一種微處理器控制自動平衡吊具 - 全文

　　自動平衡吊具是一種由微處理器控制的全自動吊具，它可以在起吊過程中快速地自動調(diào)平，使被吊物的質(zhì)心在吊具本身得到調(diào)整，從而使整個起吊過程中，被吊物始終保持在水平狀態(tài);也可以使被吊物在起吊過程中快速地調(diào)姿，使被吊物保持一個任意的預(yù)先設(shè)定的姿態(tài)?；诖耍O(shè)計了吊具的控制系統(tǒng)，對吊具承重系統(tǒng)和動力系統(tǒng)進行了仔細的計算，并以吊具極限姿態(tài)為最不利情形，選型在精度、穩(wěn)定性和可靠性等指標均預(yù)留了充足的安全裕度。

　　1 吊具機械結(jié)構(gòu)及原理簡述

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

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

　　傾斜傳感器安裝在機架上，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出的機架傾斜數(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向的機架傾斜狀況)，當測出的數(shù)據(jù)需要吊索沿x方向移動時，系統(tǒng)控制器根據(jù)吊索的當前位置和需要的位移量，計算出對應(yīng)的速度和方向的控制信號，x向電機驅(qū)動電路根據(jù)系統(tǒng)控制器輸出的控制信號，以合適的電機軸旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速啟動x向電機運轉(zhuǎn)，電機旋轉(zhuǎn)x向絲杠帶動吊環(huán)組件完成指定幅度的移動;當需要吊索沿y方向移動時，y向電機驅(qū)動電路根據(jù)系統(tǒng)控制器輸出的控制信號以合適的電機軸旋轉(zhuǎn)方向和合適的轉(zhuǎn)速啟動y向電機，電機旋轉(zhuǎn)y向絲杠帶動中間滑板組件完成指定幅度的移動。

　　在吊具運行狀態(tài)下，x，y向的控制過程是同時且連續(xù)進行的，直至吊具調(diào)平。

　　轉(zhuǎn)動手輪，可以帶動小絲杠調(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。

　　2 控制系統(tǒng)概述

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，這里把整個系統(tǒng)按照檢測、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，為下位機判斷電機轉(zhuǎn)動方向，計算移動行程提供依據(jù)。后者分為軟件停機傳感器組和機械斷電傳感器組，采用雙重制動策略，保障吊具在使用過程中平穩(wěn)調(diào)平和安全使用。

　　控制部分：單片機嵌入式系統(tǒng)是控制機構(gòu)的核心部件，首先接收檢測部分的輸出值，包括吊具的實時姿態(tài)、軟件停機傳感器組狀態(tài)，同時調(diào)用子程序，處理輸入信號并給出動作信號給1、2號變頻器，使x，y向電機遵循指令進行動作。最后，單片機還需要和上位機設(shè)備進行交流，方便操作人員隨時掌握系統(tǒng)的狀態(tài)。

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

　　執(zhí)行部分：接收單片機的輸出信號，并按照上位機自動、手動調(diào)平指令調(diào)節(jié)1、2號變頻器輸出，從而驅(qū)動x、y向電機轉(zhuǎn)動方向，促使主吊點偏移完成調(diào)平工作。無線組件將上位機和下位機無縫連接，使得上位機的控制和數(shù)據(jù)獲取更加實時。

　3 吊具結(jié)構(gòu)及承重系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 吊環(huán)

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

　　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

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

　　電機功率=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，裕度過大。電機功率選國標系列值3 kW。

　　3.4 螺紋傳動機構(gòu)

　　螺牙強度能承受(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。因為矩形螺紋運動精度高，成本高。

　　根據(jù)耐磨性初選中徑，梯形螺紋：

?

　　其中，[p]=18MPa，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。

　　螺母螺紋牙強度應(yīng)滿足：

　　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，所以實際的穩(wěn)定性安全系數(shù)還會高很多;其次，使用中也沒有整個吊具傾斜90度的情況。

　　4 小結(jié)

　　本文對吊具的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行了介紹，并說明了系統(tǒng)工作原理。對吊具結(jié)構(gòu)及承重設(shè)計、動力系統(tǒng)設(shè)計給出了詳細計算過程。本設(shè)計已經(jīng)獲得了國家專利的授權(quán)。