三吊臂分吊合放式起重装置设计

潘向宁 杨子江 程宏飞 朱传明 程新博 马骥

摘  要：针对吊装过程中，有时需要有选择性地将集装箱有序放置这一问题，提出了三吊臂分吊合放式起重装置的整体设计方案。在机械部分方案设计中，应用TRIZ创新理论，化解了方案设计阶段的矛盾冲突，提出了将电机做配重的方案，实现了机械结构方案的优化设计。依据设计方案，应用轻型铝合金材料完成了整体框架的机械结构设计与制作，其中部分零部件采用Solidworks建模，3D打印。控制部分采用凌阳SPCE061A控制板作为起重装置的主控板， L298N模块作为起重装置的驱动模块，通过改变控制电压，实现自锁电机的正反转，完成重物的起吊;运动部分采用迈特纳姆轮，可实现全向移动;三个吊臂高度按叠放三箱牛奶的高度设计，节约材料，方便控制。利用G+unSPIDE软件完成程序编写，实现了对三吊臂单独起升，同时起升，自动复位，全向移动等动作的控制。为应对起吊突发情况，制定了处置预案，优化了行进路径。实踐证明，本设计实用性强、稳定性好、完成速度快，并且拥有较好的应用前景。

关键词：起重装置  3D打印  分吊合放式结构  TRIZ创新理论

中图分类号：TH21;TG404                  文献标识码：A                   文章编号：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

起重机作为机械技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于社会发展的各个领域，并正在给人类社会带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面面。随着人们对起重机技术智能化本质认识的加深，起重机技术开始源源不断地向社会的各个领域渗透，结合这些领域的特点，起重机朝着更加多元化的方向发展。而且随着科学技术水平的提高和世界经济的快速发展，起重机越来越广泛地被应用到枯燥、繁重的作业领域。尤其是在军事应用广泛，如地面军用起重机辅助军队进行运输，吊升重物等工作，减小人力消耗。一般的起重机由于其结构简单，可用空间单一，应用受到一定的限制[1，2]。

本文针对吊装过程中，有时需要多集装箱同时起吊并有选择性地有序放置这一问题，提出了三吊臂分吊合放式起重装置的整体设计方案与调试[3]，可实现三件产品一次性吊装并有选择性的纵向叠放，且移动快捷方便，很好地节省了时间和空间，拥有较好的应用前景。

1  整体方案设计

三吊臂分吊合放式起重装置由机械系统和控制系统组成，整体方案设计如图1所示。起重过程一步到位，由程序设定起吊指定高度，只需按下指定按键，即可实现三个重物同时起升到指点位置，到指定位置再依次叠放，省时高效。部分零件采用3D打印，不仅保证了材料的强度和硬度，使零件很好地满足了设计要求，而且解决了小零件不容易手工制造的难题。

2  机械结构设计

2.1 机构框架

起重装置整体框架采用欧标1515铝型材，由三角接头连接，质量轻，韧性好、强度大且稳定性高，用来连接并固定其他模块。该起重装置运动部分采用迈特纳姆轮，利用四个轮子的正反转，不仅可以实现该起重装置前后左右运动，还可以原地打转，减小转弯半径，灵活方便。图2为起重装置实物模型。

2.2 起吊结构

起吊部分由三个独立吊臂及钢缆、滑轮组成，每个吊臂独立控制，可实现重物分别起吊同时放落，大大提高作业效率;吊臂使用铝管，套筒使用3D打印零件，起降线采用高强度鱼线，利用双滑轮改变力的作用方向且保证起降的稳定性。将吊臂做成高度成阶梯状分布，方便重物起升运输时的叠放，当物品吊起后，起重机可以进行运输，当运输到指定位置，物品已起升至指定高度，节约等待时间。图3为呈阶梯分布的吊臂结构[4，5]。

2.3 驱动电机

综合考虑整体结构、布置位置、尺寸大小和速度以及吊取过程中对平稳性的要求，采用300转/min直流电机作为驱动的动力源，直流电机具有起动和调速性能好，调速范围广且平滑，过载能力较强，受电磁干扰影响小的优势;选择40转/min、输出扭矩为30kg·cm涡轮蜗杆减速电机作为起重装置的动力源，涡轮蜗杆减速电机，机械机构紧凑，小型高效;减速增扭的同时降低了负载的惯量。图4为起吊自锁电机。

2.4 结构优化

搭建起重装置模型，测试显示四个轮子的控制电机所受负载不同，转速不同，由于迈特纳姆轮运动必须同速移动，从而导致起重装置无法实现直线运动。可通过增加负载，调整起重装置重心位置，从而实现迈特纳姆轮的正常驱动。

增加负载调整重心位置，使重心在起重装置中间。但新的测试结果显示，起重机在空载时因负载质量过大而出现路线偏移。现应用TRIZ创新理论，设法化解方案设计阶段的矛盾冲突[6-8]：

问题分析及技术冲突确定：增加起重机负载稳定重心，提升了吊升重物后的稳定性，但导致了起重机总质量的增加。

TRIZ标准工程矛盾转化：将前述技术冲突转化为TRIZ理论标准工程矛盾参数即想要改进结构稳定性（N0。13），恶化的特性为质量的增加（N0.1）。

TRIZ求解：工程參数在TRIZ冲突矩阵中对应的发明原理为：

抽出（分离、分开）原理（No.2）;

