基于PLC 的無線小型移動吊車設計*

楊保健，鄧永寧，曹云龍，曹明軒

（五邑大學智能制造學部，廣東江門 529020）

0 引言

小型吊車的發展在歐洲開始得比較早且較為成熟和完善。歐式的小型吊車有以下特點：尺寸大小更緊密，沒有多余的空間；有效的工作空間大；能耗低；運行穩定[1]。從小型起重機的發展史來看，許多種類的小型吊車或小型起重機都是從大型起重機延伸出來的，將大型起重機的關鍵起重零件縮小，就可以得到一個小型起重機有零件縮小滿足不了性能，則對其結構進行重新設計。由于國內小型吊車在自動化、智能化方面的研究較少，目前還沒有一款可以在手機端通過App 就可以操作的小型吊車。但隨著現代化社會的建設在不斷加快，中國的基建從以前量的積累慢慢開始轉變為質的飛躍，更加實用、能減少勞動強度、有著更好的人機交互形式的設備越來越被人們所需要。本文設計的小型移動吊車可以為日后的拆卸工具提供一定的參考思路，具有一定的實用性和可行性。

1 小型移動吊車的結構設計和分析

1.1 整體結構

小型移動吊車的整體結構采用了直流無刷電機驅動，對于一個樣機來說無刷電機足以滿足所需的性能要求。前輪和支撐架的電機用了MG995 舵機，實際應用中支撐架可以考慮用液壓缸，液壓缸提供的支撐力更穩定可靠，由于沒有迷你的液壓缸，這里用2對連桿機構來替代，所以實際起到的支撐及防移動效果有限?；剞D部分用了外齒回轉支承，這是目前吊車較常用的回轉機構[2]。卷揚機構由一對齒輪組成，緊急剎車采用了電磁制動器制動。吊臂的伸縮用了螺旋升降機構，由1根絲桿和絲桿套組成。移動吊車爆炸圖如圖1所示。

圖1 小型移動吊車整體爆炸圖

1.2 行走驅動裝置

整個吊車有4個輪子，可計算出總摩擦阻力為235 N。驅動輪后輪的半徑42.5 mm，阻力矩為10 N·m。驅動后輪轉動一圈，整個移動吊車前進0.267 m，預計小車時速為0.5 m/s，減速比為2∶1，則每分鐘后輪需要轉112 圈，即后輪轉速為112 r/min。故電機轉速至少應為112 r/min。求出后輪驅動電機需要的輸出功率P＝120 W。由于無刷直流電機的效率一般在70%左右，故電機的額定功率要170 W。綜合價格選用電機的型號為Z55BLD200－24GU。

1.3 轉向裝置

本變向裝置采用了雙曲柄的平行四邊形機構。這種機構的特點是主動柄轉動時，從動柄隨主動柄以同樣的角速度轉動，連桿做平行運動[3]。在這里主動柄由MG955 舵機驅動，該舵機在小型設備如無人機中使用普遍，有良好的性價比，這里使用的是可以轉動90°的型號。連桿兩端通過魚眼螺桿與吊車前輪相連，從而通過連桿的平動變為前輪的90°轉動，實現前輪的變向。模型圖如圖2所示。

圖2 前輪轉向機構模型

接著對轉向機構進行自由度驗算，畫出前輪轉向機構的機構簡圖如圖3所示。

圖3 前輪轉向機構簡圖

根據空間自由度常用的計算公式：

本機構中自由度總數為PZ＝18，即機構簡圖中?部分（6個回轉副、4 個球面副）；多余自由度為2，即桿2 上的2 個回轉副；封閉環數K＝3，即圖中虛線圈起來的部分（分別為A－C－E－F－G、A－B－C－D、B－D－H－I－J），用實心三角形▲表示[4]。代入公式得：

由式（2）可知自由度等于1，故轉向機構設計正確。

1.4 吊臂伸縮裝置

由于本吊車是樣機，整體結構較小，沒有空間在吊臂位置安裝液壓缸或氣缸，而吊臂只有1節的話又難以保證起吊的高度，因此采用螺紋傳動的方式來使吊臂的第2節伸縮，如圖4所示。由電機控制螺母管的旋轉，隨著螺紋的旋合進而推動第2節吊臂的伸出。

圖4 吊臂的伸縮形式

1.5 卷揚裝置

卷揚裝置一般是起重機的最重要的裝置之一，其直接提供了吊車的起升力。在這里設計的簡易卷揚裝置有動力源、減速區、剎車裝置。無刷直流電機的出軸處連接小齒輪，小齒輪帶動大齒輪旋轉，這樣就能使軸套筒上的鋼絲繩放松或收緊，達到吊起重物的功能。該裝置基本滿足吊車樣機的使用功能，如圖5所示。

