，， ，

(大連海事大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116000)

0 引言

在大型工業(yè)企業(yè)中，電動(dòng)葫蘆由于具有操作簡(jiǎn)單，起重重量大等特點(diǎn)具有不可替代的作用[1]。但在某些輕小型載荷的提升場(chǎng)所，電動(dòng)葫蘆也出現(xiàn)了某些不足，不足的方面主要有速度單一，運(yùn)輸效率低，功率消耗大；起動(dòng)和運(yùn)行沖擊較大，不適宜使用在吊裝物品易損壞的場(chǎng)合，難以實(shí)現(xiàn)精確定位；鋼絲繩纏繞需要導(dǎo)繩器導(dǎo)向，加速鋼絲繩磨損；安靜環(huán)境工作時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音較大；智能化程度低，設(shè)備缺少直覺性和回應(yīng)式控制，容易出現(xiàn)生產(chǎn)事故[2-3]。因此研制智能化程度高、安全高效的提升設(shè)備來提高運(yùn)輸效率是至關(guān)重要的，本裝置的研制主要針對(duì)電動(dòng)葫蘆在輕小型載荷提升場(chǎng)所存在的不足，經(jīng)過運(yùn)行實(shí)踐表明，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定高效，智能化程度高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)國(guó)外技術(shù)資料，制定出本樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)是，最大提升載荷為100 kg；滿載最大提升速度為36 m/min；行程范圍為0～1.8 m；電源為220 V/24 V；提升介質(zhì)直徑6 mm的鋼絲繩；重量顯示精度精度為小數(shù)點(diǎn)后一位。

1.2 設(shè)計(jì)要求

裝置的設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：

通過滑動(dòng)手柄上下滑動(dòng)，控制提升物體升降，并且速度大小根據(jù)滑動(dòng)手柄滑動(dòng)距離控制，滑動(dòng)距離越大速度越快，并緩起緩?fù)＃荒艹霈F(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。重物一旦超載或者碰撞，提升裝置自動(dòng)危險(xiǎn)報(bào)警禁止升降，待調(diào)整好后再進(jìn)行升降?？焖夙憫?yīng)，位置精確定位，精確度可達(dá)到1 mm。可以測(cè)量所提升重物的質(zhì)量。外形方形設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝使用靈活方便，可以和各類助力機(jī)械臂或者機(jī)械手組合使用。

1.3 裝置外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由纏繞裝置和控制手柄兩部分組成，外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 裝置外形結(jié)構(gòu)

1.4 纏繞裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)電動(dòng)葫蘆的工作原理設(shè)計(jì)該纏繞裝置，纏繞裝置主要完成鋼絲繩的纏繞，伺服電機(jī)為動(dòng)力源，通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)卷筒纏繞，以往在電動(dòng)葫蘆中鋼絲繩在纏繞過程中需要導(dǎo)繩器的導(dǎo)向，鋼絲繩與導(dǎo)繩器之間會(huì)出現(xiàn)摩擦，縮小鋼絲繩的使用壽命，本裝置設(shè)計(jì)不用導(dǎo)繩器導(dǎo)向，通過壓板防止鋼絲繩串槽亂繩，而且在卷筒卷取鋼絲繩的過程中通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)使卷筒在順逆旋轉(zhuǎn)的同時(shí)左右移動(dòng)，使出繩位置固定準(zhǔn)確，這樣減小鋼絲繩的磨損并能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，纏繞裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 纏繞裝置結(jié)構(gòu)圖

1.5 控制手柄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置的功能的實(shí)現(xiàn)主要通過控制手柄的控制，預(yù)期功能為控制手柄的向上滑動(dòng)控制向上提取重物，控制手柄向下滑動(dòng)控制向下下放重物，急停按鈕防止意外發(fā)生控制緊急停止，根據(jù)該功能，設(shè)計(jì)控制手柄結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 控制手柄裝置結(jié)構(gòu)圖

2 基于ADAMS的鋼絲繩纏繞卷筒動(dòng)力學(xué)分析

2.1 在ADAMS中建立鋼絲繩模型

本文采用宏命令編程方法建立鋼絲繩模型，ADAMS宏命令語言建立鋼絲繩的方法可以通過軸套力和接觸力的剛性系數(shù)，阻尼系數(shù)等相關(guān)參數(shù)的合理設(shè)置，可以模擬出真實(shí)鋼絲繩的柔性，力學(xué)特性以及鋼絲繩與卷筒間的碰撞接觸等動(dòng)態(tài)特性[4]，建模步驟如下：

①根據(jù)卷筒模型建立單層纏繞點(diǎn)的軌跡坐標(biāo)。

②建立鋼絲繩微段，將微段按點(diǎn)的軌跡坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)制，建立鋼絲繩纏繞卷筒模型。

