊。因只有一個工作臂，功能相對單一，主要為起重使用。該設備的力和力矩的測量方式是在鋼絲繩上設置三滑輪傳感器來測得設備吊重的實際重量，配合在角度傳感器來計算出設備的力和力矩狀態(tài)。


【發(fā)明內容】

[0005]本實用新型是要提供一種適用于雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手最優(yōu)化的力矩測量及限制系統(tǒng)，區(qū)別于傳統(tǒng)的力矩測量方式，對于雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手，免去了對兩個臂架分別測力，使整個力矩檢測系統(tǒng)得到最大的優(yōu)化，減少了傳感器的布置，大大提高了力和力矩檢測的可靠性和準確性。
[0006]為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是:一種雙折臂雙工作臂船用多功能機械手的力矩測量及限制系統(tǒng)，由角度傳感器、油壓傳感器、顯示及力矩限制單元組成，其特點是:四個角度傳感器分別安裝在主臂、回轉塔身、起重臂、多功能臂上，其中:主臂角度傳感器以水平面為基準面來測量主臂變幅的角度變化，多功能臂角度傳感器和起重臂角度傳感器均以主臂下表面為基準面分別測量多功能臂和起重臂變幅的角度變化，塔身角度傳感器以水平面為基準面來測量整個設備傾斜角度；兩個油壓傳感器分別安裝于主臂變幅油缸的兩腔，用來測量主臂變幅油缸有桿腔和無桿腔的壓力；顯示及力矩限制單元接收角度傳感器和油壓傳感器的測量信號，輸出控制輸出力和力矩限制信號給雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手。
[0007]顯示及力矩限制單元包括顯示屏、控制器，控制器安裝于回轉塔身內部，控制器分別接收主臂角度傳感器、多功能臂角度傳感器、起重臂角度傳感器、塔身角度傳感器、有桿腔油壓傳感器、無桿腔油壓傳感器的測量信號后，計算出雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手的實時力和力矩狀態(tài)，輸出經(jīng)過修正、擬合的輸出力和力矩限制信號。
[0008]本實用新型的有益效果:
[0009]本實用新型與國外相似設備相比，雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手的力矩測量及限制系統(tǒng)的優(yōu)勢尤為突出，主要有以下幾點:
[0010]1.通過塔身角度傳感器，可以檢測出整個設備傾斜角度，以此傾斜角度可以用來判斷設備所處的海況等級，根據(jù)相應的海況等級自動限定不同的力和力矩值，最大范圍的使雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手的工作能力得以發(fā)揮，同時也保證了高海況作業(yè)下人員及設備的安全。
[0011]2.采用主臂油缸油壓傳感器測力的方式，能夠計算出兩個工作臂的力和力矩狀態(tài)。減少了傳感器布置的數(shù)量，大大提高了力和力矩測量的可靠性和準確性。
[0012]3.采用油缸測壓的方式，避免了使用三滑輪傳感器等從鋼絲繩直接取力的方式，消除了傳感器對鋼絲繩因磨損而造成的隱患，延長了設備零部件的使用年限。本發(fā)明實現(xiàn)了雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手的力矩測量及限制，區(qū)別于對每個工作臂分別測量力和力矩的方式，使雙折臂、雙工作臂的船用多功能機械手的力和力矩檢測系統(tǒng)得到最大的優(yōu)化，減少了傳感器的數(shù)量，大大提高了力和力矩檢測的可靠性和準確性。
[0013]本實用新型的雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手的力矩測量及限制系統(tǒng)，不僅能夠準確的檢測出起重臂和多功能臂的起升載荷狀態(tài)，還能夠根據(jù)塔身角度傳感器信號值，測量出船舶受風浪影響的擺動角度值，根據(jù)此擺動角度確定當前海況對作業(yè)的影響。在不同的海況下自動限制不同力矩大小，最大范圍的使行走式多功能機械手的工作能力得以發(fā)揮，同時也保證了高海況作業(yè)下人員及設備的安全。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型的系統(tǒng)原理框圖；
[0015]圖2是角度傳感器結構主視圖；
[0016]圖3是圖2的左視圖；
[0017]圖4是油壓傳感器結構主視圖；
[0018]圖5是圖4的俯視圖；
[0019]圖6是顯示及力矩限制單元平面圖；
[0020]圖7是顯示屏顯示參數(shù)圖。

