海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置及防碰撞的方法制造方法及图纸

一种海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置及防碰撞的方法，包括：吊机、设置在吊机上的起升卷筒、变幅卷筒和回转齿圈；其中，吊机上设有吊机的网格化覆盖区域；起升卷筒、变幅卷筒和回转齿圈上设有编码器、周围障碍物信息的数据采集装置；并与PLC控制器和报警器相连；通过PLC控制器和编码器来对吊机的回转角度、臂架角度和起升高度进行检测和计算，计算出吊机在起升、变幅和回转三个维度上的运行范围，当达到报警输出条件时，报警器进行输出报警，并得出吊机与障碍物的动态防碰撞的数值。本发明专利技术在进入限制区域附近时，可以不考虑吊机的相对位置，便能够轻松操作，安全的把吊载货物送到指定地点，有效地避免平台吊机与其它障碍物发生碰撞。碰撞。碰撞。

【技术实现步骤摘要】
海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置及防碰撞的方法


[0001]本专利技术属于海洋石油工程领域，尤其涉及海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置及防碰撞的方法。

技术介绍

[0002]目前，海上平台常用的吊机，一般是海上基座式吊机，但是，由于其吊臂较长，作业覆盖半径广，变幅幅度大(15
°
—80
°
)，旋转范围360
°
，再加上海上平台顶层甲板修井设备较多等原因，使操作者受限于操作环境的影响，在某些时候、某些区域，并不能准确的判断出吊机与障碍物之间的相对位置；因此，导致海上基座式吊机的吊臂容易与其他设备发生碰撞，出现安全事故，从而造成事故，令吊机瘫痪。
[0003]海上基座式吊机的防碰撞，主要是解决以下几个方面的问题：
[0004]1)在吊机回转过程中，臂架与障碍物，臂架与吊钩及其钢丝绳和障碍物之间，在回转方向上与障碍物的碰撞；
[0005]2)在吊机起升下放过程中，吊钩与障碍物的碰撞；
[0006]3)在吊机变幅过程中，臂架与两个方向上的障碍物的碰撞；
[0007]上述碰撞问题的本质，实际上是空间位置与空间位置的重合，因此，如能够准确计算出吊机在任意时刻的空间位置(即：臂架角度/幅度、回转角度、吊钩起升高度)，并且，吊机的控制系统能够获取海上平台作业区域障碍物的空间信息，那么，其就能够通过空间位置的对比来防止吊机与障碍物之间发生碰撞。

