文武漢理工大學(xué) 楊鵬強(qiáng) 陳書(shū)輝 魏士博 蔡啟烈 周偉

隨著經(jīng)濟(jì)全球化步伐的加快，港口碼頭在國(guó)家貿(mào)易中扮演著越來(lái)越重要的角色。堆場(chǎng)在集裝箱碼頭的地位十分關(guān)鍵，其堆位分配優(yōu)劣直接影響著碼頭的整體運(yùn)作效率。

目前，市場(chǎng)對(duì)物料搬運(yùn)設(shè)備的總體需求不斷增長(zhǎng)，起重運(yùn)輸機(jī)械的生產(chǎn)規(guī)模與市場(chǎng)占有量也在逐漸擴(kuò)大，很多與國(guó)計(jì)民生直接相關(guān)的行業(yè)——如煤炭、礦產(chǎn)資源、石化、建筑、交通運(yùn)輸、裝備制造等，都離不開(kāi)起重運(yùn)輸機(jī)械。隨著以上各行業(yè)的蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)起重運(yùn)輸機(jī)械質(zhì)量與數(shù)量的要求也越來(lái)越高，對(duì)起重運(yùn)輸機(jī)械的智能化、自動(dòng)化、信息化、高效性、節(jié)能性、創(chuàng)新性、安全度等方面都提出了更高的要求。其中，起重、運(yùn)輸一體式起重運(yùn)輸機(jī)由于其靈活性、功能多樣性受到了市場(chǎng)的青睞，占有一定的市場(chǎng)份額。

2017中國(guó)好設(shè)計(jì)創(chuàng)意獎(jiǎng)——大小車(chē)聯(lián)動(dòng)起重機(jī)項(xiàng)目組由武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院楊鵬強(qiáng)、陳書(shū)輝、魏士博、蔡啟烈、周偉五名本科生組成。2017年，經(jīng)過(guò)8個(gè)月的磨礪，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)發(fā)明了大小車(chē)聯(lián)動(dòng)起重機(jī)的等比例實(shí)物模型，用以解決集裝箱碼頭部分作業(yè)運(yùn)作效率低下的問(wèn)題。

大小車(chē)聯(lián)動(dòng)起重機(jī)可實(shí)現(xiàn)貨物運(yùn)輸與裝卸一體化，提高了堆場(chǎng)的運(yùn)作效率。其工作流程分為4個(gè)部分，即軌道直線行走、多鉤升降起吊、活動(dòng)托盤(pán)移動(dòng)貨物、擋板卸載貨物。

該起重機(jī)設(shè)計(jì)受現(xiàn)有起重運(yùn)輸機(jī)啟發(fā)，集起重與運(yùn)輸兩個(gè)功能于一體，以實(shí)現(xiàn)更高效、更快速的起重運(yùn)輸功能。項(xiàng)目靈感起源于團(tuán)隊(duì)參加第二屆全國(guó)大學(xué)生起重機(jī)創(chuàng)意大賽。結(jié)合“將貨物從區(qū)域A搬運(yùn)到區(qū)域B”的預(yù)設(shè)任務(wù)要求，團(tuán)隊(duì)成員設(shè)計(jì)的起重運(yùn)輸機(jī)首先在區(qū)域A利用雙叉吊鉤吊取貨物，之后將貨物放置于活動(dòng)托盤(pán)上。接著，起重機(jī)與貨物整體運(yùn)動(dòng)到區(qū)域B，最后利用活動(dòng)托盤(pán)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)放置貨物。該起重機(jī)一次最多可以搬運(yùn)15箱貨物，簡(jiǎn)化了起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，節(jié)省了運(yùn)輸時(shí)間，使整個(gè)過(guò)程更加快速高效。

該次需要調(diào)運(yùn)的箱子有15個(gè)，單個(gè)調(diào)運(yùn)相當(dāng)繁瑣。因此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在創(chuàng)新研討和技術(shù)攻關(guān)后，設(shè)計(jì)采用一排5個(gè)雙叉吊鉤，每次起吊5箱貨物。單獨(dú)采用電機(jī)控制鉤子的左右移動(dòng)，使得鉤子能夠靈活勾住貨箱提帶。

大小車(chē)聯(lián)動(dòng)起重機(jī)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、武漢理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)楊鵬強(qiáng)代表團(tuán)隊(duì)領(lǐng)獎(jiǎng)

為進(jìn)一步節(jié)約運(yùn)輸過(guò)程的時(shí)間成本，該設(shè)計(jì)采用一次運(yùn)輸多箱貨物的方法，從而滿(mǎn)足任務(wù)要求。因此，活動(dòng)托盤(pán)的大小設(shè)計(jì)為能橫向容納5箱貨物。此外，由于放置過(guò)程占用總耗時(shí)的比例比較大，所以使用活動(dòng)托盤(pán)機(jī)構(gòu)使大量貨物能夠同時(shí)放置，節(jié)省了大量時(shí)間。為滿(mǎn)足賽事和未來(lái)實(shí)際應(yīng)用中限定區(qū)域放置的要求，通過(guò)同步帶輪控制活動(dòng)托盤(pán)，使得活動(dòng)托盤(pán)能夠前后左右移動(dòng)，精確控制貨物的放置區(qū)域。同時(shí)，為了解決起重機(jī)難以走直線的問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用軌道限定起重機(jī)行走路線的方法，使得起重機(jī)能按照軌道設(shè)定的直線行走，節(jié)省了起重機(jī)行走過(guò)程中的路徑調(diào)整時(shí)間。

