超声波探头式工作平台防碰撞装置的制作方法

xiaoxiao2020-09-10  1

专利名称:超声波探头式工作平台防碰撞装置的制作方法
技术领域
本发明涉及一种高空作业装备上的安全保护装置,用于防止高空作业装备的工作 平台与障碍物发生碰撞,避免安全事故和装备损坏。
背景技术
由于高空作业装备操作人员视觉盲区或操作失误等原因,工作平台易与障碍物发 生碰撞,对操作人员的安全产生威胁。工作平台防碰撞装置是高空作业装备智能控制系统 的重要组成部分,一般具有以下几种方式
(1)触角式行程开关如图1、2所示,这种防碰撞装置由触角式行程开关组成。将两个 触角式行程开关2固定在工作平台1左右两侧下沿的外端拐角处,当触角与物体相碰时触 发开关。由于工作平台1与障碍物相碰的方向是随机的,当发生碰撞时,使全车所有动作停 止。此装置的安全保护范围很小,仅限于平台外侧下沿的两端角周围。此外,触角式行程开 关寿命短、容易损坏和划伤障碍物表面。(2)防碰框如图3、4所示,为了增加防碰撞装置的保护范围,在工作平台1底面增 加防碰框3。防碰框3是用圆管焊接而成的矩形平面框架,用钢丝绳4与工作平台1连接。 当工作平台与障碍物发生碰撞时,通过防碰框3使触角式行程开关2动作,它们的位置关系 如图5所示。行程开关通常用两个,布置在工作平台底面对角线上,如图3、4所示。其保护 范围是工作平台底面的四个边缘,对工作平台左右两侧面、底面和前面没有全面保护。并且 该装置的使用增大了工作平台的空间和重量,降低了高空作业装备的整机性能。此外,防碰 框不便于安装,影响整车美观。(3)光电开关如图6所示,将光电开关应用于工作平台防碰撞,在工作平台1下沿 外侧和左右两侧面各安装一个光电开关。光电开关2由发射器(发光二极管)发出的调制光 落在物体上时被漫反射,一部分返回到接收器,被接收光的强度足够时触发开关。高空作业 装备中的可编程控制器(PLC)采集光电开关信号来控制整车动作。这种光电开关结构简单, 安装方便,不存在接触碰撞,但光电开关只能检测正前方处障碍物,每个光电开关的最大发 散角度是1°,检测范围十分有限,如图7所示。此外,这种光电开关成本较高。

发明内容
发明目的本发明目的是提供一种经济实用、检测范围大的工作平台防碰撞装置。技术方案提供一种超声波探头式工作平台防碰撞装置,包括安装于工作平台 的底面、前面、左侧面及右侧面的超声波探头;用于接收超声波探头发送的mV级电压信号, 并将该信号转化CAN总线信号的探头信号处理模块;用于接收CAN总线信号并计算出工作 平台各表面与障碍物之间距离,并根据自身内部设定值,输出安全信号、临界信号及危险信 号,通过该信号控制高空作业装备的正常操作,慢速操作和停止操作的可编程控制器PLC。其中,所述探头信号处理模块包括信号放大电路、10位的A/D转换电路以及集成 CAN控制器的单片机;超声波探头输出的mV级信号,经过信号放大电路,送至A/D转换的输入端,由单片机控制A/D转换的启停,并将A/D转换结果读入存储器,根据存储在电可擦除 可编程只读存储器EEPROM中的传感器零点内码、满载内码值,经过运算处理得到实际每个 超声波探头与障碍物之间的距离。其中,所述工作平台的底面、前面、左侧面及右侧面各设有4个超声波探头。其中,所述可编程控制器PLC的程序分别对16个超声波探头进行定义,底面1-4, 前面5-8,左侧面9-12,右侧面13-16,系统上电后,探头信号处理模块发送4路PDO将 探头检测信号发送到CAN总线第一路PDO传送1-4探头的信号,第二路为5-8,第三路为 9-12,第四路为13-16 ;PLC接收到这4路PDO信号,计算出工作平台各表面与障碍物之间距 离,并根据控制器内设定值,输出安全信号、临界信号及危险信号,通过该信号控制高空作 业装备的正常操作,慢速操作和停止操作。具体操作过程如果1-4中任何一个超声波探头在设定的临界区域内检测到障 碍物,PLC将自动减小主臂降和主臂缩电磁阀的电流,从而降低主臂降和主臂缩的速度;如 果1-4超声波探头在设定的危险区域内检测到障碍物,PLC则限制主臂降和主臂缩的动作; 同样,5-8超声波探头控制主臂伸、主臂降动作,9-12超声波探头控制平台左摆和左回转动 作,13-16超声波探头控制平台右摆和右回转动作。