③添加鋼絲繩微段間軸套力參數(shù)，軸套力的各種剛度系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

K1為拉伸剛度系數(shù)；K2，K3為剪切剛度系數(shù)；K4為扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)；K5，K6為彎曲剛度系數(shù)；E為鋼絲繩的彈性模量；A為鋼絲繩的橫截面積；G為鋼絲繩的切變模量；L為鋼絲繩微段長(zhǎng)度；I為鋼絲繩微段橫截面對(duì)中性軸的慣性矩；d為鋼絲繩的當(dāng)量直徑。

根據(jù)公式確定軸套力參數(shù)，本裝置選用的鋼絲繩材質(zhì)為45鋼，但鋼絲繩的彈性模量、切變模量與45鋼有一定的不同，兩者關(guān)系為：

(5)

④鋼絲繩與卷筒接觸力參數(shù)的確定，接觸力剛度系數(shù)滿足如下關(guān)系。

(6)

根據(jù)公式確定接觸力剛度系數(shù)，接觸力其他參數(shù)均按推薦值選取，其他參數(shù)中碰撞系數(shù)金屬與金屬一般為1.5，最大阻尼系數(shù)通常為剛度系數(shù)的0.1%～1%，切入深度合適值為0.1 mm。

在ADAMS中按照以上步驟設(shè)置參數(shù)并建立模型，鋼絲繩纏繞卷筒模型圖如圖4所示。

2.2 鋼絲繩動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析

根據(jù)樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)，分析滿載(100 kg)時(shí)最大提升速度為0.6 m/s時(shí)鋼絲繩的受力過程。

根據(jù)起重機(jī)械運(yùn)行加速度不宜超過1 m/s2，設(shè)置參數(shù)為以0.6 s從0 m/s加速到最大速度0.6 m/s，穩(wěn)定運(yùn)行2 s，最后用0.6 s速度減為0 m/s，得出鋼絲繩拉力變化曲線如圖5所示。

仿真分析選取的是鋼絲繩末端靠近重物端的不進(jìn)行纏繞卷筒的幾段微段進(jìn)行的受力分析，從圖中可以看出，在運(yùn)動(dòng)開始初期，鋼絲繩的起始時(shí)刻受力較大，經(jīng)分析這是由于系統(tǒng)的慣性作用，鋼絲繩的軸向拉伸及變形較大引起的，最大受力值1 441 N，6×19 b鋼絲繩的最小破斷拉力為17.4 kN，除以安全系數(shù)6，則鋼絲繩的最小破斷拉力為2.9 kN，模擬運(yùn)動(dòng)分析得出的數(shù)值小于鋼絲繩的最小破斷拉力，所以在此條件下選用鋼絲繩合格。

根據(jù)實(shí)際情況，本裝置的運(yùn)動(dòng)過程中速度多變，啟動(dòng)頻繁，沖擊較大，通過查閱起重機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)則選用HC3工作級(jí)別系數(shù)，計(jì)算動(dòng)載荷系數(shù)為：

Φ2=Φ2min+β2vq=1.456

(7)

β2為按起升狀態(tài)級(jí)別設(shè)定的系數(shù)，根據(jù)資料此處選擇0. 51；Φ2min與起升狀態(tài)級(jí)別相對(duì)應(yīng)的起升載荷系數(shù)的最小值，此處選擇1.15；vq為勻速運(yùn)動(dòng)的速度，此處為0.6 m/s。

在ADAMS模擬分析的過程中，重物的實(shí)際質(zhì)量為100 kg，重力加速度為9.8 m/s2，可以計(jì)算出起升載荷為Pq=mg=980 N，選取鋼絲繩所受拉力的最大值Pg=1 441 N，則起重裝置的仿真起升動(dòng)載系數(shù)為：

(8)

根據(jù)資料計(jì)算動(dòng)載荷系數(shù)為1.456，根據(jù)仿真分析確定的動(dòng)載荷系數(shù)為1.47，一般定義動(dòng)載荷系數(shù)不大于2，所以分析結(jié)果合理，能滿足起重機(jī)械的安全和運(yùn)行工況要求。