【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。
[0022]如圖1至圖7所示，本實用新型的適用于雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手的力矩測量及限制系統(tǒng)，由角度傳感器、油壓傳感器、顯示及力矩限制單元組成。
[0023]如圖1所示，角度傳感器包括主臂角度傳感器4、多功能臂角度傳感器8、起重臂角度傳感器2、塔身角度傳感器7，主臂角度傳感器4安裝在主臂3尾端，以水平面為基準面來測量主臂3變幅的角度變化，多功能臂角度傳感器8安裝在多功能臂9尾端，起重臂角度傳感器2安裝在起重臂I尾端，均以主臂3下表面為基準面分別測量多功能臂9和起重臂I變幅的角度變化，塔身角度傳感器7安裝在回轉塔身6上，以水平面為基準面來測量整個設備傾斜角度；油壓傳感器包括主臂變幅油缸10的有桿腔油壓傳感器11、無桿腔油壓傳感器12，用于檢測主臂變幅油缸10的壓力，從而實現(xiàn)測量雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手起重臂I或多功能臂9起升載荷；顯示及力矩限制單元包括顯示屏、控制器5，顯示屏和控制器5安裝于回轉塔身6內部，控制器5分別接收主臂角度傳感器4信號、多功能臂角度傳感器8信號、起重臂角度傳感器2信號、塔身角度傳感器7信號、主臂變幅油缸10的有桿腔油壓傳感器11信號和無桿腔油壓傳感器12信號。通過控制器5計算出雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手的實時力和力矩狀態(tài)，通過程序設定的參數(shù)對各個傳感器的數(shù)據(jù)進行修正、擬合，最終輸出力和力矩限制信號。
[0024]如圖2，3所示，角度傳感器可實現(xiàn)臂架變幅角度的精確測量，鑄鋁合金殼體密封性強，可確保不受溫度、濕度及其他外因的影響，技術參數(shù)如下:
[0025]1.供電電壓:DC 9?36V
[0026]2.輸出信號:電流型4?20mA
[0027]3.線性誤差:〈±0.2°
[0028]4.滯后誤差:〈±0.1°
[0029]5.工作溫度:-40 O ?+85 O
[0030]6.存儲溫度:-40 O ?+85 O
[0031]7.防護等級:IP67
[0032]如圖4，5所示，油壓傳感器可在惡劣環(huán)境下測量液體的動態(tài)壓力，在壓力波動較大的條件下依然能保持測量精度，油壓傳感器采用G1/4A標準螺紋接口，技術參數(shù)如下:
[0033]1.工作電壓:DC 8?32V
[0034]2.輸出信號:電流型4?20mA
[0035]3.線形誤差:< 0.15%
[0036]4.滯后誤差:〈±0.1%
[0037]5.工作溫度:-40 O ?+85 O
[0038]6.存儲溫度:-40°C?+100°C
[0039]7.防護等級:IP67
[0040]如圖6所示，顯示及力矩限制單元可同時完成顯示屏信息顯示、力及力矩計算、限制的功能。能夠直觀地圖形化顯示雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手的各種作業(yè)參數(shù)，具有預警、力矩超限報警及報警信號輸出功能，可通過串口進行數(shù)據(jù)的上傳和下載，具有數(shù)據(jù)記錄功能。技術參數(shù)如下:
[0041]1.工作電壓:DC 11 ?36V
[0042]2.通訊接口:CAN0PEN 2.0B、RS232
[0043]3.顯示屏尺寸:5.7英寸
[0044]4.模擬量輸入:6路(4?20mA)
[0045]5.數(shù)字量輸入:6路
[0046]6.數(shù)字量輸出:6路(2A)
[0047]7.工作溫度:_20°C?+70°C
[0048]8.存儲溫度:-30°C?+80°C
[0049]9.防護等級:IP66
[0050]如圖7所示，顯示屏上顯示起重臂1、多功能臂9與主臂3的夾角13，主臂3與水平面夾角14，回轉塔身6與水平面夾角15，臂展距離16，力和力矩限制預警信號17，力和力矩限制超限信號18，時間19，力矩百分比20，實際重量21，額定重量22。
[0051]雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手裝置本身為多轉臂系統(tǒng)，并且在特定情況下受到摩擦力及設備基座的傾斜對力矩計算的影響，模型的建立比較復雜。
[0052]主臂3和工作臂的臂長不變，但隨著油缸的變幅伸縮，力臂會發(fā)生改變。采用主臂角度傳感器4、起重臂角度傳感器2、多功能臂角度傳感器8就是為了換算力臂以及測量各部件重心位置。塔身角度傳感器7則是用來測量整個設備傾斜角度，從而修正力臂。結合受力基點即主臂變幅油缸10的有桿腔和無桿腔，分別配備有油壓傳感器進行壓力測量，計算得到起吊重物的力和力矩。
[0053]傳統(tǒng)的測量均為在臂架上直接取力，對于雙工作臂的多功能機械手而言，直接取力模型過于復雜。采用測量主臂變幅油缸10的油壓和工作臂變幅角度折算組合的技術進行系統(tǒng)力及力矩測量，不僅簡化了雙臂測量系統(tǒng)，而且可以根據(jù)產(chǎn)品系列要求進行力學模型參數(shù)調整與修正，達到一體化設計要求。
【權利要求】
1.一種雙折臂雙工作臂船用多功能機械手的力矩測量及限制系統(tǒng)，由角度傳感器、油壓傳感器、顯示及力矩限制單元組成，顯示及力矩限制單元接收角度傳感器和油壓傳感器的測量信號，輸出力和力矩限制信號給雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手，其特征在于:四個角度傳感器分別安裝在主臂(3)、回轉塔身(6)、起重臂(1)、多功能臂(9)上，其中:主臂角度傳感器(4)以水平面為基準面來測量主臂變幅的角度變化，多功能臂角度傳感器(8)和起重臂角度傳感器(2)均以主臂下表面為基準面分別測量多功能臂和起重臂變幅的角度變化，塔身角度傳感器(7)以水平面為基準面來測量整個設備傾斜角度；兩個油壓傳感器分別安裝于主臂變幅油缸(10)的兩腔，用來測量主臂變幅油缸有桿腔和無桿腔的壓力。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙折臂雙工作臂船用多功能機械手的力矩測量及限制系統(tǒng)，其特征在于:所述顯示及力矩限制單元包括顯示屏、控制器(5)，控制器(5)安裝于回轉塔身(6)內部，控制器(5)分別接收主臂角度傳感器(4)、多功能臂角度傳感器(8)、起重臂角度傳感器(2)、塔身角度傳感器(7)、有桿腔油壓傳感器(11)、無桿腔油壓傳感器(12)的測量信號后，計算出雙折臂、雙工作臂船用多功能機械手的實時力和力矩狀態(tài)，輸出力和力矩限制信號。
【文檔編號】B25J9/18GK204228312SQ201420482850
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權日:2014年8月26日
【發(fā)明者】王煒, 徐浩剛, 姜劍勇, 謝松蓮, 何秋生 申請人:中國船舶重工集團公司第七0四研究所