其中,PLC根据接收到的PDO信号同时控制蜂鸣器和防碰撞指示灯的状态,若工作 平台某一表面与障碍物距离达到控制器设定的临界值时,蜂鸣器间歇报警,防碰撞指示灯 闪烁指示;当达到设定的危险值时,蜂鸣器常鸣报警,指示灯常亮指示。有益效果本发明有效解决了高空作业装备工作平台防碰撞的技术难点,采用发 散角度大的超声波探头进行检测,以及专业的PLC进行控制,不仅可以实时检测和显示工 作平台各表面与障碍物之间距离,并且可以有选择性的智能化的限制高空作业装备的动 作,让操作人员快速掌握工作平台的状态和安全作业空间,使操作更具人性化。此外,超声 波探头的成本低,约是光电开关的1/10。


图1为现有技术触角式行程开关组成的工作平台防碰撞装置结构图。图2为图1中A向视图。图3为现有技术防碰框和行程开关组成的工作平台防碰撞装置主视图。图4为现有技术防碰框和行程开关组成的工作平台防碰撞装置仰视图。图5为现有技术防碰框和行程开关组成的工作平台防碰撞装置的防碰框与触角 式行程开关位置关系图。图6为现有技术光电开关组成的工作平台防碰撞装置光电开关布置图。图7为现有技术光电开关组成的工作平台防碰撞装置检测范围示意图(俯视图)。图8为本发明超声波探头式工作平台防碰撞装置的超声波探头布置图。图9为本发明超声波探头式工作平台防碰撞装置的检测范围示意图(俯视图)。图10为本发明超声波探头式工作平台防碰撞装置的控制系统电路结构图。图11为本发明超声波探头式工作平台防碰撞装置的电控系统原理图。图12为本发明超声波探头式工作平台防碰撞装置的控制系统流程图。附图标识1.工作平台;2.行程开关;3.防碰框;4.钢丝绳;5.光电开关;6.光电开关有效检测区域;7.超声波探头;8.电气柜及操作面板;9.电磁阀;10.超声波探头 有效检测区域。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。本实施例的超声波探头式工作平台防碰撞装置包括以下几个部分
(a)超声波探头采用汽车倒车雷达系统的超声波探头进行信号采集,超声波探头利用 压电效应实现声、电转换。这种超声波探头发散角度大,发散角为50°。探头在工作平台上 的安装如图8所示,在工作平台1的前面、底面和左右两侧面分别安装四个超声波探头。探 头最大检测距离为2m,采用图示的安装方式,有效检测区域为图9阴影部分,在此检测区域 内能够检测到接近平台的任何障碍物。(b)信号处理目前高空作业装备一般是电液控制系统,由可编程控制器(PLC)根 据输入信号控制电磁阀的开度从而实现整车动作控制。但直接从市场上采购的倒车雷达系 统是一个封装的系统,不能与高空作业装备的控制系统进行通讯,不能控制整车动作,因此 倒车雷达无法直接应用于高空作业装备的防碰撞。此超声波探头式工作平台防碰撞装置如图10所示,该装置包括超声波探头16个、 探头信号处理模块、PLC、电磁阀以及显示器和报警装置(包括蜂鸣器和防碰撞指示灯)。探头信号处理模块是本装置的一个重要部分,由于超声波探头输出的是mV级电 压信号,而PLC的模拟量输入口只能接收0-5V和4-20mA的标准信号,二者不能通讯。此装 置将探头信号转换为CAN总线信号,PLC通过CAN总线就可以实时检测超声波探头的信号。 此装置包括信号放大电路,10位的A/D转换电路以及集成CAN控制器的单片机。超声波探 头输出的mV级信号,经过信号放大电路,送至A/D转换的输入端,由单片机控制A/D转换的 启停,并将A/D转换结果读入存储器,根据存储在EEPROM (电可擦除可编程只读存储器)中 的传感器零点内码、满载内码值,经过运算处理得到实际每个超声波探头与障碍物之间的 距离。此距离信号最终通过CAN总线与PLC进行通讯。(c)动作控制及报警在程序中分别对16个超声波探头进行定义,底面1_4,前 面5-8,左侧面9-12,右侧面13-16。系统上电后,探头信号处理模块发送4路PDO将探头 检测信号发送到CAN总线。第一路PDO传送1-4探头的信号,第二路为5-8,第三路为9-12, 第四路为13-16。