整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制設(shè)計(jì)的創(chuàng)新上，在起重機(jī)整體方面，起重運(yùn)輸裝置整體為起重運(yùn)輸車(chē)形狀，功能上實(shí)現(xiàn)了吊取貨物、裝載、運(yùn)輸與放置。主要結(jié)構(gòu)分為上、下兩部分，上部活動(dòng)橫梁，雙叉吊鉤機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)吊取、裝載，下部主架、活動(dòng)托盤(pán)等部件主要實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸、放置功能。兩個(gè)部分的工作均由基于無(wú)線藍(lán)牙遙控設(shè)計(jì)的電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線控制功能。上、下兩個(gè)部分協(xié)調(diào)合作，從而完成指定區(qū)域的貨物運(yùn)輸。

仍以將15箱（5盒裝）貨物從A區(qū)域搬運(yùn)到B區(qū)域?yàn)槔?，該起重運(yùn)輸設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)貨物起重、運(yùn)輸一體化的功能要求。工作時(shí)，活動(dòng)托盤(pán)上一次承載吊鉤吊取的15箱貨物，分5堆均勻放置，每堆疊放3箱。當(dāng)起重機(jī)運(yùn)行至放置區(qū)域時(shí)，活動(dòng)托盤(pán)利用擋架將5堆箱子依次卸至5個(gè)圓內(nèi)，可以靈活、精準(zhǔn)地完成卸貨。

在電動(dòng)控制方面，該起重機(jī)模型電路控制系統(tǒng)基于藍(lán)牙遙控設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由單片機(jī)控制芯片、藍(lán)牙接收模塊、電機(jī)模塊、以及手機(jī)APP（發(fā)出信號(hào)）等組成。

單片機(jī)芯片是起重機(jī)控制系統(tǒng)的核心，它起到接收藍(lán)牙模塊的信號(hào)、處理數(shù)據(jù)、發(fā)送信號(hào)到電機(jī)模塊的作用。本設(shè)計(jì)采用STC89C52系列單片機(jī)作為主控芯片。

藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)連接手機(jī)APP與單片機(jī)系統(tǒng)的功能，它能接收手機(jī)APP發(fā)出的藍(lán)牙信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)化輸入單片機(jī)中。本設(shè)計(jì)采用HC-05型號(hào)藍(lán)牙模塊。

手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)將指令轉(zhuǎn)化為藍(lán)牙信號(hào)并發(fā)出的功能。使用時(shí)需在安卓系統(tǒng)手機(jī)上安裝APP“藍(lán)牙串口”。

電機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)接受單片機(jī)信號(hào)并直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功能，通過(guò)電機(jī)模塊可以更方便地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。本設(shè)計(jì)采用L298N型號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

電機(jī)起到提供系統(tǒng)動(dòng)力的作用，由電機(jī)模塊直接驅(qū)動(dòng)。

該起重機(jī)模型采用12V鋰電池，不接外部電源，從而實(shí)現(xiàn)重量的減輕。目前市面上的鋰電池可以支持起重機(jī)運(yùn)作。

本設(shè)計(jì)一共有10個(gè)電機(jī)，包括：2個(gè)電機(jī)控制起重機(jī)整體前后運(yùn)動(dòng)；2個(gè)電機(jī)控制活動(dòng)橫梁活動(dòng)梁上下運(yùn)動(dòng)；2個(gè)電機(jī)控制活動(dòng)托盤(pán)前后運(yùn)動(dòng)；2個(gè)電機(jī)控制活動(dòng)托盤(pán)左右運(yùn)動(dòng)；1個(gè)電機(jī)控制吊鉤的左右運(yùn)動(dòng)；1個(gè)電機(jī)控制活動(dòng)擋板的前后運(yùn)動(dòng)。

為了使起重機(jī)模型遙控操作更加快捷，該設(shè)計(jì)采用兩人操作控制。一人負(fù)責(zé)起重機(jī)整體前后運(yùn)動(dòng)、活動(dòng)托盤(pán)左右運(yùn)動(dòng)和活動(dòng)擋板前后運(yùn)動(dòng)；另一人負(fù)責(zé)活動(dòng)托盤(pán)前后運(yùn)動(dòng)、活動(dòng)橫梁活動(dòng)梁上下運(yùn)動(dòng)和吊鉤左右運(yùn)動(dòng)。

大小車(chē)聯(lián)動(dòng)起重機(jī)項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：

首先，平移齒條與升降電機(jī)的搭配使用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)貨物的靈活鉤取。

其二，活動(dòng)托盤(pán)的橫縱變位與三個(gè)擋板的組合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)貨物的快速精準(zhǔn)放置。

其三，起吊裝置與托盤(pán)結(jié)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸裝卸一體化。

在應(yīng)用前景領(lǐng)域，大小車(chē)聯(lián)動(dòng)起重機(jī)具有多鉤靈活吊取與托盤(pán)、擋板快速精準(zhǔn)卸貨的創(chuàng)新功能，在港口碼頭等集裝箱需要變換位姿的情況下，應(yīng)用該組合創(chuàng)新可以快速精準(zhǔn)解決遇到的實(shí)際問(wèn)題。