龙门式十字变位全向移动起重机设计

杨子江 白珍庆 潘向宁 唐伟峰 方坤威

摘   要：本文设计了一款龙门式十字变位全向移动起重机，能够实现货物规矩起吊和变规矩摆放。在机械结构方面，采用减速电机，动力十足;应用用麦克纳姆轮，可在二维平面轻松实现全向移动;设计了可伸缩旋转的悬臂抓手，定位精度高，操纵方便。在控制方面，采用birdmen手柄扩展板、Basra控制板和BLE4.0蓝牙模块，可靠性高，抗干扰性强，能够对整机运动与起吊实施精准控制。针对调试过程中的问题，对初步方案进行了相应改进，使整机性能得到优化和提升。

关键词：起重机;龙门式;变位;全向

中图分类号：TH213            文献标志码：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

起重机是国家工业发展必备的物料搬运输送设备，其发展水平直接反映一个国家工业实力。工程起重机中主要有固定式回转起重机、塔式起重机、汽车起重机、履带起重机等几大门类。从数量上看，汽车起重机占比最大。近十年来，随着经济的不断发展，我国在基础设施建设和大型工程项目中投入巨大，在工程项目中其关键作用的汽车起重机也因此获得了空前的发展。本文介绍一种汽车起重机，取名龙门式十字变位全向移动起重机，简称“变位起重机”，可同时起吊多个货物和实现变规矩摆放。

1 整体方案设计

“变位起重机”主要包括机架模块、旋转模块、升降模块、驱动模块、控制模块。将各模块通过预定接口整合在一起即构成了系统整体。整体方案设计如图1所示。

2 机械结构设计

2.1 机架模块

“变位起重机”机架模块的作用是连接并固定其他各模块。机架采用15mm×15mm型铝材零件制作完成，简洁紧凑、美观大方、经济实用。机架整体为龙门式结构，关键部位采用三角形结构，以期加强整体结构的稳定性。整体展开尺寸为1200mm×1000mm×500mm。

2.2 旋轉升降模块

“变位起重机”的变位功能主要由旋转升降模块来实现，设计核心既是十字旋转伸缩机构，如图2所示。

该机构可将起吊的货物由“一”字型排布变为“十”字型排布，并在水平面内完成伸缩移动，从而实现对货物位置的调整。旋转变位动作依靠减速电机带动绞盘转动，能够完成90°旋转;伸缩动作则通过减速电机带动滚珠丝杠来实现;另外，起升动作同样依靠减速电机带动滑轮旋转来实现。实践证明，此方案结构简单，操纵便捷，符合功能要求，成本较低。相关参数见表1。

表1旋转模块基本参数

升降高度 0～900mm

旋转角度 0～90°

丝杆伸缩距离 250mm

2.3 控制模块

Bsara是一款基于Arduino开源方案设计的一款开发板，通过各种各样的传感器来感知环境，控制马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制可以在Arduino、eclipse、Visual Studio等IDE中通过c/c++语言来编程，该起重机中采用的是Arduino、Visual Studio进行编程和软件设计，可转为二进制，烧录入控制器中。

（1）遥控器。如图3所示，选用的birdmen手柄扩展板、Basra控制板，最大控制范围可达50m，最长工作时间可达5h。抗干扰性强，适合复杂电磁环境。

（2）接收机。本设计采用BLE4.0蓝牙模块来接受信号，采用TI CC2540芯片，配置256Kb空间，支持AT指令，用户可根据需要更改角色、串口波特率、设备名称、配对密码等参数，使用灵活。

2.4 驱动模块

驱动模块主要包括减速电机、标准舵机与麦克纳姆轮。减速电机配合麦克纳姆轮为整个车体运动提供动力，标准舵机为旋转模块的旋转提供动力。驱动模块的主要作用，既是完成控制模块传来的指令。

2.4.1 减速电机

减速电机由电动机主体和减速机组成，最终达到降速增扭的效果。本设计选用555型有减速电动机，采用四轮独立驱动方式。

2.4.2 标准舵机

标准舵机是舵机的一种，其特点是不能完成整周回转，旋转角度只能在-90°～+90°，旋转臂主要由两个标准舵机驱动，可以实现平面内0°～90°的转动。

2.4.3 麦克纳姆轮

应用麦克纳姆轮可使起重机轻松完成前行、横移、斜行、旋转等二维平面内的全向移动，无转弯半径限制，非常适合空间有限、通道狭窄的作业环境。

3 起重机整机组装与优化

3.1 整机组装

将各模块通过预留的接口组装在一起构成了起重机整机，总质量8031g，结构形式如图4所示。

图4 起重机实物模型

3.2 整机优化

（1）结构不稳定问题

初步设计为直角连接的框架模式，但在调试过程中发现，直角连接的框架模式存在结构上的不稳定、空间浪费、机架结合不好、高速震颤等问题，从而造成运输过程中的晃动。简单来讲即是起重机整体刚性欠佳。针对上述存在的这些问题，同时结合本设计的特点，在轻量化、简洁化的基础上，我们大量采用三角形稳定结构，同时在四轮驱动处加装塑料垫圈达到减震目的。经过反复调试，结构不稳定问题得到解决，整机稳定性得以增强，同时整机性能也得以优化。

（2）微调困难问题

初步设计选用普通轮胎差速转向方案，但在调试中发现，起重机难以完成在指定位置附近的微调。为了解决出现的这种问题，将最初的普通轮胎差速转向方方案调整麦克纳姆轮驱动方案，使起重机能够在二维平面内实现全向移动，方便微调，从而保证货物搬运的准确性，提高了起重机的整体工作质量与效率。

结语

依据模块化设计理念，设计、制作并调试了一款用于货物运输的起重机，整体为龙门式结构，通过旋转、伸缩实现货物的变位摆放。实践证明，整机定位精确高效、实用性强;机架模块结构稳定性好;旋转升降模块设计合理，操作方便;驱动模块动力十足、标准化程度高;控制模块，可靠性好，稳定性高。经过调试，解决了整机运行过程中的结构不稳定问题与微调困难等问题，优化和提升了整机性能。该设计、制作、调试过程也为相关领域研究提供了很好的借鉴。

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