PLC接收到这4路PDO信号,计算出工作平台各表面与障碍物之间距离, 并根据控制器内设定值,输出安全信号、临界信号及危险信号,通过该信号控制高空作业装 备的正常操作,慢速操作和停止操作。如果1-4中任何一个超声波探头在设定的临界区域 内检测到障碍物,PLC将自动减小主臂降和主臂缩电磁阀的电流,从而降低主臂降和主臂缩 的速度。如果1-4传感器在设定的危险区域内检测到障碍物,PLC则限制主臂降和主臂缩 的动作。同样,5-8超声波探头控制主臂伸、主臂降动作,9-12超声波探头控制平台左摆和 左回转动作,13-16超声波探头控制平台右摆和右回转动作。控制流程图如图12所示。此 外,PLC根据接收到的PDO信号同时控制蜂鸣器和防碰撞指示灯的状态,若平台某一表面与 障碍物距离达到控制器设定的临界值时,蜂鸣器间歇报警,防碰撞指示灯闪烁指示;当达到 设定的危险值时,蜂鸣器常鸣报警,指示灯常亮指示。具体的,如图10所示,本发明实例包括16个超声波探头、信号处理模块、可编程控制器PLC、电磁阀、显示器和报警装置。信号处理模块包括信号放大电路、A/D转换电路和集 成CAN控制器的单片机,报警装置包括指示灯和蜂鸣器。如图8所示,在高空作业车工作平台1的底面、前面和左右两侧面分别安装4个超 声波探头。超声波探头的具体安装位置根据平台尺寸和探头发散角度以有效检测区域最大 为原则,此实例中,高空作业车工作平台的尺寸为1. 1*0. 8*1. lm,超声波探头的发散角度为 50°,超声波探头的有效检测区域见图9,在距离各平面0.3m 2m处不存在盲区,在此范围 内能够检测到接近平台的任何障碍物。探头信号处理模块和PLC安装在电气柜3中,显示 器和报警装置安装在操作面板上。如图10所示,16个超声波探头信号进入探头信号处理模块,通过信号放大,A/D 转换以及CAN总线转换与PLC进行通讯。PLC采用芬兰EPEC2024,电控系统原理如图11 所示。探头信号处理模块、显示器均用CAN总线与控制器通讯,主臂变幅、主臂伸缩、转台 回转、行走及平台摆动的电磁阀分别接入EPEC2024的PWM输出口或DO输出口,EPEC2024 通过CAN总线接收探头信号处理模块的距离信号,计算出工作平台各表面与障碍物之间距 离。在EPEC2024中设置临界距离为0.5m,危险距离为0.3m。当工作平台运动方向的前方 0. 3m 0. 5m时,PLC自动控制相应电磁阀的开度,使该方向的最大运动速度自动减慢至原 来的50%,并且操作面板上的蜂鸣器间歇报警,防碰撞指示灯闪烁指示;当工作平台运动方 向的前方小于等于0. 3m处出现障碍物时,PLC自动控制相应电磁阀断电,使系统自动停止 向该方向运动,并且蜂鸣器长鸣报警,防碰撞指示灯常亮,直到控制系统检测到平台各表面 远离障碍物的距离大于0. 5m方可解除报警信号。在整个控制过程中,PLC实时把距离信息 传递到显示器,显示器实时显示工作平台各表面与障碍物之间距离。小结,该工作平台防碰撞装置具有以下特点
1)该系统不但能防止工作平台与障碍物发生碰撞,并且能有选择性的停止平台的动 作,此外,还能告知操作人员平台各表面与障碍物之间的距离,实现了高空作业装备的智能 化安全控制。2)该系统目前的检测范围为0 2m,完全满足任何高空作业装备工作平台防碰撞 的安全检测要求。3)该系统安装方便,调试简单,可靠性高,价格便宜。表1是触角式行程开关、防碰框、光电开关和超声波探头四种防碰撞装置的性能 比较。\ \灘 \ 'X 鐘遍式《S并 类等螽鳋MST鵰 毚昼mmm 羞,辅__ml Hi . JLr jgfifcjm. JWF 嘗發 ft IfΛΓΡΡRrME等螽窳丽國 緣‘ _鐘_鼇 重H先电开关平&各平_霧 争_镟置(凰觀7)雄挑娜難 瞧驪職碍輸賺窗翕 链龕_驗錄±t平台喜平爾Oi 圍·) . 複实 參靈_ Clttil麗塞鍵为 減开类 -的 / Ο鑫表 1。