圖5 卷揚裝置主要機構裝配圖

2 小型移動吊車的軟件設計

2.1 系統介紹

小型移動吊車的整體系統可分為Android客戶端、中間層服務器端、吊車輸出端。Android 客戶端：發出的數據通過TCP/IP 協議傳輸給交換機，這里使用的交換機是串口服務器。服務器端：串口服務器將接收的數據通過Modbus 協議傳輸給三菱PLC，三菱PLC 接收后進行轉碼編譯，使輸出繼電器高低電平的電壓[5]。吊車輸出端：吊車上的電機或驅動器接收PLC 輸出信號，控制小型吊車上的電機，以此控制吊車的前進起吊等動作。其中，移動手機與串口服務器通過WiFi連接，其余通過線進行連接。整個系統的關系如圖6所示。

圖6 小型移動吊車的整體系統

2.2 PLC 控制端選型

由于本吊車電機較多，需要的PLC 輸出口就要多。由于需要高脈沖輸出控制舵機，因此選晶體管輸出較好，再考慮留20%的空余量，最后選用16 個輸出三菱FX3U－32MT。還需要1 個模擬量轉換模塊FX2N－4DA 來輸出0～5 V 電壓控制電機的速度。

2.3 吊車上舵機的控制程序

本文使用了兩種類型的電機，分別是舵機和直流無刷電機，兩種電機的控制方式又有所不同。舵機是以脈沖控制，通過對脈沖進行調頻和調寬實現舵機轉動的角度，這里選用90°的舵機方便直接使用，不用經過放大倍數或縮小倍數來控制實際轉向角度。該舵機需要輸入周期為20 ms 的時基脈沖，即頻率為50 Hz（1/0.02 s）的時基脈沖。脈寬調頻范圍為1.5～2.5 ms，也就是說，脈寬每增加0.1 ms，舵機轉動9°。這里設定默認轉向速度為1.5°/s，因此在PLC 程序中需要對脈寬進行增加后縮小一定倍數再輸出。采用的步驟是，用MOV 指令輸入150 到中間寄存器D10；然后用ADD/SUB 指令對D10的數進行加2或減2，將得到的數覆蓋D10；然后用DEDIV 指令將D10 的數除以100 存入D11 中，D11 的數即為輸出的脈寬數。脈寬調制PWM 輸出的格式為[PWM S1 S2 D]，其中S1為輸出脈寬，S2 為輸出周期，D 為輸出繼電器。其關鍵部分是調制脈寬，這里用了CMP 指令，如果超出上限則將D10置250，超出下限則將其置150。脈沖調寬的PLC 程序如圖7所示[6]。

圖7 前輪舵機的控制程序

2.4 吊車上直流無刷電機的控制程序

本次選用的直流無刷電機的調速模擬電壓范圍是0～5 V，調速范圍是0～6 000 r/min。因此就需要輸出數字量的范圍為0～1 000。對模擬量的輸入輸出要用到緩沖儲存區（BFM）的內容，將內容讀到PLC 控制器中，或將PLC 控制器的內容寫入緩沖儲存區。對輸出模擬量進行控制作用到的指令有FROM 和TO，前者是將PLC 讀取模塊的數據，后者則是PLC 寫數據到模塊中。

2.5 Android 客戶端App 設計

本移動吊車論文所開發的App 界面有4 個，分別是主頁、檢查通訊頁、移動操作頁、升降操作頁，本移動吊車應用程序的頁面布局全部都采用了相對布局，用了TextView、Button、Surface、EditText 4 個組件[7－8]。其中監控畫面所采用的Surface 是在幀布局（FrameLayout）中，即圖8～9 所示的中間淺藍色部分。Button 控件采用的按壓效果是未按壓時背景色為灰色，當按壓時，按鈕背景色變為綠色。其中剎車的按壓背景色為深紅色。

圖8 升降操作頁

圖9 移動操作頁

3 結束語

本文研究了小型移動吊車的傳動控制系統，對換向機構、起吊機構等重要機構進行了初步設計；對PLC 端的程序進行了編譯，可以實現PLC 控制小型移動吊車上的電機運轉；對Android 客戶端的程序進行了編寫，可以實現手機端控制PLC 的內部寄存器狀態以控制電機運轉。樣機可以實現吊車車體的前進、后退、左轉、右轉，對6 kg 的物體進行起吊。做成實物后預計可以對200 kg 的物體進行起吊。