摘要：自動平衡吊具是一種由微處理器控制的全自動吊具，它可以在起吊過程中快速地自動調平，使被吊物的質心在吊具本身得到調整，從而使整個起吊過程中，被吊物始終保持在水平狀態(tài)；也可以使被吊物在起吊過程中快速地調姿，使被吊物保持一個任意的預先設定的姿態(tài)?；诖?，設計了吊具的控制系統(tǒng)，對吊具承重系統(tǒng)和動力系統(tǒng)進行了仔細的計算，并以吊具極限姿態(tài)為最不利情形，選型在精度、穩(wěn)定性和可靠性等指標均預留了充足的安全裕度。
關鍵詞：吊具，平衡，調平，SP2539

    隨著國民經濟的高速發(fā)展，起重吊運作業(yè)在經濟建設的各個領域中使用得愈來愈頻繁和普遍。我國不斷勘探出各種類型的礦山、油田，多數企業(yè)都是自己制造吊具，專業(yè)性、安全性差距較大；此外航天、國防、建筑等行業(yè)給高端吊索具創(chuàng)造了無限的發(fā)展空間，吊索具在技術方面不斷刷新記錄。
    在航空航天、精密機械等重要領域，隨著關鍵部件質量要求的提高，對起重吊裝和裝配操作提出了很高的要求。自動平衡吊具是一種由微處理器控制的全自動吊具，它可以在起吊過程中快速的自動調平，使被吊物的質心在吊具本身得到調整，從而使整個起吊過程中被吊物始終保持在水平狀態(tài)；也可以使被吊物在起吊過程中快速地調姿，使被吊物保持一個任意的預先設定的姿態(tài)。滿足上述領域中對起重吊裝的高要求，是實現安全、高效、自動吊裝裝配作業(yè)的重要技術手段。

1 吊具機械結構及原理簡述
    為進行快速的裝配體設計，吊具機械結構使用Solid Works進行裝配體建模，各部分的配置及結構如圖1所示。

    吊具本身由機架(兼做y向導軌)、y向電機、y向絲杠、中間滑板組件(含x向導軌)、x向電機、x向絲杠、吊耳組件(4個)、手輪(4個)、吊環(huán)組件、吊索等部分組成。
    傾斜傳感器安裝在機架上，傳感器的工作方向分別與吊具的x、y方向平行，系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)控制器讀取傾斜傳感器測出的機架傾斜數據(傳感器的俯仰角和橫滾角的數據分別代表吊具在x、y向的機架傾斜狀況)，當測出的數據需要吊索沿x方向移動時，系統(tǒng)控制器根據吊索的當前位置和需要的位移量，計算出對應的速度和方向的控制信號，x向電機驅動電路根據系統(tǒng)控制器輸出的控制信號，以合適的電機軸旋轉方向和轉速啟動x向電機運轉，電機旋轉x向絲杠帶動吊環(huán)組件完成指定幅度的移動；當需要吊索沿y方向移動時，y向電機驅動電路根據系統(tǒng)控制器輸出的控制信號以合適的電機軸旋轉方向和合適的轉速啟動y向電機，電機旋轉y向絲杠帶動中間滑板組件完成指定幅度的移動。
    在吊具運行狀態(tài)下，x，y向的控制過程是同時且連續(xù)進行的，直至吊具調平。
    轉動手輪，可以帶動小絲杠調節(jié)滑塊在x軸方向上的位置，以適應不同大小的被吊件。

2 控制系統(tǒng)概述
    系統(tǒng)結構如圖2所示，這里把整個系統(tǒng)按照檢測、控制、通信、執(zhí)行的順序劃分成四大塊，各部分的工作如下：

    檢測部分：主要包括傾角和接近傳感器等硬件。其中前者用于獲得吊具的俯仰角和橫滾角并傳送給SP2539的子串口，為下位機判斷電機轉動方向，計算移動行程提供依據。后者分為軟件停機傳感器組和機械斷電傳感器組，采用雙重制動策略，保障吊具在使用過程中平穩(wěn)調平和安全使用。
    控制部分：單片機嵌入式系統(tǒng)是控制機構的核心部件，首先接收檢測部分的輸出值，包括吊具的實時姿態(tài)、軟件停機傳感器組狀態(tài)，同時調用子程序，處理輸入信號并給出動作信號給1、2號變頻器，使x，y向電機遵循指令進行動作。最后，單片機還需要和上位機設備進行交流，方便操作人員隨時掌握系統(tǒng)的狀態(tài)。
    通信部分：這部分解決單片機分別與檢測機構、上位機以及執(zhí)行機構的信息傳輸。具體的講，主要是指單片機與傾角和接近傳感器、上位機調平控制指令、1、2號變頻器輸出頻率、角度顯示以及SP2539串口擴展系統(tǒng)之間的信息傳輸。
    執(zhí)行部分：接收單片機的輸出信號，并按照上位機自動、手動調平指令調節(jié)1、2號變頻器輸出，從而驅動x、y向電機轉動方向，促使主吊點偏移完成調平工作。無線組件將上位機和下位機無縫連接，使得上位機的控制和數據獲取更加實時。

3 吊具結構及承重系統(tǒng)設計
3．1 吊環(huán)
    考慮吊具自身重量，并考慮起吊過程的沖擊加速度，根據GB825—88，選擇螺釘GB 825 M36，垂直懸吊2．3t。

3．2 框架
    為了足夠的安全裕度，涵蓋考慮最不利情形：一端固支的水平矩形等截面懸臂梁，自由端受重力10 000／2=5000 N；自重加其它零件重量4 000 N偏于安全地視為作用于懸臂梁懸出端。矩形高為100 mm，寬為68 mm；
   
     因此，各種低碳鋼均滿足要求。
3．3 電機
    選用YVP100L2—4變頻電機，最高轉速5 000 rpm，多級可調。額定功率3 kW，額定扭矩19 Nm。不使用減速機，螺距為3mm，當電機轉速為960 rpm時，每秒鐘吊環(huán)移動48 mm。這個速度可以看做吊具工作時的最高速度。
    電機功率=吊具上升速度×(重力加速度+上升加速度)×(被吊質量+設備質量)／機械效率=0．05×(9．8+0．1)×(1 000+400)／0．22=3 kW上述式子是關于吊具徹底歪斜這種最不利情況的，裕度過大。電機功率選國標系列值3 kW。
3．4 螺紋傳動機構
    螺牙強度能承受(1 000+400)×9．8N的軸向力(吊具徹底歪斜，這是最不利的情況)選用梯形螺紋。因為矩形螺紋運動精度高，成本高。
根據耐磨性初選中徑，梯形螺紋：
   
    其中，[p]=18MPa，ψ=H／d=2．5，Q=14 000 N，
    得到d2=11．5 mm。為了更好的剛度，選d=32 mm，螺距t=3 mm。
    螺母螺紋牙強度應滿足：

     滿足要求。另外，由于施加軸向力的結構不允許徑向位移，所以實際的穩(wěn)定性安全系數還會高很多；其次，使用中也沒有整個吊具傾斜90度的情況。

4 小結
    本文對吊具的機械結構的設計進行了介紹，并說明了系統(tǒng)工作原理。對吊具結構及承重設計、動力系統(tǒng)設計給出了詳細計算過程。本設計已經獲得了國家專利的授權。