以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明,不能认定发明的 具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明 构思的前提下,还可以做出简单的推演及替换,都应当视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种超声波探头式工作平台防碰撞装置,其特征在于,所述防碰撞装置包括安装 于工作平台(1)底面、前面、左侧面及右侧面的超声波探头(7);用于接收超声波探头(7)发 送的mV级电压信号,并将该信号转化为CAN总线信号的探头信号处理模块;用于接收CAN 总线信号并计算出工作平台各表面与障碍物之间距离,并根据自身内部设定值,输出安全 信号、临界信号及危险信号,通过该信号控制高空作业装备的正常操作,慢速操作和停止操 作的可编程控制器PLC。
2.根据权利要求1所述的超声波探头式工作平台防碰撞装置,其特征在于,所述探头 信号处理模块包括信号放大电路、10位的A/D转换电路以及集成CAN控制器的单片机;超 声波探头输出的mV级电压信号,经过信号放大电路,送至A/D转换的输入端,由单片机控 制A/D转换的启停,并将A/D转换结果读入存储器,根据存储在电可擦除可编程只读存储器 EEPROM中的传感器零点内码、满载内码值,经过运算处理得到实际每个超声波探头(7)与 障碍物之间的距离。
3.根据权利要求1所述的超声波探头式工作平台防碰撞装置,其特征在于,所述工作 平台(1)的底面、前面、左侧面及右侧面各设有4个超声波探头(7)。
4.根据权利要求3所述的超声波探头式工作平台防碰撞装置,其特征在于,所述可 编程控制器PLC的程序分别对16个超声波探头进行定义,底面1_4,前面5-8,左侧面 9-12,右侧面13-16,系统上电后,探头信号处理模块发送4路过程数据对象PDO将探头检 测信号发送到CAN总线第一路PDO传送1-4探头的信号,第二路为5-8,第三路为9_12,第 四路为13-16 ;PLC接收到这4路过程数据对象PDO信号,计算出工作平台各表面与障碍物 之间距离,并根据控制器内设定值,输出安全信号、临界信号及危险信号,通过该信号控制 高空作业装备的正常操作,慢速操作和停止操作;具体操作过程如果1-4中任何一个超声波探头在设定的临界区域内检测到障碍物, PLC将自动减小主臂降和主臂缩电磁阀的电流,从而降低主臂降和主臂缩的速度;如果1-4 超声波探头在设定的危险区域内检测到障碍物,PLC则限制主臂降和主臂缩的动作;同样, 5-8超声波探头控制主臂伸、主臂降动作,9-12超声波探头控制平台左摆和左回转动作, 13-16超声波探头控制平台右摆和右回转动作。
5.根据权利要求4所述的超声波探头式工作平台防碰撞装置,其特征在于,PLC根据接 收到的过程数据对象PDO信号同时控制蜂鸣器和防碰撞指示灯的状态,若工作平台某一表 面与障碍物距离达到控制器设定的临界值时,蜂鸣器间歇报警,防碰撞指示灯闪烁指示;当 达到设定的危险值时,蜂鸣器常鸣报警,指示灯常亮指示。
全文摘要
本发明公开了一种超声波探头式工作平台防碰撞装置。包括安装于工作平台底面、前面、左侧面及右侧面的超声波探头;用于接收超声波探头发送的mV级电压信号,并将该信号转化为CAN总线信号的探头信号处理模块;用于接收CAN总线信号,并根据该信号控制高空作业装备的正常操作、慢速操作和停止操作的可编程控制器PLC。该系统不但能防止工作平台与障碍物发生碰撞,并且能有选择性的停止高空作业装备的动作,此外,还能时时告知操作人员工作平台各表面与障碍物之间的距离,实现了高空作业装备的智能化安全控制;该系统目前的检测范围为0~2m,完全满足任何高空作业装备工作平台防碰撞的安全检测要求;该系统安装方便,调试简单,可靠性高,价格便宜。
文档编号B66F11/04GK102120556SQ20111004700
公开日2011年7月13日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者张洪民, 滕儒民, 王欣, 申展超, 高顺德 申请人:大连理工大学

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