三吊臂分吊合放式起重裝置設(shè)計(jì)

潘向?qū)? 楊子江 程宏飛 朱傳明 程新博 馬驥

摘? 要：針對(duì)吊裝過程中，有時(shí)需要有選擇性地將集裝箱有序放置這一問題，提出了三吊臂分吊合放式起重裝置的整體設(shè)計(jì)方案。在機(jī)械部分方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論，化解了方案設(shè)計(jì)階段的矛盾沖突，提出了將電機(jī)做配重的方案，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。依據(jù)設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用輕型鋁合金材料完成了整體框架的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作，其中部分零部件采用Solidworks建模，3D打印。控制部分采用凌陽SPCE061A控制板作為起重裝置的主控板， L298N模塊作為起重裝置的驅(qū)動(dòng)模塊，通過改變控制電壓，實(shí)現(xiàn)自鎖電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，完成重物的起吊;運(yùn)動(dòng)部分采用邁特納姆輪，可實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng);三個(gè)吊臂高度按疊放三箱牛奶的高度設(shè)計(jì)，節(jié)約材料，方便控制。利用G+unSPIDE軟件完成程序編寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三吊臂單獨(dú)起升，同時(shí)起升，自動(dòng)復(fù)位，全向移動(dòng)等動(dòng)作的控制。為應(yīng)對(duì)起吊突發(fā)情況，制定了處置預(yù)案，優(yōu)化了行進(jìn)路徑。實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)實(shí)用性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、完成速度快，并且擁有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：起重裝置? 3D打印? 分吊合放式結(jié)構(gòu)? TRIZ創(chuàng)新理論

中圖分類號(hào)：TH21;TG404? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（c）-0096-05

Abstract： Aiming at solving the problem of " selectively placing containers in the process of lifting”， this paper presents the overall design scheme of three lazy arms lifting apparatus， which can lift containers separately and place together. The innovation theory of TRIZ is applied to resolve the contradictions and conflicts in the scheme design stage. The scheme of battery and motor as counterweight is proposed to realize the optimal design of the scheme of mechanical structure.According to the design scheme， the mechanical structure design and production of the overall frame were completed by using light aluminum alloy materials， among which some parts were modeled with Solidworks and 3D printed. The control part adopts Sunplus SPCE061A control panel as the main control panel. The L298N module was used to change the control voltage， and realize the forward and reverse rotation of the self-locking motor to complete the lifting of heavy objects. The moving part adopts Metnam wheel， which can realize omni-directional movement. The height of the three lifting arms is designed rationally according to the height of stacking three milk cartons， saving material and facilitating control. G+unSPIDE software was used to programming， which realized the control of the three lazy arms lift separately and simultaneously， automatic reset and omnidirectional movement. The disposal plan is formulated and the traveling path is optimized in order to sudden situation. The new type of separate lifting and together placing lifting apparatus with three lazy arms is practical， stable and complete fast， which has good practical significance and promotional value.

Key Words： Lifting apparatus; 3D Printing; Separate-lift and together-place structure; The innovation theory of TRIZ

起重機(jī)作為機(jī)械技術(shù)的重要象征和發(fā)展結(jié)果，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，并正在給人類社會(huì)帶來革命性的變化，影響著人們生活的方方面面。隨著人們對(duì)起重機(jī)技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識(shí)的加深，起重機(jī)技術(shù)開始源源不斷地向社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域滲透，結(jié)合這些領(lǐng)域的特點(diǎn)，起重機(jī)朝著更加多元化的方向發(fā)展。而且隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高和世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，起重機(jī)越來越廣泛地被應(yīng)用到枯燥、繁重的作業(yè)領(lǐng)域。尤其是在軍事應(yīng)用廣泛，如地面軍用起重機(jī)輔助軍隊(duì)進(jìn)行運(yùn)輸，吊升重物等工作，減小人力消耗。一般的起重機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單，可用空間單一，應(yīng)用受到一定的限制[1，2]。

本文針對(duì)吊裝過程中，有時(shí)需要多集裝箱同時(shí)起吊并有選擇性地有序放置這一問題，提出了三吊臂分吊合放式起重裝置的整體設(shè)計(jì)方案與調(diào)試[3]，可實(shí)現(xiàn)三件產(chǎn)品一次性吊裝并有選擇性的縱向疊放，且移動(dòng)快捷方便，很好地節(jié)省了時(shí)間和空間，擁有較好的應(yīng)用前景。

1? 整體方案設(shè)計(jì)

三吊臂分吊合放式起重裝置由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，整體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。起重過程一步到位，由程序設(shè)定起吊指定高度，只需按下指定按鍵，即可實(shí)現(xiàn)三個(gè)重物同時(shí)起升到指點(diǎn)位置，到指定位置再依次疊放，省時(shí)高效。部分零件采用3D打印，不僅保證了材料的強(qiáng)度和硬度，使零件很好地滿足了設(shè)計(jì)要求，而且解決了小零件不容易手工制造的難題。

