起重机智能系统的发展与应用

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1、本 科 生 毕 业 论 文（设 计）题目：起重机智能系统的发展与应用层次：专业：机械设计制造及其自动化年级：_学号：学生：指导教师：_完成日期：内容摘要为了确保在起重运输领域，达到安全性能高，准确确定位置，动作平稳，工 作效率高等目的，减少人工操作的失误率等优点，对起重机的智能化研究是势在 必行的，这也是一项具有实际意义和理论价值的课题。智能起重机，隶属于智能制造领域，不论国内还是国际上，都对此表示了高 度重视，无论是中国的中国制造 2025，还是德国的工业 4.0，亦或是美国的工业 互联网，都表明了国家层面对智能制造的重视程度和研发决心。目前对智能起重 机，国内外都已经在研究，本文对国内外起

2、重机智能控制领域相关技术进行说明 并对其发展和应用进行分析，包括相关的智能技术应用、智能起重机的基本机构 体系结构等。随着时代的不断进步，科技水平的迅速发展，人员水平的提高，智 能化在起重机领域内是不可否认的方向，研究起重机智能系统的发展方向与应用 具有重要意义。关键词： 智能化；起重机；应用目录内容摘要 I引 言 11 智能起重机的定义 22 国内外研究的现状和分析 42.1 安全监控和故障诊断 42.2 精确定位及智能防摆 52.3 结构智能优化设计 62.4 遥控技术 62.5 智能防撞 62.6 起重机的机器人化 73 智能起重机的结构 84 起重机的智能化研究的应用 125 起重机的

3、智能化研究的展望 145.1 智能起重机的体系结构 145.2 智能控制的新理论和新技术 145.3 多传感器的信息融合 145.4 学习控制技术和方法的研究 155.5 智能人机接口 155.6 智能路径规划 166 结论 17参考文献 18引言市场要求瞬息万状，市场竞争更是日趋激烈，人力在体力、恶劣环境适应力 等能力越来越跟不上需求，智能化技术应运而生，智能化的产品范畴也呈指数形 式的扩张，人们对智能化的需求程度和重视程度也日渐严重。近年来，经过研究 与探索，研发制造了很多智能化工程机械，也就是采用机器人技能对目前的工程 机械进行改良，如立体库技术。智能化工程机械是一个知识密度很大，涉及的

4、学 科很广泛，包括光学，声学，液压学，电学，机械学等，它的基础是计算机技术 传感器技术、微电子技术等，将这些技术进行组合，在机械内部执行信息处理。 智能化的起重机是众多智能化工程机械的一个种类，随着智慧化工程机械的研究 与发展，智能起重机的发展和应用也受到极大关注和推进，对其进行研究和探索 是及其重要的。起重机的应用十分广泛，在码头、车间、高层建筑等场所常常能见到起重机 在辅助工作，起重机作为人力的补充手段，吨位大，高效率必然是其发展方向， 对于起重机的操作人员来说，安全是第一要求，定位准确，运转安稳是起重机工 作的基本要求，随着技术的发展与更新，起重机越来越智能化了。在此基础上， 操作人员对

5、其操作的舒服程度，自动化水平，起重机故障自主监控和诊断的功能 安全可靠性等功能的要求也愈来愈高。因此，有必要采取利用智能起重机的方式 来达成上述要求，智能化是起重机的发展的必然方向。亚伯拉罕马斯洛曾经提出过人类的五大需求层次，随着人们需求层次的提 升，智能化产品在生活工作中占据的分量越来越重，人们也更倾向、更依赖于使 用智能产品来代替由人来完成的工作，另外，智能化产品的应用也提高了生产力 创造了更好的工作环境，减少了人口老龄化带来了劳动力不足的劣势，因此智能 化产品的研究越来越受到重视，不仅是受到市场的重视，也受到国家层面的重视 智能制造不仅仅是一个口号，更是国家的决心，人才的引导，方向的指引

