“中國好設計”創意獎
——導向吊具擺桿定位牽引運行門式起重機

文/大連理工大學 鈕金亮 關澤明 張會杰 代一誠 侯寶旺

鈕金亮（左）、張會杰（右）代表團隊參加2017中國創新設計大會暨中國好設計頒獎儀式

2017“中國好設計”創意獎項目——導向吊具擺桿定位牽引運行門式起重機是來自大連理工大學機械工程學院2016級碩士研究生鈕金亮、關澤明、張會杰、代一誠、侯寶旺的團隊作品，指導教師屈福政教授、張元良教授。

為滿足社會對智能化起重機的需求，團隊設計了一臺導向吊具擺桿定位牽引運行的門式起重機。起重機主要包括導向吊具、定位擺桿、同步起升機構、牽引行走系統和動力控制五個部分。起重機采用鋁合金可拆裝門架結構，直流減速電機驅動，擺桿和夾鉗采用舵機驅動；以航模電池組作為驅動和控制動力，采用Arduino單片機，程序控制、霍爾元件配合永磁標識，實現起升機構和牽引行走系統的準確定位，配有無線遙控系統，便于安裝調試；全部搬運操作一鍵完成，也可以手動操作搬運。

2017年春，大連理工大學屈福政教授鼓勵自己的學生鈕金亮、張會杰、代一誠、侯寶旺參加第二屆中國大學生起重機創意大賽。開學后，他們在教研室多次討論參賽方案，最終確定了舵機驅動擺桿方案。有了既定方案，四個人開始設計具體實施方法。他們使用SolidWorks建立方案的三維模型，每人負責建立三維模型的一部分，再由鈕金亮負責總體三維裝配和隊內任務統籌分配。只利用了兩個下午的時間，團隊完成初步三維模型。之后，團隊圍繞方案的具體細節和可能出現的問題又進行了一次討論，最終決定采用動力牽引的驅動方式代替電機輪驅動。

方案設計完成后，四個人開始著手尋找委托加工場地。由于現有的團隊成員都是結構設計方向的學生，為了更好地發揮方案創意，團隊決定尋找一位研究電控方向的新“隊友”。就這樣，張元良教授的學生關澤明加入團隊。團隊的五名成員來自不同家鄉，性格、創新風格也各有特色，經過團隊磨合，溝通良好，合作愉快。

走在創新之路上，困難是難以繞過的。最難的一次挑戰，是擺桿鉸耳的加工和制作。項目作品采用鋁材質，點焊較為合適，但鉸耳是承載零件，點焊滿足不了要求，滿焊則會產生很大的變形，達不到使用要求。同時，由于配合關系不合適，導致擺桿末端下垂嚴重。經過幾次重新加工，委托加工人員認為團隊焊接鉸耳不恰當，提出加工成一體鉸耳的意見，也有團隊成員附議。經過合議，一體加工方案最終確立了下來。在導師屈福政教授的指導下，團隊設計出了合理的軸孔配合關系，完成了技術攻關。

2017年7月，在屈福政、張元良教授的指導下，團隊完成了方案的加工、安裝和外購件的購買。經過不斷調試，作品趨于完善。

導向吊具擺桿定位牽引運行門式起重機

該方案為一臺沿軌道運行的門式起重機。沿軌道運行，保證了起重機在往復運動過程中的速度和定位精度。起重機的吊具具有自動脫、掛鉤和擺臂精確定位功能，保證起重機在起始點一次抓取五個箱體，起重機沿軌道運行過程中通過擺臂擺動完成箱體的五環精確定位。專用吊具裝有導向輪，實現與門架桿件間的垂直導行，避免了運行過程中吊具擺動，提高平穩性。起升機構采用多卷筒同軸驅動形式，保證吊具的垂直平穩提升。改向滑輪的采用使得起升機構減速機和門架結構受力合理。起重機牽引行走系統采用直流電機減速機驅動，配合霍爾元件反饋控制起重機的精確定位。起升機構采用直流電機加蝸輪蝸桿減速機驅動，省去了制動器。吊具上的擺臂和掛鉤由舵機驅動。直流電機和舵機采用單片機控制，電源采用22.2V電池。

開始時，起重機五個掛鉤直線排列，起重機運行到箱子初始位置，起升機構下放吊具，掛鉤，起升。箱體離地后，起重機行走系統運行，起升機構繼續運行，同時擺臂旋轉使箱子呈五環位置，到達下放區域，起重機行走系統停止運行，起升機構下放吊具，脫鉤。重復上述過程即可完成搬運。

導向吊具擺桿定位牽引運行門式起重機的創新點在于：

牽引式輪軌行走系統，保證了起重機在軌道上的精確定位；

起升機構采用具有自鎖功能的雙輸出軸渦輪蝸桿減速電機，四卷筒同軸驅動保證吊具水平；

吊具設有導向輪，消除吊具擺動，保證搬運效率；

擺臂、吊具升降、大車運行可多機構同時操作，提高搬運效率；

程序控制配合霍爾元件和永磁標識，可實現一鍵完成搬運。

大車沿軌道運行，保證了速度和定位精度，在軌道端部設有止擋，定位精確，簡化了控制，提高了效率；吊具上的擺臂實現箱體掛鉤和精確定位；擺臂過程、起升或下降、大車運行同時進行，節省時間；吊具有剛性導向輪，消除了擺動，提高了定位精度和效率；多卷筒同軸驅動，提升平穩；改向滑輪的采用使得起升機構減速機和門架結構受力合理。

導向吊具擺桿定位牽引運行門式起重機具有一鍵智能搬運功能，可實現搬運的無人化作業，符合未來智能制造的發展趨勢。