三吊臂分吊合放式起重裝置設計

潘向寧 楊子江 程宏飛 朱傳明 程新博 馬驥

摘? 要：針對吊裝過程中，有時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計方案。在機械部分方案設計中，應用TRIZ創(chuàng)新理論，化解了方案設計階段的矛盾沖突，提出了將電機做配重的方案，實現了機械結構方案的優(yōu)化設計。依據設計方案，應用輕型鋁合金材料完成了整體框架的機械結構設計與制作，其中部分零部件采用Solidworks建模，3D打印?？刂撇糠植捎昧桕朣PCE061A控制板作為起重裝置的主控板， L298N模塊作為起重裝置的驅動模塊，通過改變控制電壓，實現自鎖電機的正反轉，完成重物的起吊;運動部分采用邁特納姆輪，可實現全向移動;三個吊臂高度按疊放三箱牛奶的高度設計，節(jié)約材料，方便控制。利用G+unSPIDE軟件完成程序編寫，實現了對三吊臂單獨起升，同時起升，自動復位，全向移動等動作的控制。為應對起吊突發(fā)情況，制定了處置預案，優(yōu)化了行進路徑。實踐證明，本設計實用性強、穩(wěn)定性好、完成速度快，并且擁有較好的應用前景。

關鍵詞：起重裝置? 3D打印? 分吊合放式結構? TRIZ創(chuàng)新理論

中圖分類號：TH21;TG404? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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

起重機作為機械技術的重要象征和發(fā)展結果，已經廣泛應用于社會發(fā)展的各個領域，并正在給人類社會帶來革命性的變化，影響著人們生活的方方面面。隨著人們對起重機技術智能化本質認識的加深，起重機技術開始源源不斷地向社會的各個領域滲透，結合這些領域的特點，起重機朝著更加多元化的方向發(fā)展。而且隨著科學技術水平的提高和世界經濟的快速發(fā)展，起重機越來越廣泛地被應用到枯燥、繁重的作業(yè)領域。尤其是在軍事應用廣泛，如地面軍用起重機輔助軍隊進行運輸，吊升重物等工作，減小人力消耗。一般的起重機由于其結構簡單，可用空間單一，應用受到一定的限制[1，2]。

本文針對吊裝過程中，有時需要多集裝箱同時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計方案與調試[3]，可實現三件產品一次性吊裝并有選擇性的縱向疊放，且移動快捷方便，很好地節(jié)省了時間和空間，擁有較好的應用前景。

1? 整體方案設計

三吊臂分吊合放式起重裝置由機械系統和控制系統組成，整體方案設計如圖1所示。起重過程一步到位，由程序設定起吊指定高度，只需按下指定按鍵，即可實現三個重物同時起升到指點位置，到指定位置再依次疊放，省時高效。部分零件采用3D打印，不僅保證了材料的強度和硬度，使零件很好地滿足了設計要求，而且解決了小零件不容易手工制造的難題。

2? 機械結構設計

2.1 機構框架

起重裝置整體框架采用歐標1515鋁型材，由三角接頭連接，質量輕，韌性好、強度大且穩(wěn)定性高，用來連接并固定其他模塊。該起重裝置運動部分采用邁特納姆輪，利用四個輪子的正反轉，不僅可以實現該起重裝置前后左右運動，還可以原地打轉，減小轉彎半徑，靈活方便。圖2為起重裝置實物模型。

2.2 起吊結構

起吊部分由三個獨立吊臂及鋼纜、滑輪組成，每個吊臂獨立控制，可實現重物分別起吊同時放落，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，方便重物起升運輸時的疊放，當物品吊起后，起重機可以進行運輸，當運輸到指定位置，物品已起升至指定高度，節(jié)約等待時間。圖3為呈階梯分布的吊臂結構[4，5]。

2.3 驅動電機

綜合考慮整體結構、布置位置、尺寸大小和速度以及吊取過程中對平穩(wěn)性的要求，采用300轉/min直流電機作為驅動的動力源，直流電機具有起動和調速性能好，調速范圍廣且平滑，過載能力較強，受電磁干擾影響小的優(yōu)勢;選擇40轉/min、輸出扭矩為30kg·cm渦輪蝸桿減速電機作為起重裝置的動力源，渦輪蝸桿減速電機，機械機構緊湊，小型高效;減速增扭的同時降低了負載的慣量。圖4為起吊自鎖電機。

2.4 結構優(yōu)化

搭建起重裝置模型，測試顯示四個輪子的控制電機所受負載不同，轉速不同，由于邁特納姆輪運動必須同速移動，從而導致起重裝置無法實現直線運動?？赏ㄟ^增加負載，調整起重裝置重心位置，從而實現邁特納姆輪的正常驅動。

增加負載調整重心位置，使重心在起重裝置中間。但新的測試結果顯示，起重機在空載時因負載質量過大而出現路線偏移?，F應用TRIZ創(chuàng)新理論，設法化解方案設計階段的矛盾沖突[6-8]：