2? 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)框架

起重裝置整體框架采用歐標(biāo)1515鋁型材，由三角接頭連接，質(zhì)量輕，韌性好、強(qiáng)度大且穩(wěn)定性高，用來連接并固定其他模塊。該起重裝置運(yùn)動(dòng)部分采用邁特納姆輪，利用四個(gè)輪子的正反轉(zhuǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)該起重裝置前后左右運(yùn)動(dòng)，還可以原地打轉(zhuǎn)，減小轉(zhuǎn)彎半徑，靈活方便。圖2為起重裝置實(shí)物模型。

2.2 起吊結(jié)構(gòu)

起吊部分由三個(gè)獨(dú)立吊臂及鋼纜、滑輪組成，每個(gè)吊臂獨(dú)立控制，可實(shí)現(xiàn)重物分別起吊同時(shí)放落，大大提高作業(yè)效率;吊臂使用鋁管，套筒使用3D打印零件，起降線采用高強(qiáng)度魚線，利用雙滑輪改變力的作用方向且保證起降的穩(wěn)定性。將吊臂做成高度成階梯狀分布，方便重物起升運(yùn)輸時(shí)的疊放，當(dāng)物品吊起后，起重機(jī)可以進(jìn)行運(yùn)輸，當(dāng)運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢茫锲芬哑鹕林付ǜ叨龋?jié)約等待時(shí)間。圖3為呈階梯分布的吊臂結(jié)構(gòu)[4，5]。

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

綜合考慮整體結(jié)構(gòu)、布置位置、尺寸大小和速度以及吊取過程中對(duì)平穩(wěn)性的要求，采用300轉(zhuǎn)/min直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源，直流電機(jī)具有起動(dòng)和調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣且平滑，過載能力較強(qiáng)，受電磁干擾影響小的優(yōu)勢(shì);選擇40轉(zhuǎn)/min、輸出扭矩為30kg·cm渦輪蝸桿減速電機(jī)作為起重裝置的動(dòng)力源，渦輪蝸桿減速電機(jī)，機(jī)械機(jī)構(gòu)緊湊，小型高效;減速增扭的同時(shí)降低了負(fù)載的慣量。圖4為起吊自鎖電機(jī)。

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

搭建起重裝置模型，測試顯示四個(gè)輪子的控制電機(jī)所受負(fù)載不同，轉(zhuǎn)速不同，由于邁特納姆輪運(yùn)動(dòng)必須同速移動(dòng)，從而導(dǎo)致起重裝置無法實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。可通過增加負(fù)載，調(diào)整起重裝置重心位置，從而實(shí)現(xiàn)邁特納姆輪的正常驅(qū)動(dòng)。

增加負(fù)載調(diào)整重心位置，使重心在起重裝置中間。但新的測試結(jié)果顯示，起重機(jī)在空載時(shí)因負(fù)載質(zhì)量過大而出現(xiàn)路線偏移。現(xiàn)應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論，設(shè)法化解方案設(shè)計(jì)階段的矛盾沖突[6-8]：

問題分析及技術(shù)沖突確定：增加起重機(jī)負(fù)載穩(wěn)定重心，提升了吊升重物后的穩(wěn)定性，但導(dǎo)致了起重機(jī)總質(zhì)量的增加。

TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程矛盾轉(zhuǎn)化：將前述技術(shù)沖突轉(zhuǎn)化為TRIZ理論標(biāo)準(zhǔn)工程矛盾參數(shù)即想要改進(jìn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（N0。13），惡化的特性為質(zhì)量的增加（N0.1）。

TRIZ求解：工程參數(shù)在TRIZ沖突矩陣中對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理為：

抽出（分離、分開）原理（No.2）;

躍過（減少有害作用）原則（No.21）。

發(fā)明原理No.2解釋為“將一個(gè)物體中的"干擾'（負(fù)面）部分分離出去;將物體中關(guān)鍵部分分挑或分離出來”。

發(fā)明原理No.21解釋為“高速躍過某過程或其個(gè)別階段（如有害的或危險(xiǎn)的）。”。顯然，發(fā)明原理No.21較難應(yīng)用于對(duì)此問題的解決。

受發(fā)明原理No.2的啟發(fā)，為提升穩(wěn)定性，將電池作為配重安放在底板上，降低起重裝置重心，使其空負(fù)載下能穩(wěn)定運(yùn)行。

3? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是一臺(tái)機(jī)器的大腦與神經(jīng)。只有靈活可靠的控制才可以最大程度發(fā)揮起重裝置的性能，而良好的操作性亦是起重裝置安全運(yùn)行的保證。 三吊臂分吊合放式起重裝置的控制系統(tǒng)分為硬件控制和軟件控制兩部分。

3.1 硬件控制模塊

控制模塊由凌陽SPCE061A擴(kuò)展板（承載程序，并為其它設(shè)備提供插口）、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、300轉(zhuǎn)/min直流電機(jī)（控制輪子運(yùn)動(dòng)）、40轉(zhuǎn)/min自鎖電機(jī)（控制吊臂起降）和供電電源組成。

