一種微處理器控制自動(dòng)平衡吊具

劉 超，劉新妹，侯 文

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原030051)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，起重吊運(yùn)作業(yè)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域中使用得愈來(lái)愈頻繁和普遍。我國(guó)不斷勘探出各種類型的礦山、油田，多數(shù)企業(yè)都是自己制造吊具，專業(yè)性、安全性差距較大;此外航天、國(guó)防、建筑等行業(yè)給高端吊索具創(chuàng)造了無(wú)限的發(fā)展空間，吊索具在技術(shù)方面不斷刷新記錄［1］。

在航空航天、精密機(jī)械等重要領(lǐng)域，隨著關(guān)鍵部件質(zhì)量要求的提高，對(duì)起重吊裝和裝配操作提出了很高的要求。自動(dòng)平衡吊具是一種由微處理器控制的全自動(dòng)吊具，它可以在起吊過(guò)程中快速的自動(dòng)調(diào)平，使被吊物的質(zhì)心在吊具本身得到調(diào)整，從而使整個(gè)起吊過(guò)程中被吊物始終保持在水平狀態(tài);也可以使被吊物在起吊過(guò)程中快速地調(diào)姿，使被吊物保持一個(gè)任意的預(yù)先設(shè)定的姿態(tài)。滿足上述領(lǐng)域中對(duì)起重吊裝的高要求，是實(shí)現(xiàn)安全、高效、自動(dòng)吊裝裝配作業(yè)的重要技術(shù)手段。

1 吊具機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理簡(jiǎn)述

為進(jìn)行快速的裝配體設(shè)計(jì)，吊具機(jī)械結(jié)構(gòu)使用Solid Works進(jìn)行裝配體建模，各部分的配置及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

吊具本身由機(jī)架(兼做y向?qū)к?、y向電機(jī)、y向絲杠、中間滑板組件(含x向?qū)к?、x向電機(jī)、x向絲杠、吊耳組件(4個(gè))、手輪(4個(gè))、吊環(huán)組件、吊索等部分組成。

傾斜傳感器安裝在機(jī)架上，傳感器的工作方向分別與吊具的x、y方向平行，系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)控制器讀取傾斜傳感器測(cè)出的機(jī)架傾斜數(shù)據(jù)(傳感器的俯仰角和橫滾角的數(shù)據(jù)分別代表吊具在x、y向的機(jī)架傾斜狀況)，當(dāng)測(cè)出的數(shù)據(jù)需要吊索沿x方向移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)控制器根據(jù)吊索的當(dāng)前位置和需要的位移量，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的速度和方向的控制信號(hào)，x向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)系統(tǒng)控制器輸出的控制信號(hào)，以合適的電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速啟動(dòng)x向電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)x向絲杠帶動(dòng)吊環(huán)組件完成指定幅度的移動(dòng);當(dāng)需要吊索沿y方向移動(dòng)時(shí)，y向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)系統(tǒng)控制器輸出的控制信號(hào)以合適的電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)方向和合適的轉(zhuǎn)速啟動(dòng)y向電機(jī)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)y向絲杠帶動(dòng)中間滑板組件完成指定幅度的移動(dòng)。

在吊具運(yùn)行狀態(tài)下，x、y向的控制過(guò)程是同時(shí)且連續(xù)進(jìn)行的，直至吊具調(diào)平。

轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，可以帶動(dòng)小絲杠調(diào)節(jié)滑塊在x軸方向上的位置，以適應(yīng)不同大小的被吊件。

圖1 吊具機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制系統(tǒng)概述

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，這里把整個(gè)系統(tǒng)按照檢測(cè)、控制、通信、執(zhí)行的順序劃分成四大塊，各部分的工作如下:

檢測(cè)部分:主要包括傾角和接近傳感器等硬件。其中前者用于獲得吊具的俯仰角和橫滾角并傳送給SP2539的子串口，為下位機(jī)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，計(jì)算移動(dòng)行程提供依據(jù)。后者分為軟件停機(jī)傳感器組和機(jī)械斷電傳感器組，采用雙重制動(dòng)策略，保障吊具在使用過(guò)程中平穩(wěn)調(diào)平和安全使用。

控制部分:單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)是控制機(jī)構(gòu)的核心部件，首先接收檢測(cè)部分的輸出值，包括吊具的實(shí)時(shí)姿態(tài)、軟件停機(jī)傳感器組狀態(tài)，同時(shí)調(diào)用子程序，處理輸入信號(hào)并給出動(dòng)作信號(hào)給1、2號(hào)變頻器，使x，y向電機(jī)遵循指令進(jìn)行動(dòng)作。最后，單片機(jī)還需要和上位機(jī)設(shè)備進(jìn)行交流，方便操作人員隨時(shí)掌握系統(tǒng)的狀態(tài)。