問題分析及技術沖突確定：增加起重機負載穩(wěn)定重心，提升了吊升重物后的穩(wěn)定性，但導致了起重機總質量的增加。

TRIZ標準工程矛盾轉化：將前述技術沖突轉化為TRIZ理論標準工程矛盾參數即想要改進結構穩(wěn)定性（N0。13），惡化的特性為質量的增加（N0.1）。

TRIZ求解：工程參數在TRIZ沖突矩陣中對應的發(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“將一個物體中的"干擾'（負面）部分分離出去;將物體中關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別階段（如有害的或危險的）?！?。顯然，發(fā)明原理No.21較難應用于對此問題的解決。

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，使其空負載下能穩(wěn)定運行。

3? 控制系統設計

控制系統是一臺機器的大腦與神經。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行的保證。 三吊臂分吊合放式起重裝置的控制系統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擴展板（承載程序，并為其它設備提供插口）、L298N電機驅動模塊、300轉/min直流電機（控制輪子運動）、40轉/min自鎖電機（控制吊臂起降）和供電電源組成。

3.1.1 凌陽SPCE061A擴展板

SPCE061A 是一款性價比很高的十六位單片機，具有易學易用且效率較高的一套指令系統和集成開發(fā)環(huán)境，在此環(huán)境中，支持標準C語言，可以實現C語言與匯編語言的互相調用，它采用SoC技術，整合了多個常用的功能模塊，在進行系統開發(fā)的時候不用外加過多的硬件就可方便的完成一個系統的設計。并且該主控板還具有數據運算速度快，耗電少，調試和程序下載方便的優(yōu)點。

凌陽SPCE061A擴展板作為主控板，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動信號，轉化為控制直流電機的正反轉實現起重裝置的前后左右運動。如圖5所示。

3.1.2 L298N電機驅動模塊

L298N是專用驅動集成電路，屬于H橋集成電路，輸出電流大，功率強。L298N電機驅動模塊的輸入端與SPCE061A主控板直接相聯，從而受單片機的控制。當驅動直流電機時，可以通過改變輸入端的邏輯電平，實現電機正轉與反轉。例如，被控端接收到控制端發(fā)來的ting信號時，則輸出5、6端口低電平，通過L298N模塊后則給有刷電機兩端相同的低電壓，使電機鎖定停止不轉動[8-9]。

3.2 軟件控制模塊

在硬件設計的基礎上，利用G+unSPIDE軟件編寫程序，實現對起重機的控制。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本設計預計將在區(qū)域A放置的十五箱物品均勻整齊疊放至區(qū)域B的五個圓圈內。為此我們將設計起重機全向運動以實現快速靈活的移動，極小半徑轉彎等功能[10]。

綜合各種因素分析，根據各種理念，為起重機規(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單片機擴展板編寫程序，用匯編語言進行功能函數的編寫，C語言進行主函數的編寫。在遙控上設置9個按鍵進行三個吊臂的起降控制。其中6個為連續(xù)輸出的，控制三個吊臂的單獨起降;另外三個為自動控制的，控制三個吊臂的起升、復位等功能。另外，在遙控上設置6個按鍵進行起重機運動的控制，分別控制其四個方位及左右自旋。

4? 結語

本文針對一般的起重機由于其結構簡單，可用空間單一，應用受到一定的限制的現實特點，及吊裝過程中，有時需要多集裝箱同時起吊并有選擇性地有序放置這一現實需求，規(guī)劃了起重裝置的設計思路和設計指標，提出了三吊臂分吊合放式起重裝置的總體設計方案，可以一次性吊裝三件重物并實現其縱向疊放，且移動快捷方便，很好地節(jié)省了時間和空間。基于總體方案，完成了起重裝置機械部分與控制部分的方案設計。在機械部分方案設計中，創(chuàng)新性地采用了階梯分布吊臂結構，并應用質量輕、強度高的鋁型材和3D打印件完成了起重裝置機械結構的制作。3D打印件不僅保證了材料的強度和硬度，使零件很好地滿足了設計要求，而且解決了小零件不容易手工制造的難題。在功能分析的基礎上，結合TRIZ創(chuàng)新理論，化解了方案設計階段的矛盾沖突，提出了電池，電機做配重的方案，實現了機械結構方案的優(yōu)化設計?？刂撇糠植捎昧桕朣PCE061A單片機控制板作為起重裝置的主控板，采用6個L298N模塊作為起重裝置的驅動模塊，通過改變控制電壓，實現自鎖電機的正反轉，完成重物的起吊，選擇直流電機為動力源。利用G+unSPIDE軟件，完成了程序編寫。

當然，本設計也有不足之處：

（1）整體結構形式仍有不完善之處，例如：吊臂采用方形鋁管存在應力集中;

（2）整體框架可進行進一步優(yōu)化;

（3）路徑規(guī)劃有待進一步優(yōu)化。

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

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