3.1.1 凌陽SPCE061A擴(kuò)展板

SPCE061A 是一款性價(jià)比很高的十六位單片機(jī)，具有易學(xué)易用且效率較高的一套指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境，在此環(huán)境中，支持標(biāo)準(zhǔn)C語言，可以實(shí)現(xiàn)C語言與匯編語言的互相調(diào)用，它采用SoC技術(shù)，整合了多個(gè)常用的功能模塊，在進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)候不用外加過多的硬件就可方便的完成一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。并且該主控板還具有數(shù)據(jù)運(yùn)算速度快，耗電少，調(diào)試和程序下載方便的優(yōu)點(diǎn)。

凌陽SPCE061A擴(kuò)展板作為主控板，是三吊臂分吊合放式起重裝置的控制核心，可通過控制手柄接收并處理運(yùn)動(dòng)信號(hào)，轉(zhuǎn)化為控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)起重裝置的前后左右運(yùn)動(dòng)。如圖5所示。

3.1.2 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

L298N是專用驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于H橋集成電路，輸出電流大，功率強(qiáng)。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端與SPCE061A主控板直接相聯(lián)，從而受單片機(jī)的控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，可以通過改變輸入端的邏輯電平，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。例如，被控端接收到控制端發(fā)來的ting信號(hào)時(shí)，則輸出5、6端口低電平，通過L298N模塊后則給有刷電機(jī)兩端相同的低電壓，使電機(jī)鎖定停止不轉(zhuǎn)動(dòng)[8-9]。

3.2 軟件控制模塊

在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用G+unSPIDE軟件編寫程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)的控制。此部分主要描述路徑規(guī)劃和程序編寫邏輯，部分程序代碼見附錄。

3.2.1 路徑的規(guī)劃

如圖6本設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)將在區(qū)域A放置的十五箱物品均勻整齊疊放至區(qū)域B的五個(gè)圓圈內(nèi)。為此我們將設(shè)計(jì)起重機(jī)全向運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)快速靈活的移動(dòng)，極小半徑轉(zhuǎn)彎等功能[10]。

綜合各種因素分析，根據(jù)各種理念，為起重機(jī)規(guī)劃了2種行駛路徑方案：

（1）前后夾擊方案。A1→B2→A5→B5→A2→B3→A3→B1→A4→B4。

（2）依次順序方案。A1→B5→A2→B2→A3→B3→A4→B4→A5→B1。

3.2.2 程序的編寫

利用凌陽SPCE061A單片機(jī)擴(kuò)展板編寫程序，用匯編語言進(jìn)行功能函數(shù)的編寫，C語言進(jìn)行主函數(shù)的編寫。在遙控上設(shè)置9個(gè)按鍵進(jìn)行三個(gè)吊臂的起降控制。其中6個(gè)為連續(xù)輸出的，控制三個(gè)吊臂的單獨(dú)起降;另外三個(gè)為自動(dòng)控制的，控制三個(gè)吊臂的起升、復(fù)位等功能。另外，在遙控上設(shè)置6個(gè)按鍵進(jìn)行起重機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制，分別控制其四個(gè)方位及左右自旋。

4? 結(jié)語

本文針對(duì)一般的起重機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單，可用空間單一，應(yīng)用受到一定的限制的現(xiàn)實(shí)特點(diǎn)，及吊裝過程中，有時(shí)需要多集裝箱同時(shí)起吊并有選擇性地有序放置這一現(xiàn)實(shí)需求，規(guī)劃了起重裝置的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)指標(biāo)，提出了三吊臂分吊合放式起重裝置的總體設(shè)計(jì)方案，可以一次性吊裝三件重物并實(shí)現(xiàn)其縱向疊放，且移動(dòng)快捷方便，很好地節(jié)省了時(shí)間和空間。基于總體方案，完成了起重裝置機(jī)械部分與控制部分的方案設(shè)計(jì)。在機(jī)械部分方案設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新性地采用了階梯分布吊臂結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的鋁型材和3D打印件完成了起重裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的制作。3D打印件不僅保證了材料的強(qiáng)度和硬度，使零件很好地滿足了設(shè)計(jì)要求，而且解決了小零件不容易手工制造的難題。在功能分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合TRIZ創(chuàng)新理論，化解了方案設(shè)計(jì)階段的矛盾沖突，提出了電池，電機(jī)做配重的方案，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。控制部分采用凌陽SPCE061A單片機(jī)控制板作為起重裝置的主控板，采用6個(gè)L298N模塊作為起重裝置的驅(qū)動(dòng)模塊，通過改變控制電壓，實(shí)現(xiàn)自鎖電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，完成重物的起吊，選擇直流電機(jī)為動(dòng)力源。利用G+unSPIDE軟件，完成了程序編寫。

當(dāng)然，本設(shè)計(jì)也有不足之處：

（1）整體結(jié)構(gòu)形式仍有不完善之處，例如：吊臂采用方形鋁管存在應(yīng)力集中;

（2）整體框架可進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化;

（3）路徑規(guī)劃有待進(jìn)一步優(yōu)化。

實(shí)踐證明，該三吊臂分吊合放式起重裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，運(yùn)行良好可靠等優(yōu)點(diǎn)，可為解決吊裝過程中需要多集裝箱同時(shí)起吊并有選擇性地有序放置這一問題提供參考，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。

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