鋼絲繩與卷筒纏繞接觸力變化如圖6所示，接觸力受力分析選取的是靠近卷筒的鋼絲繩微段進(jìn)行受力分析，從曲線圖可以看出，鋼絲繩與卷筒的接觸力在剛開始接觸時(shí)為最大，在隨著鋼絲繩的纏繞呈現(xiàn)周期性的變小剛開始為0是因?yàn)殇摻z繩還沒有和卷筒進(jìn)行接觸纏繞，從圖中可以看出鋼絲繩的接觸力最大值為400 N，遠(yuǎn)小于鋼絲繩受拉所產(chǎn)生的力，在運(yùn)動(dòng)接近停止時(shí)接觸力出現(xiàn)變化，經(jīng)分析，因?yàn)楸狙b置的升降行程較短，且為單繩單層纏繞，在最后重物的加速度為負(fù)減速時(shí)，鋼絲繩所受拉力變化和鋼絲繩本身的脹開力必然會(huì)對(duì)鋼絲繩與卷筒的接觸力產(chǎn)生影響，結(jié)果導(dǎo)致已經(jīng)纏繞在卷筒上的鋼絲繩接觸松動(dòng)，如果長(zhǎng)時(shí)間積累，還會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)會(huì)傳遞到最開始的鋼絲繩固定端，結(jié)果容易導(dǎo)致亂繩現(xiàn)象，實(shí)踐證明此現(xiàn)象存在，實(shí)際在不同載荷提升下鋼絲繩拉力的變化和鋼絲繩本身的脹開力都會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)通過電氣檢測(cè)裝置檢測(cè)松動(dòng)，一旦檢測(cè)到松動(dòng)則需要下放鋼絲繩將松動(dòng)消除方式有效地解決此問題。

圖6 接觸力變化曲線

3 Workbench中重要零部件的有限元分析

3.1 卷筒靜力學(xué)有限元分析

對(duì)于單層卷繞的卷筒，卷筒在工作中承受卷筒傳遞扭矩所引起的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、鋼絲繩拉力引起的彎曲應(yīng)力、鋼絲繩在卷筒上卷繞時(shí)對(duì)卷筒的緊箍作用的應(yīng)力。在較短的卷筒中，卷筒上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和彎曲應(yīng)力都較小，不予考慮。而緊箍作用引起的應(yīng)力使卷筒受到壓縮和彎曲，卷筒的有限元分析主要分析緊箍作用而產(chǎn)生的徑向外壓對(duì)卷筒的受力。由于緊箍作用對(duì)卷筒產(chǎn)生的徑向外壓為：

(9)

卷筒的基本參數(shù)為繩槽節(jié)距t= 10 mm；卷筒直徑D= 140 mm；根據(jù)ADAMS分析鋼絲繩的所受最大拉力值Smax為1 441 N，通過代入數(shù)據(jù)可得出最大徑向外壓約為2 MPa。

將SolidWorks軟件中創(chuàng)建的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中。ANSYS Workbench靜力學(xué)分析步驟為添加模型材料屬性，劃分網(wǎng)格，施加約束和載荷，結(jié)果后處理，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 卷筒應(yīng)力云圖

卷筒材料為45鋼，屈服極限約為350 MPa，取安全系數(shù)為2，則材料的許用應(yīng)力為177.5 MPa，通過卷筒應(yīng)力云圖可以看出，卷筒最大等效應(yīng)力為12.039 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，卷筒強(qiáng)度滿足要求。

3.2 齒輪瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)有限元分析

ANSYS Workbench分析齒輪瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的為：創(chuàng)建瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊，設(shè)置材料，導(dǎo)入幾何模型；設(shè)置接觸，創(chuàng)建轉(zhuǎn)動(dòng)副連接關(guān)系；劃分網(wǎng)格；施加載荷，結(jié)果后處理。

根據(jù)傳動(dòng)分析計(jì)算，設(shè)置主動(dòng)齒輪以0.2 rad/s 的角速度運(yùn)行，在從動(dòng)輪上施加扭矩3 346 N·mm，設(shè)定仿真時(shí)間和子步，仿真時(shí)間為0.5 s，求解結(jié)果。

齒輪瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析應(yīng)力云圖如圖8，最大應(yīng)力為91.312 MPa，齒輪材料為45鋼，取安全系數(shù)為2，小于材料的許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足要求。

圖8 齒輪應(yīng)力云圖

4 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框架圖

硬件系統(tǒng)框架圖如圖9所示，直滑式電位計(jì)通過滑動(dòng)輸出模擬量電壓，通過AD模塊轉(zhuǎn)換出數(shù)字量信號(hào)傳送單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)控制器進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換輸出模擬量信號(hào)連接伺服驅(qū)動(dòng)器，從而達(dá)到控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。微動(dòng)限位開關(guān)主要功能為卷筒移動(dòng)限位和鋼絲繩松動(dòng)檢測(cè)。拉力傳感器的作用主要為稱重、防止過載和提升物碰撞，重量通過智能顯示儀表顯示，一旦出現(xiàn)過載或者碰撞，則通過顯示儀表輸出開關(guān)量信號(hào)傳送控制器做出相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)報(bào)警?？撮T狗主要是防止程序發(fā)生死循環(huán)或者程序跑飛。

