基于PLC 的无线小型移动吊车设计*

杨保健，邓永宁，曹云龙，曹明轩

（五邑大学智能制造学部，广东江门 529020）

0 引言

小型吊车的发展在欧洲开始得比较早且较为成熟和完善。欧式的小型吊车有以下特点：尺寸大小更紧密，没有多余的空间；有效的工作空间大；能耗低；运行稳定[1]。从小型起重机的发展史来看，许多种类的小型吊车或小型起重机都是从大型起重机延伸出来的，将大型起重机的关键起重零件缩小，就可以得到一个小型起重机有零件缩小满足不了性能，则对其结构进行重新设计。由于国内小型吊车在自动化、智能化方面的研究较少，目前还没有一款可以在手机端通过App 就可以操作的小型吊车。但随着现代化社会的建设在不断加快，中国的基建从以前量的积累慢慢开始转变为质的飞跃，更加实用、能减少劳动强度、有着更好的人机交互形式的设备越来越被人们所需要。本文设计的小型移动吊车可以为日后的拆卸工具提供一定的参考思路，具有一定的实用性和可行性。

1 小型移动吊车的结构设计和分析

1.1 整体结构

小型移动吊车的整体结构采用了直流无刷电机驱动，对于一个样机来说无刷电机足以满足所需的性能要求。前轮和支撑架的电机用了MG995 舵机，实际应用中支撑架可以考虑用液压缸，液压缸提供的支撑力更稳定可靠，由于没有迷你的液压缸，这里用2对连杆机构来替代，所以实际起到的支撑及防移动效果有限。回转部分用了外齿回转支承，这是目前吊车较常用的回转机构[2]。卷扬机构由一对齿轮组成，紧急刹车采用了电磁制动器制动。吊臂的伸缩用了螺旋升降机构，由1根丝杆和丝杆套组成。移动吊车爆炸图如图1所示。

图1 小型移动吊车整体爆炸图

1.2 行走驱动装置

整个吊车有4个轮子，可计算出总摩擦阻力为235 N。驱动轮后轮的半径42.5 mm，阻力矩为10 N·m。驱动后轮转动一圈，整个移动吊车前进0.267 m，预计小车时速为0.5 m/s，减速比为2∶1，则每分钟后轮需要转112 圈，即后轮转速为112 r/min。故电机转速至少应为112 r/min。求出后轮驱动电机需要的输出功率P＝120 W。由于无刷直流电机的效率一般在70%左右，故电机的额定功率要170 W。综合价格选用电机的型号为Z55BLD200－24GU。

1.3 转向装置

本变向装置采用了双曲柄的平行四边形机构。这种机构的特点是主动柄转动时，从动柄随主动柄以同样的角速度转动，连杆做平行运动[3]。在这里主动柄由MG955 舵机驱动，该舵机在小型设备如无人机中使用普遍，有良好的性价比，这里使用的是可以转动90°的型号。连杆两端通过鱼眼螺杆与吊车前轮相连，从而通过连杆的平动变为前轮的90°转动，实现前轮的变向。模型图如图2所示。

图2 前轮转向机构模型

接着对转向机构进行自由度验算，画出前轮转向机构的机构简图如图3所示。

图3 前轮转向机构简图

根据空间自由度常用的计算公式：

本机构中自由度总数为PZ＝18，即机构简图中∙部分（6个回转副、4 个球面副）；多余自由度为2，即杆2 上的2 个回转副；封闭环数K＝3，即图中虚线圈起来的部分（分别为A－C－E－F－G、A－B－C－D、B－D－H－I－J），用实心三角形▲表示[4]。代入公式得：

由式（2）可知自由度等于1，故转向机构设计正确。

1.4 吊臂伸缩装置

由于本吊车是样机，整体结构较小，没有空间在吊臂位置安装液压缸或气缸，而吊臂只有1节的话又难以保证起吊的高度，因此采用螺纹传动的方式来使吊臂的第2节伸缩，如图4所示。由电机控制螺母管的旋转，随着螺纹的旋合进而推动第2节吊臂的伸出。

图4 吊臂的伸缩形式

1.5 卷扬装置

卷扬装置一般是起重机的最重要的装置之一，其直接提供了吊车的起升力。在这里设计的简易卷扬装置有动力源、减速区、刹车装置。无刷直流电机的出轴处连接小齿轮，小齿轮带动大齿轮旋转，这样就能使轴套筒上的钢丝绳放松或收紧，达到吊起重物的功能。该装置基本满足吊车样机的使用功能，如图5所示。

