基于PLC 的無線小型移動吊車設(shè)計(jì)*

楊保健，鄧永寧，曹云龍，曹明軒

（五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東江門 529020）

0 引言

小型吊車的發(fā)展在歐洲開始得比較早且較為成熟和完善。歐式的小型吊車有以下特點(diǎn)：尺寸大小更緊密，沒有多余的空間；有效的工作空間大；能耗低；運(yùn)行穩(wěn)定[1]。從小型起重機(jī)的發(fā)展史來看，許多種類的小型吊車或小型起重機(jī)都是從大型起重機(jī)延伸出來的，將大型起重機(jī)的關(guān)鍵起重零件縮小，就可以得到一個小型起重機(jī)有零件縮小滿足不了性能，則對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。由于國內(nèi)小型吊車在自動化、智能化方面的研究較少，目前還沒有一款可以在手機(jī)端通過App 就可以操作的小型吊車。但隨著現(xiàn)代化社會的建設(shè)在不斷加快，中國的基建從以前量的積累慢慢開始轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)的飛躍，更加實(shí)用、能減少勞動強(qiáng)度、有著更好的人機(jī)交互形式的設(shè)備越來越被人們所需要。本文設(shè)計(jì)的小型移動吊車可以為日后的拆卸工具提供一定的參考思路，具有一定的實(shí)用性和可行性。

1 小型移動吊車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

1.1 整體結(jié)構(gòu)

小型移動吊車的整體結(jié)構(gòu)采用了直流無刷電機(jī)驅(qū)動，對于一個樣機(jī)來說無刷電機(jī)足以滿足所需的性能要求。前輪和支撐架的電機(jī)用了MG995 舵機(jī)，實(shí)際應(yīng)用中支撐架可以考慮用液壓缸，液壓缸提供的支撐力更穩(wěn)定可靠，由于沒有迷你的液壓缸，這里用2對連桿機(jī)構(gòu)來替代，所以實(shí)際起到的支撐及防移動效果有限?；剞D(zhuǎn)部分用了外齒回轉(zhuǎn)支承，這是目前吊車較常用的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[2]。卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)由一對齒輪組成，緊急剎車采用了電磁制動器制動。吊臂的伸縮用了螺旋升降機(jī)構(gòu)，由1根絲桿和絲桿套組成。移動吊車爆炸圖如圖1所示。

圖1 小型移動吊車整體爆炸圖

1.2 行走驅(qū)動裝置

整個吊車有4個輪子，可計(jì)算出總摩擦阻力為235 N。驅(qū)動輪后輪的半徑42.5 mm，阻力矩為10 N·m。驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)動一圈，整個移動吊車前進(jìn)0.267 m，預(yù)計(jì)小車時速為0.5 m/s，減速比為2∶1，則每分鐘后輪需要轉(zhuǎn)112 圈，即后輪轉(zhuǎn)速為112 r/min。故電機(jī)轉(zhuǎn)速至少應(yīng)為112 r/min。求出后輪驅(qū)動電機(jī)需要的輸出功率P＝120 W。由于無刷直流電機(jī)的效率一般在70%左右，故電機(jī)的額定功率要170 W。綜合價(jià)格選用電機(jī)的型號為Z55BLD200－24GU。

1.3 轉(zhuǎn)向裝置

本變向裝置采用了雙曲柄的平行四邊形機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是主動柄轉(zhuǎn)動時，從動柄隨主動柄以同樣的角速度轉(zhuǎn)動，連桿做平行運(yùn)動[3]。在這里主動柄由MG955 舵機(jī)驅(qū)動，該舵機(jī)在小型設(shè)備如無人機(jī)中使用普遍，有良好的性價(jià)比，這里使用的是可以轉(zhuǎn)動90°的型號。連桿兩端通過魚眼螺桿與吊車前輪相連，從而通過連桿的平動變?yōu)榍拜喌?0°轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)前輪的變向。模型圖如圖2所示。

圖2 前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型

接著對轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由度驗(yàn)算，畫出前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡圖

根據(jù)空間自由度常用的計(jì)算公式：

本機(jī)構(gòu)中自由度總數(shù)為PZ＝18，即機(jī)構(gòu)簡圖中?部分（6個回轉(zhuǎn)副、4 個球面副）；多余自由度為2，即桿2 上的2 個回轉(zhuǎn)副；封閉環(huán)數(shù)K＝3，即圖中虛線圈起來的部分（分別為A－C－E－F－G、A－B－C－D、B－D－H－I－J），用實(shí)心三角形▲表示[4]。代入公式得：

由式（2）可知自由度等于1，故轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)正確。

1.4 吊臂伸縮裝置

由于本吊車是樣機(jī)，整體結(jié)構(gòu)較小，沒有空間在吊臂位置安裝液壓缸或氣缸，而吊臂只有1節(jié)的話又難以保證起吊的高度，因此采用螺紋傳動的方式來使吊臂的第2節(jié)伸縮，如圖4所示。由電機(jī)控制螺母管的旋轉(zhuǎn)，隨著螺紋的旋合進(jìn)而推動第2節(jié)吊臂的伸出。

圖4 吊臂的伸縮形式

1.5 卷揚(yáng)裝置

卷揚(yáng)裝置一般是起重機(jī)的最重要的裝置之一，其直接提供了吊車的起升力。在這里設(shè)計(jì)的簡易卷揚(yáng)裝置有動力源、減速區(qū)、剎車裝置。無刷直流電機(jī)的出軸處連接小齒輪，小齒輪帶動大齒輪旋轉(zhuǎn)，這樣就能使軸套筒上的鋼絲繩放松或收緊，達(dá)到吊起重物的功能。該裝置基本滿足吊車樣機(jī)的使用功能，如圖5所示。

