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1、工程设计导论塔吊项目学生指导书目录一、 总体规划与设计对于大一新生来说，设计并建造一个塔吊是一个复杂的工程问题。问题的复杂性并不来自于技术知识和动手能力的缺乏，而是来自于缺乏对整个工程系统的理解和分析建模的能力。建造一个系统总是从具体原件一步一步自下而上形成的，而设计这个系统却要从系统的整体构思开始自上而下最后才确定每个具体元素的设计、选型和制作。当一个问题足够简单时，我们就可以将注意力集中于这个问题，并通过学习新知识或采用创新技术来解决它。例如，如果我们面临的问题是“如何采用一台电动机使吊钩产生上下运动”，这个问题对绝大多数人来说都是可以理解而且能够解决的：将吊绳绕在一根轴上，由电机带动轴的
2、正反转动来实现连接在吊绳端点上吊钩的上下运动。更进一步，这个方案的内部还有一系列需要解决的子问题，如安装问题、传动问题、性能问题等等，我们就又可以分别考虑每个具体的子问题的解决方案，直到所有问题都得到解决。因此，解决问题的一个重要能力是将复杂问题分解成子问题的能力，将复杂系统逐步分解成一系列容易理解和解决的子问题的集合，分别考虑各个子问题，然后将每个子问题的解决方案整合，使复杂问题得到解决。系统建模的方法可以有效地理清设计思路、明确设计程序、合理分解任务并实现稳健优化设计。系统建模从系统的目标功能出发，将问题进行逐步分解，直到每一个问题都可以得到明确的定义，然后选择适当的技术手段来解决这些问题
3、。 对于本问题，可先从工作流程的要求理解整个系统的结构，建立系统工作模型，从而明确每个不同专业之间的配合方式和接口：M0吊装任务完成吊装任务M0就是这个吊装系统。再进一步：M11吊装任务M0M12完成吊装任务计算机操作M11将吊装任务通过自己开发的通讯技术发送给计算机旁的吊车操作人员，吊车操作人员由计算机界面操作完成指定的吊装任务。再进一步：M11吊装任务M0M12完成吊装任务计算机操作M121M122数字信号M121 将人机界面的操作转换为数码信号，由数码信号控制塔吊的运行。再进一步：M11吊装任务M0M12计算机操作M121M122数字信号M1221完成吊装任务M1222电机的电压、开关和
4、转向信号M1221 将数码信号转换为电机的电压、开关和转向信号，控制吊车的运行操作。M1222 则为吊车所有内部机构和结构。这样的建模过程将各模块间的相互关系梳理清晰，每个黑框内的工作都有明确的输入和输出，只要满足输入输出的参数要求，其内部的结构和工作相对与整个系统可以是独立的黑箱。因此，每个黑框内的工作就可以分配给一个子团队来做。除了关心本模块的输入和输出界面上的参数要求外，这个团队不需要关心其他团队的内部工作。由此，多子系统（或多学科）团队的工作就可以得到健康的协调。对于本项目，M11 关心的是如何将由竞赛组织者下达的吊装命令通过非语言、非图像的方式传达给计算机前吊车的操作者，这是通讯工程
5、所需要解决的问题。需要选取适当的传播媒介，采用适当的通讯技术来实现信息的传递。通讯工程需要尽可能提高传播速度、还要保证信息传播的准确性。M121 是一个编程工作，即计算机专业的工作。本项目指定使用USB-1208FS数据采集卡，卡的库函数已经包含了所有的软硬件接口，只需要调用这些函数就可以实现输出数码信号。因此，编程者只需要将主要精力放在理解电子系统对输出数码信号的要求和设计人机界面上。本模块需要从M1221 模块得到数码信号的要求，理解每一种信号所代表的吊车工作模式，通过程序建立人机界面，控制吊车的运行。M1221 将由计算机传过来的数码信号和由电源过来的电能转换为对电机的开关、速度、加速度