图5 卷扬装置主要机构装配图

2 小型移动吊车的软件设计

2.1 系统介绍

小型移动吊车的整体系统可分为Android客户端、中间层服务器端、吊车输出端。Android 客户端：发出的数据通过TCP/IP 协议传输给交换机，这里使用的交换机是串口服务器。服务器端：串口服务器将接收的数据通过Modbus 协议传输给三菱PLC，三菱PLC 接收后进行转码编译，使输出继电器高低电平的电压[5]。吊车输出端：吊车上的电机或驱动器接收PLC 输出信号，控制小型吊车上的电机，以此控制吊车的前进起吊等动作。其中，移动手机与串口服务器通过WiFi连接，其余通过线进行连接。整个系统的关系如图6所示。

图6 小型移动吊车的整体系统

2.2 PLC 控制端选型

由于本吊车电机较多，需要的PLC 输出口就要多。由于需要高脉冲输出控制舵机，因此选晶体管输出较好，再考虑留20%的空余量，最后选用16 个输出三菱FX3U－32MT。还需要1 个模拟量转换模块FX2N－4DA 来输出0～5 V 电压控制电机的速度。

2.3 吊车上舵机的控制程序

本文使用了两种类型的电机，分别是舵机和直流无刷电机，两种电机的控制方式又有所不同。舵机是以脉冲控制，通过对脉冲进行调频和调宽实现舵机转动的角度，这里选用90°的舵机方便直接使用，不用经过放大倍数或缩小倍数来控制实际转向角度。该舵机需要输入周期为20 ms 的时基脉冲，即频率为50 Hz（1/0.02 s）的时基脉冲。脉宽调频范围为1.5～2.5 ms，也就是说，脉宽每增加0.1 ms，舵机转动9°。这里设定默认转向速度为1.5°/s，因此在PLC 程序中需要对脉宽进行增加后缩小一定倍数再输出。采用的步骤是，用MOV 指令输入150 到中间寄存器D10；然后用ADD/SUB 指令对D10的数进行加2或减2，将得到的数覆盖D10；然后用DEDIV 指令将D10 的数除以100 存入D11 中，D11 的数即为输出的脉宽数。脉宽调制PWM 输出的格式为[PWM S1 S2 D]，其中S1为输出脉宽，S2 为输出周期，D 为输出继电器。其关键部分是调制脉宽，这里用了CMP 指令，如果超出上限则将D10置250，超出下限则将其置150。脉冲调宽的PLC 程序如图7所示[6]。

图7 前轮舵机的控制程序

2.4 吊车上直流无刷电机的控制程序

本次选用的直流无刷电机的调速模拟电压范围是0～5 V，调速范围是0～6 000 r/min。因此就需要输出数字量的范围为0～1 000。对模拟量的输入输出要用到缓冲储存区（BFM）的内容，将内容读到PLC 控制器中，或将PLC 控制器的内容写入缓冲储存区。对输出模拟量进行控制作用到的指令有FROM 和TO，前者是将PLC 读取模块的数据，后者则是PLC 写数据到模块中。

2.5 Android 客户端App 设计

本移动吊车论文所开发的App 界面有4 个，分别是主页、检查通讯页、移动操作页、升降操作页，本移动吊车应用程序的页面布局全部都采用了相对布局，用了TextView、Button、Surface、EditText 4 个组件[7－8]。其中监控画面所采用的Surface 是在帧布局（FrameLayout）中，即图8～9 所示的中间浅蓝色部分。Button 控件采用的按压效果是未按压时背景色为灰色，当按压时，按钮背景色变为绿色。其中刹车的按压背景色为深红色。

图8 升降操作页

图9 移动操作页

3 结束语

本文研究了小型移动吊车的传动控制系统，对换向机构、起吊机构等重要机构进行了初步设计；对PLC 端的程序进行了编译，可以实现PLC 控制小型移动吊车上的电机运转；对Android 客户端的程序进行了编写，可以实现手机端控制PLC 的内部寄存器状态以控制电机运转。样机可以实现吊车车体的前进、后退、左转、右转，对6 kg 的物体进行起吊。做成实物后预计可以对200 kg 的物体进行起吊。