技术实现思路

[0008]本专利技术目的在于提供一种海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置及防碰撞的方法,以解决能够准确计算出吊机在任意时刻的空间位置；且通过空间位置的对比来防止吊机与障碍物之间发生碰撞的技术问题。
[0009]为实现上述目的，本专利技术的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置的具体技术方案如下：
[0010]一种海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，包括：吊机、设置在吊机上起升卷筒、变幅卷筒和回转齿圈；其中，
[0011]吊机在转动时，设置有设定的吊机的网格化覆盖区域；
[0012]起升卷筒、变幅卷筒和回转齿圈上，分别增设有编码器、周围障碍物信息的数据采集装置；该编码器、周围障碍物信息的数据采集装置分别与PLC控制器相连，PLC控制器与报警器相连；通过PLC控制器和编码器来对吊机的回转角度、臂架角度和起升高度进行检测和计算，并和系统预存的空间网格区域位置进行对比，用以计算出吊机在起升、变幅和回转三个维度上的运行范围，当达到报警输出条件时，报警器进行输出报警，从而，得出吊机与障碍物的动态防碰撞的数值。
[0013]进一步，所述网格化覆盖区域为：吊机的网格化覆盖区域，该网格化覆盖区域建立
的条件是根据吊机在海上平台的环境，对不同网格的吊高进行不同限制，其能够将动态测量运动部件位置信息与静态环境位置信息进行实时比较，来产生报警和关断信号，以避免碰撞事故的发生；且还能够保护1个或者几个形状不同的栈桥管线、海上修井设备。
[0014]进一步，所述起升卷筒上的编码器为绝对值编码器，并安装于起升卷筒高度行程限位器一侧位置；用以测量起升卷筒的高度；安装时，为了保证吊机吊钩位于刚接触地面位置或高度下限限制位置，编码器输出电阻为初始值；并选择合适位置焊接支架，以保证高度行程限位器输出轴与编码器的输入轴同轴，其误差不超过1mm。
[0015]进一步，所述监测旋转角度的编码器为绝对值编码器，并安装于回转支承侧面，回转齿轮上方位置，令编码器的输入齿轮与回转支承大齿圈相啮合，且编码器的初始值处于中间位置。
[0016]进一步，所述周围障碍物信息的数据采集装置是基于海上平台现场操作空间和海上工况环境的限制，现场一般采用激光测距仪或红外测距仪进行数据采集。
[0017]本专利技术还提供了一种海上基座式吊机3D区域限制防碰撞的方法，设置有如上面所述的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，采用以下步骤：
[0018]第一步：建立海上基座式吊机的简化模型，并在简化模型上设置有：吊机的门架顶部变幅滑轮、变幅绞车、臂架根部绞点、臂架头部变幅滑轮、门架顶部变幅滑轮与臂架根部绞点的中心距、臂架根部绞点与臂架头部变幅滑轮的中心距、变幅绞车与门架顶部滑轮的中心距、门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距、门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线的水平角度和门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线与臂架根部绞点及臂架头部变幅滑轮的连线角度；其中，
[0019]门架顶部变幅滑轮与臂架根部绞点的中心距、臂架根部绞点与臂架头部变幅滑轮的中心距、变幅绞车与门架顶部滑轮的中心距和门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线的水平角度值为固定值；门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距、门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线与臂架根部绞点及臂架头部变幅滑轮的连线角度为变化值；
[0020]第二步：计算吊机的门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距，相对于已知点的长度变化与变幅绞车相对已知位置卷入钢丝绳的长度的关系式为：ΔL4＝L
L
÷
n
ꢀꢀꢀ
(1)
[0021]同时，根据余弦定理：
[0022][0023]即能够计算出臂架角度为：
[0024][0025]第三步：在吊机前后方向上安装传感器；
[0026]①
若当前绞车到吊机在前后方向上的倾斜角为B，且以前倾为正方向，则臂架的准确角度为：
[0027][0028]②
起升高度的变化与臂架角度和起升绞车收放钢丝绳相关，其中，臂架角度的变化引起的起升高度的变化为：
[0029][0030]第四步：利用绝对值的编码器与起升绞车轴端同轴连接，减速比选择1:1，假设：当前卷筒上钢丝绳的圈数为N
H0
，此位置编码器的位置信号假设为Sig
H0
，则在任意变幅位置下，变幅绞车上钢丝绳的圈数为：
[0031]N
H
＝N
H0
+(Sig
H
‑
Sig
H0
)
÷
N
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)。
[0032]进一步，所述第二步中，ΔL4＝L
L
÷
n的式中，
△
L4为：相对于已知点的长度变化与变幅绞车相对已知位置卷入钢丝绳的长度的关系；n
‑
门架顶部变幅滑轮与臂架头部幅滑轮4之间的变幅钢丝绳倍率，且其为固定值。
[0033]进一步，所述第三步中，传感器为倾角传感器，倾角传感器的精度为0.01
°
。
[0034]进一步，所述第四步中，公式(4)T
H
为：起升卷筒的每一层能够容纳的钢丝绳圈数；D
H0
为：起升卷筒的每一层钢丝绳的直径；臂架在任意位置时，相对于已知位置，起升绞车卷入的钢丝绳的长度，且为：正为收绳、负为放绳时：
[0035][0036]式中：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，其特征在于，包括：吊机、设置在吊机上的起升卷筒、变幅卷筒和回转齿圈；其中，吊机在转动时，设置有设定的吊机的网格化覆盖区域；起升卷筒、变幅卷筒和回转齿圈上，分别增设有编码器、周围障碍物信息的数据采集装置；该编码器、周围障碍物信息的数据采集装置分别与PLC控制器相连，PLC控制器与报警器相连；通过PLC控制器和编码器来对吊机的回转角度、臂架角度和起升高度进行检测和计算，并和系统预存的空间网格区域位置进行对比，用以计算出吊机在起升、变幅和回转三个维度上的运行范围，当达到报警输出条件时，报警器进行输出报警，从而，得出吊机与障碍物的动态防碰撞的数值。2.根据权利要求1所述的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，其特征在于，所述网格化覆盖区域为：吊机的网格化覆盖区域，该网格化覆盖区域建立的条件是根据吊机在海上平台的环境，对不同网格的吊高进行不同限制，其能够将动态测量运动部件位置信息与静态环境位置信息进行实时比较，来产生报警和关断信号，以避免碰撞事故的发生；且还能够保护1个或者几个形状不同的栈桥管线、海上修井设备。3.根据权利要求1所述的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，其特征在于，所述起升卷筒上的编码器为绝对值编码器，并安装于起升卷筒高度行程限位器一侧位置；用以测量起升卷筒的高度；安装时，为了保证吊机吊钩位于刚接触地面位置或高度下限限制位置，编码器输出电阻为初始值；并选择合适位置焊接支架，以保证高度行程限位器输出轴与编码器的输入轴同轴，其误差不超过1mm。4.根据权利要求1所述的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，其特征在于，所述监测旋转角度的编码器为绝对值编码器，并安装于回转支承侧面，回转齿轮上方位置，令编码器的输入齿轮与回转支承大齿圈相啮合，且编码器的初始值处于中间位置。5.根据权利要求1所述的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，其特征在于，所述周围障碍物信息的数据采集装置是基于海上平台现场操作空间和海上工况环境的限制，现场一般采用激光测距仪或红外测距仪进行数据采集。6.一种海上基座式吊机3D区域限制防碰撞的方法，其特征在于，设置有如权利要求1
‑
权利要求5的海上基座式吊机3D区域限制防碰撞装置，采用以下步骤：第一步：建立海上基座式吊机的简化模型，并在简化模型上设置有：吊机的门架顶部变幅滑轮、变幅绞车、臂架根部绞点、臂架头部变幅滑轮、门架顶部变幅滑轮与臂架根部绞点的中心距、臂架根部绞点与臂架头部变幅滑轮的中心距、变幅绞车与门架顶部滑轮的中心距、门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距、门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线的水平角度和门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线与臂架根部绞点及臂架头部变幅滑轮的连线角度；其中，门架顶部变幅滑轮与臂架根部绞点的中心距、臂架根部绞点与臂架头部变幅滑轮的中心距、变幅绞车与门架顶部滑轮的中心距和门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线的水平角度值为固定值；门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距、门架顶部滑轮与臂架根部绞点的连线与臂架根部绞点及臂架头部变幅滑轮的连线角度为变化值；第二步：计算吊机的门架顶部变幅滑轮与臂架头部变幅滑轮的中心距，相对于已知点的长度变化与变幅绞车相对已知位置卷入钢丝绳的长度的关...

【专利技术属性】
技术研发人员：周巍巍，钟广锋，李刚，张重德，赵庆凯，闫思远，王春光，
申请(专利权)人：中海石油中国有限公司天津分公司，
类型：发明
国别省市：