跃过（减少有害作用）原则（No.21）。

发明原理No.2解释为“将一个物体中的"干扰'（负面）部分分离出去;将物体中关键部分分挑或分离出来”。

发明原理No.21解释为“高速跃过某过程或其个别阶段（如有害的或危险的）。”。显然，发明原理No.21较难应用于对此问题的解决。

受发明原理No.2的启发，为提升稳定性，将电池作为配重安放在底板上，降低起重装置重心，使其空负载下能稳定运行。

3  控制系统设计

控制系统是一台机器的大脑与神经。只有灵活可靠的控制才可以最大程度发挥起重装置的性能，而良好的操作性亦是起重装置安全运行的保证。 三吊臂分吊合放式起重装置的控制系统分为硬件控制和软件控制两部分。

3.1 硬件控制模块

控制模块由凌阳SPCE061A扩展板（承载程序，并为其它设备提供插口）、L298N电机驱动模块、300转/min直流电机（控制轮子运动）、40转/min自锁电机（控制吊臂起降）和供电电源组成。

3.1.1 凌阳SPCE061A扩展板

SPCE061A 是一款性价比很高的十六位单片机，具有易学易用且效率较高的一套指令系统和集成开发环境，在此环境中，支持标准C语言，可以实现C语言与汇编语言的互相调用，它采用SoC技术，整合了多个常用的功能模块，在进行系统开发的时候不用外加过多的硬件就可方便的完成一个系统的设计。并且该主控板还具有数据运算速度快，耗电少，调试和程序下载方便的优点。

凌阳SPCE061A扩展板作为主控板，是三吊臂分吊合放式起重装置的控制核心，可通过控制手柄接收并处理运动信号，转化为控制直流电机的正反转实现起重装置的前后左右运动。如图5所示。

3.1.2 L298N电机驱动模块

L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，输出电流大，功率强。L298N电机驱动模块的输入端与SPCE061A主控板直接相联，从而受单片机的控制。当驱动直流电机时，可以通过改变输入端的逻辑电平，实现电机正转与反转。例如，被控端接收到控制端发来的ting信号时，则输出5、6端口低电平，通过L298N模块后则给有刷电机两端相同的低电压，使电机锁定停止不转动[8-9]。

3.2 软件控制模块

在硬件设计的基础上，利用G+unSPIDE软件编写程序，实现对起重机的控制。此部分主要描述路径规划和程序编写逻辑，部分程序代码见附录。

3.2.1 路径的规划

如图6本设计预计将在区域A放置的十五箱物品均匀整齐叠放至区域B的五个圆圈内。为此我们将设计起重机全向运动以实现快速灵活的移动，极小半径转弯等功能[10]。

综合各种因素分析，根据各种理念，为起重机规划了2种行驶路径方案：

（1）前后夹击方案。A1→B2→A5→B5→A2→B3→A3→B1→A4→B4。

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

3.2.2 程序的编写

利用凌阳SPCE061A单片机扩展板编写程序，用汇编语言进行功能函数的编写，C语言进行主函数的编写。在遥控上设置9个按键进行三个吊臂的起降控制。其中6个为连续输出的，控制三个吊臂的单独起降;另外三个为自动控制的，控制三个吊臂的起升、复位等功能。另外，在遥控上设置6个按键进行起重机运动的控制，分别控制其四个方位及左右自旋。

4  结语

本文针对一般的起重机由于其结构简单，可用空间单一，应用受到一定的限制的现实特点，及吊装过程中，有时需要多集装箱同时起吊并有选择性地有序放置这一现实需求，规划了起重装置的设计思路和设计指标，提出了三吊臂分吊合放式起重装置的总体设计方案，可以一次性吊装三件重物并实现其纵向叠放，且移动快捷方便，很好地节省了时间和空间。基于总体方案，完成了起重装置机械部分与控制部分的方案设计。在机械部分方案设计中，创新性地采用了阶梯分布吊臂结构，并应用质量轻、强度高的铝型材和3D打印件完成了起重装置机械结构的制作。3D打印件不仅保证了材料的强度和硬度，使零件很好地满足了设计要求，而且解决了小零件不容易手工制造的难题。在功能分析的基础上，结合TRIZ创新理论，化解了方案设计阶段的矛盾冲突，提出了电池，电机做配重的方案，实现了机械结构方案的优化设计。控制部分采用凌阳SPCE061A单片机控制板作为起重装置的主控板，采用6个L298N模块作为起重装置的驱动模块，通过改变控制电压，实现自锁电机的正反转，完成重物的起吊，选择直流电机为动力源。利用G+unSPIDE软件，完成了程序编写。

当然，本设计也有不足之处：

（1）整体结构形式仍有不完善之处，例如：吊臂采用方形铝管存在應力集中;

（2）整体框架可进行进一步优化;

（3）路径规划有待进一步优化。

实践证明，该三吊臂分吊合放式起重装置具有结构简单，安装方便，运行良好可靠等优点，可为解决吊装过程中需要多集装箱同时起吊并有选择性地有序放置这一问题提供参考，具有良好的现实意义和推广价值。

参考文献

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