龍門式十字變位全向移動起重機設計

楊子江 白珍慶 潘向寧 唐偉峰 方坤威

摘? ?要：本文設計了一款龍門式十字變位全向移動起重機，能夠實現貨物規矩起吊和變規矩擺放。在機械結構方面，采用減速電機，動力十足;應用用麥克納姆輪，可在二維平面輕松實現全向移動;設計了可伸縮旋轉的懸臂抓手，定位精度高，操縱方便。在控制方面，采用birdmen手柄擴展板、Basra控制板和BLE4.0藍牙模塊，可靠性高，抗干擾性強，能夠對整機運動與起吊實施精準控制。針對調試過程中的問題，對初步方案進行了相應改進，使整機性能得到優化和提升。

關鍵詞：起重機;龍門式;變位;全向

中圖分類號：TH213? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Abstract： In this paper， a Longmen cross change omni directional mobile crane is designed to ensure the lifting and regulation of goods. In the mechanical structure， the deceleration motor is adopted and the power is full， and the omnidirectional movement in the two-dimensional plane can be realized by using the Michael wheel， and the flexible and rotating cantilever hand is designed. The positioning accuracy is high and the manipulation is convenient. In terms of control， birdmen handle expansion board， Basra control board and BLE4.0 Bluetooth module are adopted， with high reliability and strong anti-interference ability. Aiming at the problems in the debugging process， the corresponding improvements were made to optimize and enhance the performance of the whole machine.

Keywords： Crane;Gantry;Change of position; Omni directional

0 引言

起重機是國家工業發展必備的物料搬運輸送設備，其發展水平直接反映一個國家工業實力。工程起重機中主要有固定式回轉起重機、塔式起重機、汽車起重機、履帶起重機等幾大門類。從數量上看，汽車起重機占比最大。近十年來，隨著經濟的不斷發展，我國在基礎設施建設和大型工程項目中投入巨大，在工程項目中其關鍵作用的汽車起重機也因此獲得了空前的發展。本文介紹一種汽車起重機，取名龍門式十字變位全向移動起重機，簡稱“變位起重機”，可同時起吊多個貨物和實現變規矩擺放。

1 整體方案設計

“變位起重機”主要包括機架模塊、旋轉模塊、升降模塊、驅動模塊、控制模塊。將各模塊通過預定接口整合在一起即構成了系統整體。整體方案設計如圖1所示。

2 機械結構設計

2.1 機架模塊

“變位起重機”機架模塊的作用是連接并固定其他各模塊。機架采用15mm×15mm型鋁材零件制作完成，簡潔緊湊、美觀大方、經濟實用。機架整體為龍門式結構，關鍵部位采用三角形結構，以期加強整體結構的穩定性。整體展開尺寸為1200mm×1000mm×500mm。

2.2 旋轉升降模塊

“變位起重機”的變位功能主要由旋轉升降模塊來實現，設計核心既是十字旋轉伸縮機構，如圖2所示。

該機構可將起吊的貨物由“一”字型排布變為“十”字型排布，并在水平面內完成伸縮移動，從而實現對貨物位置的調整。旋轉變位動作依靠減速電機帶動絞盤轉動，能夠完成90°旋轉;伸縮動作則通過減速電機帶動滾珠絲杠來實現;另外，起升動作同樣依靠減速電機帶動滑輪旋轉來實現。實踐證明，此方案結構簡單，操縱便捷，符合功能要求，成本較低。相關參數見表1。

表1旋轉模塊基本參數

升降高度 0～900mm

旋轉角度 0～90°

絲桿伸縮距離 250mm

2.3 控制模塊

Bsara是一款基于Arduino開源方案設計的一款開發板，通過各種各樣的傳感器來感知環境，控制馬達和其他的裝置來反饋、影響環境。板子上的微控制可以在Arduino、eclipse、Visual Studio等IDE中通過c/c++語言來編程，該起重機中采用的是Arduino、Visual Studio進行編程和軟件設計，可轉為二進制，燒錄入控制器中。

（1）遙控器。如圖3所示，選用的birdmen手柄擴展板、Basra控制板，最大控制范圍可達50m，最長工作時間可達5h。抗干擾性強，適合復雜電磁環境。

（2）接收機。本設計采用BLE4.0藍牙模塊來接受信號，采用TI CC2540芯片，配置256Kb空間，支持AT指令，用戶可根據需要更改角色、串口波特率、設備名稱、配對密碼等參數，使用靈活。

2.4 驅動模塊

驅動模塊主要包括減速電機、標準舵機與麥克納姆輪。減速電機配合麥克納姆輪為整個車體運動提供動力，標準舵機為旋轉模塊的旋轉提供動力。驅動模塊的主要作用，既是完成控制模塊傳來的指令。

2.4.1 減速電機

減速電機由電動機主體和減速機組成，最終達到降速增扭的效果。本設計選用555型有減速電動機，采用四輪獨立驅動方式。

2.4.2 標準舵機

標準舵機是舵機的一種，其特點是不能完成整周回轉，旋轉角度只能在-90°～+90°，旋轉臂主要由兩個標準舵機驅動，可以實現平面內0°～90°的轉動。

2.4.3 麥克納姆輪

應用麥克納姆輪可使起重機輕松完成前行、橫移、斜行、旋轉等二維平面內的全向移動，無轉彎半徑限制，非常適合空間有限、通道狹窄的作業環境。

3 起重機整機組裝與優化

3.1 整機組裝

將各模塊通過預留的接口組裝在一起構成了起重機整機，總質量8031g，結構形式如圖4所示。

圖4 起重機實物模型

3.2 整機優化

（1）結構不穩定問題

初步設計為直角連接的框架模式，但在調試過程中發現，直角連接的框架模式存在結構上的不穩定、空間浪費、機架結合不好、高速震顫等問題，從而造成運輸過程中的晃動。簡單來講即是起重機整體剛性欠佳。針對上述存在的這些問題，同時結合本設計的特點，在輕量化、簡潔化的基礎上，我們大量采用三角形穩定結構，同時在四輪驅動處加裝塑料墊圈達到減震目的。經過反復調試，結構不穩定問題得到解決，整機穩定性得以增強，同時整機性能也得以優化。

（2）微調困難問題

初步設計選用普通輪胎差速轉向方案，但在調試中發現，起重機難以完成在指定位置附近的微調。為了解決出現的這種問題，將最初的普通輪胎差速轉向方方案調整麥克納姆輪驅動方案，使起重機能夠在二維平面內實現全向移動，方便微調，從而保證貨物搬運的準確性，提高了起重機的整體工作質量與效率。

結語

依據模塊化設計理念，設計、制作并調試了一款用于貨物運輸的起重機，整體為龍門式結構，通過旋轉、伸縮實現貨物的變位擺放。實踐證明，整機定位精確高效、實用性強;機架模塊結構穩定性好;旋轉升降模塊設計合理，操作方便;驅動模塊動力十足、標準化程度高;控制模塊，可靠性好，穩定性高。經過調試，解決了整機運行過程中的結構不穩定問題與微調困難等問題，優化和提升了整機性能。該設計、制作、調試過程也為相關領域研究提供了很好的借鑒。

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