6、。本文 所研究的智能化起重机，不仅是智能制造的成果，也是智能制造的基础，是十分 受瞩目。起重机成为各制造领域的不可或缺的设备，它的智能化发展倍受市场的 关注，它的智能化程度，也切身影响着操作人员工作的的安全度，舒适度以及所 能适用的环境的恶劣程度。1 智能起重机的定义智能起重机实际上是一个灵活程度较高的自主运动的机械系统，它能自动完 成传统起重机的各种任务，完成自动操作、自动移动等，具有可编程功能、人机 交互功能和自我辨别判断功能。智能起重机基本上由五大部分组成，分别是基本 功能层、传感器层、信号采集执行层、控制层及人机交互层。智能起重机之所以 智能，是由于它具备决策控制技能、联合协作技能、自

7、学习技能、感知技能、动 作技能以及规划技能，这些技能与人及生物的智慧极其相似。智能起重机属于智能化工程机械中的一个种类，由于安装了多种传感器，这 些传感器相互补充，使传统的由人员来获取环境信息，转变成由这些传感器来获 取其信息，因此具有自主感知、自主决策及自动控制的能力。智能监测、智能控 制、智能规划、智慧结构设计等都属于智能起重机的研究领域。智能起重机系统涉及到多学科、多领域，例如电力电子学、计算机学、机械 学、液压学、信息和传感技术领域、自动控制领域、通讯学、人工智能领域、网 络等，它属于一个变量较多耦合也较多的非线性的系统。说起智能化，不得不想到智慧这个概念，而智慧水平高低起决定性作用的

8、是 大脑，眼睛，躯体等身体其他部位是大脑命令的采集、传递和执行者。而智能起 重机，相当于充满智慧的，也就是聪明的起重机，它的控制系统相当于它的大脑 它的各种传感器相当于它的眼睛，耳朵，皮肤等起感知功能的器官，等等，这在 后文会详细介绍到。随着人们认知水平的提升，科技的进步，智能化程度也将越 来越深，目前的智能也只是对于现阶段而言，智能化的表现形式也将是一个发展 中的课题，而智能起重机也终将是一个发展中的概念。相比较于传统起重机，智能起重机的优势是十分明显和显著的。首先，应用 智能化起重机，可以降低成本。随着人口老龄化的到来，用工成本也是显著增加 的，而应用了智能的起重机，大幅度缩减了人力资源，

9、使企业的成本降低。其次 应用智能化起重机，改善了工作环境。普通的生产车间等起重机应用场所，常常 存在噪音大，冬天冷，夏天热等舒适度较差的情况，特殊的恶劣的环境，更是存 在高温、高湿、辐射、超高、粉尘等影响人们身体健康的情况，在以上情况中， 智能化起重机的应用，完全可以通过无人化来避免以上不良影响。此外，应用智 能化起重机，可以提升信息化管理水平。尤其在仓储和物流领域，这个优势极为 明显，传统的起重机只是一个代替人的体力的劳动力，各种信息的管理是通过人 来另外进行的，而智能化的起重机在进行操作的同时，也记录了所需的各种信息 通过计算机网络传递给所需人员，既高效又准确，为决策管理快速的提供了可信

10、赖的依据。另外，应用智能化起重机，降低了设备故障率，延长了使用寿命。智 能化起重机，对于该何时保养，何时检修，何时故障，都有着清晰的自我认识， 以及高度的执行力，不会因为人员的怠慢而延长或错过，对起重机设备的保护十 分及时、到位，在使用过程中，也可以避免因为人员的疏忽和失误导致的设备故 障，设备相撞等降低使用寿命的情况。除此之外，应用智能化起重机，也能提高 企业的知名度。在这个智能化并未完全普及的时代，智能化水平的高低，也是一 个企业的实力的象征，同时代表着该企业产品的质量可靠性，交货及时性，是特 别受客户喜爱的。综上所述，智能化起重机相比于传统的起重机，有着天然的优 越和不可及的优势。因此，

11、对于其智能化的研究，也是倍受期待的，这有着重大 的意义。2 国内外研究的现状和分析相比于国外对智能起重机的研发和应用，我国的起步还是比较晚的，目前多 是以借鉴国际上的先进方法为主，为进一步改进打基础。在国外，由于研发起步 较早，在理论研究上取得了显著的成果，尤其是在环保（节能降耗）、自动控制、 安全监控方面，水平较高，并且已经在应用的生产实践中。本文总结了国际上和 国内的智能起重机的研发和应用现状，现概括如下：2.1 安全监控和故障诊断在任何领域，安全都是基本要求，包括人身安全、财产安全、环境安全等， 对于起重机来说，安全更是其首先考虑的问题，不能保证安全，其他方面再智能 都如同空中楼阁，因此

