基于MCU控制的自動平衡吊具
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在航空航天、精密機械等重要領(lǐng)域，隨著關(guān)鍵部件質(zhì)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(diào)平，使被吊物的質(zhì)心在吊具本身得到調(diào)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(diào)姿，使被吊物保持一個任意的預先設(shè)定的姿態(tài)。滿足上述領(lǐng)域中對起重吊裝的高要求，是實現(xiàn)安全、高效、自動吊裝裝配作業(yè)的重要技術(shù)手段。
1 吊具機械結(jié)構(gòu)及原理簡述
為進行快速的裝配體設(shè)計，吊具機械結(jié)構(gòu)使用Solid Works進行裝配體建模，各部分的配置及結(jié)構(gòu)如圖1所示。
吊具本身由機架(兼做y向?qū)к?、y向電機、y向絲杠、中間滑板組件(含x向?qū)к?、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(shù)據(jù)(傳感器的俯仰角和橫滾角的數(shù)據(jù)分別代表吊具在x、y向的機架傾斜狀況)，當測出的數(shù)據(jù)需要吊索沿x方向移動時，系統(tǒng)控制器根據(jù)吊索的當前位置和需要的位移量，計算出對應(yīng)的速度和方向的控制信號，x向電機驅(qū)動電路根據(jù)系統(tǒng)控制器輸出的控制信號，以合適的電機軸旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速啟動x向電機運轉(zhuǎn)，電機旋轉(zhuǎn)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(qū)動電路根據(jù)系統(tǒng)控制器輸出的控制信號以合適的電機軸旋轉(zhuǎn)方向和合適的轉(zhuǎn)速啟動y向電機，電機旋轉(zhuǎn)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(diào)平。
轉(zhuǎn)動手輪，可以帶動小絲杠調(diào)節(jié)滑塊在x軸方向上的位置，以適應(yīng)不同大小的被吊件。
2 控制系統(tǒng)概述
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動方向，計算移動行程提供依據(jù)。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(diào)平和安全使用。
控制部分：單片機嵌入式系統(tǒng)是控制機構(gòu)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(diào)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(shè)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(gòu)、上位機以及執(zhí)行機構(gòu)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(diào)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。
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