圖5 卷揚(yáng)裝置主要機(jī)構(gòu)裝配圖

2 小型移動吊車的軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)介紹

小型移動吊車的整體系統(tǒng)可分為Android客戶端、中間層服務(wù)器端、吊車輸出端。Android 客戶端：發(fā)出的數(shù)據(jù)通過TCP/IP 協(xié)議傳輸給交換機(jī)，這里使用的交換機(jī)是串口服務(wù)器。服務(wù)器端：串口服務(wù)器將接收的數(shù)據(jù)通過Modbus 協(xié)議傳輸給三菱PLC，三菱PLC 接收后進(jìn)行轉(zhuǎn)碼編譯，使輸出繼電器高低電平的電壓[5]。吊車輸出端：吊車上的電機(jī)或驅(qū)動器接收PLC 輸出信號，控制小型吊車上的電機(jī)，以此控制吊車的前進(jìn)起吊等動作。其中，移動手機(jī)與串口服務(wù)器通過WiFi連接，其余通過線進(jìn)行連接。整個系統(tǒng)的關(guān)系如圖6所示。

圖6 小型移動吊車的整體系統(tǒng)

2.2 PLC 控制端選型

由于本吊車電機(jī)較多，需要的PLC 輸出口就要多。由于需要高脈沖輸出控制舵機(jī)，因此選晶體管輸出較好，再考慮留20%的空余量，最后選用16 個輸出三菱FX3U－32MT。還需要1 個模擬量轉(zhuǎn)換模塊FX2N－4DA 來輸出0～5 V 電壓控制電機(jī)的速度。

2.3 吊車上舵機(jī)的控制程序

本文使用了兩種類型的電機(jī)，分別是舵機(jī)和直流無刷電機(jī)，兩種電機(jī)的控制方式又有所不同。舵機(jī)是以脈沖控制，通過對脈沖進(jìn)行調(diào)頻和調(diào)寬實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，這里選用90°的舵機(jī)方便直接使用，不用經(jīng)過放大倍數(shù)或縮小倍數(shù)來控制實(shí)際轉(zhuǎn)向角度。該舵機(jī)需要輸入周期為20 ms 的時基脈沖，即頻率為50 Hz（1/0.02 s）的時基脈沖。脈寬調(diào)頻范圍為1.5～2.5 ms，也就是說，脈寬每增加0.1 ms，舵機(jī)轉(zhuǎn)動9°。這里設(shè)定默認(rèn)轉(zhuǎn)向速度為1.5°/s，因此在PLC 程序中需要對脈寬進(jìn)行增加后縮小一定倍數(shù)再輸出。采用的步驟是，用MOV 指令輸入150 到中間寄存器D10；然后用ADD/SUB 指令對D10的數(shù)進(jìn)行加2或減2，將得到的數(shù)覆蓋D10；然后用DEDIV 指令將D10 的數(shù)除以100 存入D11 中，D11 的數(shù)即為輸出的脈寬數(shù)。脈寬調(diào)制PWM 輸出的格式為[PWM S1 S2 D]，其中S1為輸出脈寬，S2 為輸出周期，D 為輸出繼電器。其關(guān)鍵部分是調(diào)制脈寬，這里用了CMP 指令，如果超出上限則將D10置250，超出下限則將其置150。脈沖調(diào)寬的PLC 程序如圖7所示[6]。

圖7 前輪舵機(jī)的控制程序

2.4 吊車上直流無刷電機(jī)的控制程序

本次選用的直流無刷電機(jī)的調(diào)速模擬電壓范圍是0～5 V，調(diào)速范圍是0～6 000 r/min。因此就需要輸出數(shù)字量的范圍為0～1 000。對模擬量的輸入輸出要用到緩沖儲存區(qū)（BFM）的內(nèi)容，將內(nèi)容讀到PLC 控制器中，或?qū)LC 控制器的內(nèi)容寫入緩沖儲存區(qū)。對輸出模擬量進(jìn)行控制作用到的指令有FROM 和TO，前者是將PLC 讀取模塊的數(shù)據(jù)，后者則是PLC 寫數(shù)據(jù)到模塊中。

2.5 Android 客戶端App 設(shè)計(jì)

本移動吊車論文所開發(fā)的App 界面有4 個，分別是主頁、檢查通訊頁、移動操作頁、升降操作頁，本移動吊車應(yīng)用程序的頁面布局全部都采用了相對布局，用了TextView、Button、Surface、EditText 4 個組件[7－8]。其中監(jiān)控畫面所采用的Surface 是在幀布局（FrameLayout）中，即圖8～9 所示的中間淺藍(lán)色部分。Button 控件采用的按壓效果是未按壓時背景色為灰色，當(dāng)按壓時，按鈕背景色變?yōu)榫G色。其中剎車的按壓背景色為深紅色。

圖8 升降操作頁

圖9 移動操作頁

3 結(jié)束語

本文研究了小型移動吊車的傳動控制系統(tǒng)，對換向機(jī)構(gòu)、起吊機(jī)構(gòu)等重要機(jī)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)；對PLC 端的程序進(jìn)行了編譯，可以實(shí)現(xiàn)PLC 控制小型移動吊車上的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；對Android 客戶端的程序進(jìn)行了編寫，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)端控制PLC 的內(nèi)部寄存器狀態(tài)以控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)吊車車體的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，對6 kg 的物體進(jìn)行起吊。做成實(shí)物后預(yù)計(jì)可以對200 kg 的物體進(jìn)行起吊。