圖9 系統(tǒng)硬件原理框圖

4.2 AD模塊電路設(shè)計(jì)

AD1674一種12位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片內(nèi)部自帶采樣保持器、10 V基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘源以及可和微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器[5]。根據(jù)引腳功能和工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)主要用AD1674實(shí)現(xiàn)將電子尺滑動(dòng)產(chǎn)生的正負(fù)10 V模擬量電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，本系統(tǒng)選用的單片機(jī)為STC89C52RC，AD1674的數(shù)據(jù)鎖存器為可控三態(tài)的，與單片機(jī)P0接口可直接連接, 由于AD1674為12位，單片機(jī)數(shù)據(jù)總線為8位，單片機(jī)必須分兩次讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果,一次轉(zhuǎn)換分別讀取高8位數(shù)據(jù)和低4位數(shù)據(jù)，采集到數(shù)據(jù)后進(jìn)行移位處理單片機(jī)得到完整的12位數(shù)據(jù)并處理。

4.3 D/A模塊設(shè)計(jì)

D/A模塊采用的是MAX5312，MAX5312是美信公司生產(chǎn)的12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器，MAX5312在輸入電壓為±12 V或±15 V時(shí)，可以輸出±5 V或±10 V電壓。

MAX5312的主要作用是將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出模擬量電壓，從而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，單片機(jī)引腳與MAX5312 DIN引腳進(jìn)行連接，工作過程為單片機(jī)輸出16位數(shù)據(jù)，MAX5312將數(shù)據(jù)放入16位的移位寄存器(其中高4位是控制位)，然后截取16位數(shù)據(jù)的低12位數(shù)據(jù)放入輸入寄存器，再將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)傳入DAC寄存器，最后經(jīng)過12位數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出，其中AD706的主要作用是使輸出功率得到保證。

4.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)選用的單片機(jī)為STC89C52RC，STC89C52RC是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，使用簡(jiǎn)單可靠[6]。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

伺服軟索智能提升裝置的實(shí)物如圖10所示，為了測(cè)定裝置的穩(wěn)定性，測(cè)得最佳效果，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析。

圖10 裝置實(shí)物

5.1 電路板測(cè)試分析

電路設(shè)計(jì)的目的是消除滑動(dòng)手柄在中間停止時(shí)速度零飄和抖動(dòng)現(xiàn)象并產(chǎn)生模擬量電壓控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，電路板輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖11所示，其中-x～x為停止區(qū)域。

圖11 輸出電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

經(jīng)過測(cè)量電路板輸出電壓，發(fā)現(xiàn)基本吻合圖上曲線，輸出電壓呈線性變化，最大正電壓值為10.1 V，最小負(fù)電壓值為-9.8 V，在中間存在停止區(qū)域，停止區(qū)域大小可以通過程序根據(jù)實(shí)際情況處理。

5.2 設(shè)備運(yùn)行速度的測(cè)試

設(shè)定滿載(100 kg)最大提升速度為0.6 m/s，加減速時(shí)間為0.6 s，通過計(jì)算設(shè)置伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，測(cè)試設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，結(jié)果如下：在該條件下發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)微抖動(dòng)，噪音小，鋼絲繩纏繞較為穩(wěn)固，空載運(yùn)行穩(wěn)定，通過增加加減速時(shí)間，抖動(dòng)消除運(yùn)轉(zhuǎn)良好；當(dāng)增加伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，加減速時(shí)間仍為0.6 s，發(fā)現(xiàn)隨著速度的增加設(shè)備出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象越來越明顯，電機(jī)發(fā)熱快，而且空載運(yùn)行出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)減小伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，不改變加減速時(shí)間，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定正常。

經(jīng)過實(shí)際測(cè)試得出理論分析與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果基本吻合，經(jīng)過測(cè)試得出：

鋼絲繩與卷筒接觸松動(dòng)現(xiàn)象存在，其主要與載荷的大小、提升速度、鋼絲繩本身的脹開力有關(guān)。

滿載(100 kg)提升最大合適速度為0.6 m/s，最合適加減速時(shí)間為0.7 s時(shí)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

以伺服軟索智能提升裝置為研究對(duì)象，詳細(xì)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過ADAMS軟件對(duì)鋼絲繩纏繞卷筒進(jìn)行虛擬仿真分析，校核了鋼絲繩并得出在纏繞時(shí)會(huì)出現(xiàn)鋼絲繩與卷筒接觸松動(dòng)等問題并有效避免；說明了卷筒的主要失效形式，并進(jìn)行卷筒與齒輪傳動(dòng)的有限元分析，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)變化線性模擬量對(duì)伺服電機(jī)的控制等預(yù)期功能。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，得出裝置最佳運(yùn)行結(jié)果，且理論分析與實(shí)際基本吻合，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性和ADAMS仿真分析、電路設(shè)計(jì)的正確性，該裝置的創(chuàng)新研制有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對(duì)智能提升領(lǐng)域的發(fā)展具有一定的參考意義。