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(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，電動葫蘆由于具有操作簡單，起重重量大等特點具有不可替代的作用[1]。但在某些輕小型載荷的提升場所，電動葫蘆也出現(xiàn)了某些不足，不足的方面主要有速度單一，運輸效率低，功率消耗大；起動和運行沖擊較大，不適宜使用在吊裝物品易損壞的場合，難以實現(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)境工作時運轉(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)備來提高運輸效率是至關(guān)重要的，本裝置的研制主要針對電動葫蘆在輕小型載荷提升場所存在的不足，經(jīng)過運行實踐表明，該設(shè)備運行穩(wěn)定高效，智能化程度高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)國外技術(shù)資料，制定出本樣機的技術(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)點后一位。

1.2 設(shè)計要求

裝置的設(shè)計，應(yīng)滿足以下設(shè)計要求：

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

1.3 裝置外形結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計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

根據(jù)電動葫蘆的工作原理設(shè)計該纏繞裝置，纏繞裝置主要完成鋼絲繩的纏繞，伺服電機為動力源，通過齒輪傳動帶動卷筒纏繞，以往在電動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)繩器之間會出現(xiàn)摩擦，縮小鋼絲繩的使用壽命，本裝置設(shè)計不用導(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)向機構(gòu)使卷筒在順逆旋轉(zhuǎn)的同時左右移動，使出繩位置固定準(zhǔn)確，這樣減小鋼絲繩的磨損并能實現(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

本裝置的功能的實現(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控制向上提取重物，控制手柄向下滑動控制向下下放重物，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的軌跡坐標(biāo)。

②建立鋼絲繩微段，將微段按點的軌跡坐標(biāo)進行復(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為鋼絲繩微段長度；I為鋼絲繩微段橫截面對中性軸的慣性矩；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 鋼絲繩動力學(xué)仿真結(jié)果分析

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

根據(jù)起重機械運行加速度不宜超過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行纏繞卷筒的幾段微段進行的受力分析，從圖中可以看出，在運動開始初期，鋼絲繩的起始時刻受力較大，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，模擬運動分析得出的數(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)實際情況，本裝置的運動過程中速度多變，啟動頻繁，沖擊較大，通過查閱起重機械設(shè)計手冊則選用HC3工作級別系數(shù)，計算動載荷系數(shù)為：

Φ2=Φ2min+β2vq=1.456

(7)

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

在ADAMS模擬分析的過程中，重物的實際質(zhì)量為100 kg，重力加速度為9.8 m/s2，可以計算出起升載荷為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載系數(shù)為：

(8)

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

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是因為鋼絲繩還沒有和卷筒進行接觸纏繞，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，在運動接近停止時接觸力出現(xiàn)變化，經(jīng)分析，因為本裝置的升降行程較短，且為單繩單層纏繞，在最后重物的加速度為負(fù)減速時，鋼絲繩所受拉力變化和鋼絲繩本身的脹開力必然會對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，如果長時間積累，還會出現(xiàn)松動會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，實踐證明此現(xiàn)象存在，實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出現(xiàn)此現(xiàn)象，本設(shè)計通過電氣檢測裝置檢測松動，一旦檢測到松動則需要下放鋼絲繩將松動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對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)生的徑向外壓對卷筒的受力。由于緊箍作用對卷筒產(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，卷筒強度滿足要求。

3.2 齒輪瞬態(tài)動力學(xué)有限元分析

ANSYS Workbench分析齒輪瞬態(tài)動力學(xué)分析的為：創(chuàng)建瞬態(tài)動力學(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)傳動分析計算，設(shè)置主動齒輪以0.2 rad/s 的角速度運行，在從動輪上施加扭矩3 346 N·mm，設(shè)定仿真時間和子步，仿真時間為0.5 s，求解結(jié)果。

齒輪瞬態(tài)動力學(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

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，直滑式電位計通過滑動輸出模擬量電壓，通過AD模塊轉(zhuǎn)換出數(shù)字量信號傳送單片機，經(jīng)過單片機控制器進行處理轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換輸出模擬量信號連接伺服驅(qū)動器，從而達(dá)到控制伺服電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。微動限位開關(guān)主要功能為卷筒移動限位和鋼絲繩松動檢測。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)量信號傳送控制器做出相應(yīng)動作，同時報警?？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

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行設(shè)計，本設(shè)計主要用AD1674實現(xiàn)將電子尺滑動產(chǎn)生的正負(fù)10 V模擬量電壓進行轉(zhuǎn)換處理，本系統(tǒng)選用的單片機為STC89C52RC，AD1674的數(shù)據(jù)鎖存器為可控三態(tài)的，與單片機P0接口可直接連接, 由于AD1674為12位，單片機數(shù)據(jù)總線為8位，單片機必須分兩次讀取轉(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)后進行移位處理單片機得到完整的12位數(shù)據(jù)并處理。

4.3 D/A模塊設(shè)計

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，可以輸出±5 V或±10 V電壓。

MAX5312的主要作用是將單片機處理后的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換輸出模擬量電壓，從而控制伺服電機的轉(zhuǎn)速和方向，單片機引腳與MAX5312 DIN引腳進行連接，工作過程為單片機輸出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 單片機最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)選用的單片機為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存儲器，使用簡單可靠[6]。

5 實驗結(jié)果

伺服軟索智能提升裝置的實物如圖10所示，為了測定裝置的穩(wěn)定性，測得最佳效果，進行以下實驗測試分析。

圖10 裝置實物

5.1 電路板測試分析

電路設(shè)計的目的是消除滑動手柄在中間停止時速度零飄和抖動現(xiàn)象并產(chǎn)生模擬量電壓控制伺服電機的轉(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 輸出電壓與電機轉(zhuǎn)速關(guān)系

經(jīng)過測量電路板輸出電壓，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)實際情況處理。

5.2 設(shè)備運行速度的測試

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

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

鋼絲繩與卷筒接觸松動現(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，最合適加減速時間為0.7 s時設(shè)備運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

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