通信部分:這部分解決單片機(jī)分別與檢測(cè)機(jī)構(gòu)、上位機(jī)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信息傳輸。具體的講，主要是指單片機(jī)與傾角和接近傳感器、上位機(jī)調(diào)平控制指令、1、2號(hào)變頻器輸出頻率、角度顯示以及SP2539串口擴(kuò)展系統(tǒng)之間的信息傳輸。

執(zhí)行部分:接收單片機(jī)的輸出信號(hào)，并按照上位機(jī)自動(dòng)、手動(dòng)調(diào)平指令調(diào)節(jié)1、2號(hào)變頻器輸出，從而驅(qū)動(dòng)x、y向電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，促使主吊點(diǎn)偏移完成調(diào)平工作。無(wú)線組件將上位機(jī)和下位機(jī)無(wú)縫連接，使得上位機(jī)的控制和數(shù)據(jù)獲取更加實(shí)時(shí)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 吊具結(jié)構(gòu)及承重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 吊環(huán)

考慮吊具自身重量，并考慮起吊過(guò)程的沖擊加速度，根據(jù) GB825 －88，選擇螺釘 GB 825 M36，垂直懸吊2.3 t。

3.2 框架

為了足夠的安全裕度，涵蓋考慮最不利情形:一端固支的水平矩形等截面懸臂梁，自由端受重力10 000/2=5000 N;自重加其它零件重量4 000 N偏于安全地視為作用于懸臂梁懸出端。矩形高為100 mm，寬為68 mm;

因此，各種低碳鋼均滿足要求。

3.3 電機(jī)

選用YVP100L2－4變頻電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速5 000 rpm，多級(jí)可調(diào)。額定功率3 kW，額定扭矩19 Nm。不使用減速機(jī)，螺距為3 mm，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為960 rpm時(shí)，每秒鐘吊環(huán)移動(dòng)48 mm。這個(gè)速度可以看做吊具工作時(shí)的最高速度。

電機(jī)功率=吊具上升速度×(重力加速度+上升加速度)×(被吊質(zhì)量+設(shè)備質(zhì)量)/機(jī)械效率 =0.05×(9.8+0.1) × (1 000+400)/0.22=3 kW

上述式子是關(guān)于吊具徹底歪斜這種最不利情況的，裕度過(guò)大。電機(jī)功率選國(guó)標(biāo)系列值3 kW。

3.4 螺紋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

螺牙強(qiáng)度能承受(1 000+400)×9.8N的軸向力(吊具徹底歪斜，這是最不利的情況)

選用梯形螺紋。因?yàn)榫匦温菁y運(yùn)動(dòng)精度高，成本高。

根據(jù)耐磨性初選中徑，梯形螺紋:

其中，［p］=18 MPa，Ψ =H/d=2.5，Q=14 000 N，

得到d2=11.5 mm。為了更好的剛度，選d=32 mm，螺距t=3 mm。

螺母螺紋牙強(qiáng)度應(yīng)滿足:

螺桿由于受拉扭組合，校核其強(qiáng)度

另外，單頭小螺距，自鎖性滿足:

傳動(dòng)效率:

壓桿穩(wěn)定

注意兩端支撐情況，首先計(jì)算柔度系數(shù)，

滿足要求。另外，由于施加軸向力的結(jié)構(gòu)不允許徑向位移，所以實(shí)際的穩(wěn)定性安全系數(shù)還會(huì)高很多;其次，使用中也沒(méi)有整個(gè)吊具傾斜90度的情況。

4 小結(jié)

本文對(duì)吊具的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并說(shuō)明了系統(tǒng)工作原理。對(duì)吊具結(jié)構(gòu)及承重設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)給出了詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。本設(shè)計(jì)已經(jīng)獲得了國(guó)家專利的授權(quán)。

［1］北京諾鼎工業(yè)設(shè)備有限責(zé)任公司.吊索具行業(yè)市場(chǎng)前景分析［OL］.http://www.nodding.com.cn/suoju/.

［2］徐濤，羅武勝，呂海寶，等.地下定向鉆進(jìn)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，12(2):5 －8.

［3］洪嘉振，楊長(zhǎng)俊.理論力學(xué).北京:高等教育出版社，2008:35－36.