12、,对安全的监控是至关重要的，也是首要要研究的课题，而 安全问题的产生，一般都是由于有故障导致，因此研究安全监控，就必不可少的 要研究故障诊断。为了使起重机持续处于安全工作状态，就要实时对其进行安全监控，因此安 全监控的水平对起重机的安全程度起到了决定性作用。安全监控技术也受到我国 质检总局和安全监控总局的重视，要求开展在大型起重机械领域的安全监控管理 体系试点工作。安全监控要至少包含以下功能：显示功能、报警功能、自动控制 功能、系统自检功能、一键停止功能、信息记录功能。这些功能由显示仪表、传 感器、信号采集器、监控系统等组成。利用可编程控制器 PLC 模块以及人机交互 模块等为操作人员提供更直

13、观、全面的系统工作参数和状态信息，进而提高整机 控制技术水平和应用效率，具有图形化、交互式显示、监测及智能诊断等功能， 实现整个体系的集中诊断接口以及安全监控，可大大降低劳动成本，提高生产效 率1。利用人工神经网络理论对起重机机械系统工作状态进行智能监测和故障诊 断，快速确定故障类型，提高了故障诊断率2。随着国际贸易越来越深入的发展， 集装箱运输业的发展也越来越受到人们的重视，制造起重机的各个企业也在积极 研发新型的、高效的、可靠的、智能的、安全的起重机，同时追求结构的智能化 以降低成本和加强控制。近些年，远程监控技能得到了广泛应用，尤其是针对设备分布比较零散和数 据不易采集的生产现场，该技术

14、的应用实现了对设备运行状态的实时监控和控制， 极大的促进了工业生产的发展。远程监控的目的是为了监视控制分布控制网络的 状况，和对设备进行诊断维护等，它是利用计算机和网络系统来实现的对远端进 行的监视和控制。远程监控系统包括能实施远程监视控制的通讯媒介和计算机软、 硬件。在起重机械上应用远程监控系统，可实现快速服务响应，使设备很大程度 上的缩短了故障排除时间，提升设备完好率，通过远程收集起重机传递的多种信 号，对起重机的任务要求实现情况、运行状态的监控，利于生产调度，加强生产 统筹调度水平。对起重机来说，具有智慧的人机接口，必将成为其实现安全可靠的监视控制 和对故障进行自我诊断的主要内容。这需要

15、开发一个先进的的利用计算机来实现 监视、控制功能的管理系统，将新型的网络知识、通讯知识、计算机知识、微电 子知识、控制学知识技术、电力电子知识、光缆技术等集合起来。随着物联网技术的发展，一个用于塔机集群能够实现安全作业的智能控制系 统应运而生，该系统极大的加强了起重机的安全防护功能，保障了起重机的安全 运行。塔机集群安全作业智能控制系统由多个部分组成，含括了传感器，触控屏 核心控制器，塔机回转控制电路，塔机声光报警系统，力矩限制器，起重量限制 器，无线通讯模块等。当起重机械识别到已经进到了危险区域，会使塔机由人工 控制变为自主控制，这种智能控制方式，减少了人为操作失误，从而减少了事故 的发生。

16、这种智能控制系统的应用，实现了实时监控功能，实现了事故的自动预 警，实现了紧急避险，实现了机械集群的协同工作，提高了安全程度。故障监测与安全监控密不可分，同属于起重机的智能操作系统，这个技能则 主要是把计算机知识、电子知识、控制知识、通信和网络知识等应用到起重机械 中，使故障维修人员不需要到达现场，通过计算机就能分析出故障原因，判断故 障类型，解决故障。近年来，起重机安全事故时有发生，造成人身损伤，财产损失。在某钢铁公 司的炼钢车间，起重机操作员在工作时吊运 1.8 吨重的钢水，由于起重机大车制 动器失灵，导致大车失控，钢水包撞到一名员工导致其死亡。这起事故，制动器 失灵时候直接原因，操作员的操作不及时也是导致人员死亡的间接原因，由此可 见，起重机的自我