6、和方向的控制，从而使吊装工作能够得到实现。本模块需要理解M1222对开关、速度、加速度的需要，需要理解如何使电机满足这样的需要。还要从M1222 得到每一种信号所代表的吊车操作模式，并将此转达给M121。M1222 才是吊车本身，它包括吊车的基本设计概念、功能设计、机构设计、安装设计和结构设计。结构设计与制造可以划归于结构工程（土木工程）专业的工作范围，其余的工作都属于机械工程专业的工作范围。本模块还需要进一步细分、并且可能需要重复设计才能最终完成设计工作。因为本系统实际上是一个机械系统，所以主要的设计概念和协调工作需要机械工程专业进行主导。系统建模将不同专业进行了明确的分工，便于专业间的相互
7、合作。对于每个模块本身还需要继续通过建模进行分解，以便明确定义问题，协助寻找解决方案，并制定全团队的工作进度计划。每个专业则需要明确现在的分工，知道本专业需要设计和制作出来的产品和相关要求。然后根据这些要求和相应的限制条件讨论、查资料、寻求帮助、做出初步设计。按照此初步设计将任务按分解成子任务，根据全团队的时间表和本专业的子任务安排工作进度。二、 专业介绍及本项目相关的专业设计1、 机械工程确定设计参数：（1）设计一台机器时，需要明确此机器的工作性能参数：最大吊重、吊重物最大尺寸、最大工作范围、最大起重高度、最大起重加速度、最大旋转加速度、安全系数，等。（2）根据基本机构设计和工作性能参数，确
8、定各配合专业的设计参数要求：（a）对于土木工程专业，需要提出各结构构件的尺寸要求、（为了安装机械装置等所需要的）连接细部的特殊要求、荷载要求、特殊的形状或空间要求（如缆绳需要贯穿或轨道需要通畅等）等（b）对于电子专业，需要提出每台电机的工作性能要求，如转速、功率、扭矩、开关、转向等塔吊的基本结构可用直径不大于1.6mm的镀锌钢丝焊接而成。直流电机用来提升重物、旋转塔吊和驱动小车。用12V电源提供整个塔吊所需电能，电机速度通过PWM技术来控制。PWM由计算机通过USB-1208FS采集卡输出数码信号的占空比来实现。整体稳定性设计：吊车不能锚固在地面上，而吊车在不同点、吊不同重量时它的整体重心位置
9、是变化的。如何保证在吊车的工作负荷范围内，吊车不发生整体倾覆？注意，起吊时会有一定的加速度，根据F=ma，吊车的负荷会大于静止吊重。动力设计：吊车的移动和起吊的动力由三只直流电动机提供。（1） 如何利用这三只电机实现要求的运动（传动设计）？（2） 如何安装？（3） 如何计算电机的吊重能力？（4） 如何控制运动速度？（5） 如何选择适当的传动方式？工作性能设计：吊车的工作需要能够以最快的速度完成起吊、移动、卸载任务，同时还需要具有可靠性、稳定性、安全性。（1） 如何控制几种不同的运动（起吊、旋转、移动）的组合？（2） 如何控制加速度？（3） 当吊重电机不转（吊重作水平运动或故障断电）时如何保证吊
10、钩和吊重不掉落？简单的抗倾覆计算：一个力乘以此力到一给定点的垂直距离称为此力对于此点的力矩。几个平行力所组成的平行力系对任意一点的力矩的和除以这个平行力系的和等于此平行系的合力到这一点的距离。为了抵抗倾覆，吊车满载到最大工作半径（P4达到极点）时，吊车上所有重力的合力中心必须落在B点的左面；当吊车空载时，吊车上所有重力的合力中心必须落在A点右面。因为不允许外加锚固，并且使用单向推力轴承，吊车的地面支撑点和吊车旋转的推力轴承处均需进行类似的抗倾覆核算。抗倾覆能力可通过调整P1和P2来实现。ABP1P2P3P4ABP1P2P3如果在任何载荷情况下，转台下地面支撑和回转轴承处（沿上二图的AB线）的任
11、何一点都处于受压状态，则此结构能有较可靠的抵抗倾覆的能力。为了实现这一目标，在任何荷载组合下，所有力的合力作用线需要落在截面核心（距支撑中心点1/3支撑长范围内）。2、 土木工程对于本项目，土木工程的主要工作在结构工程方面，需要按照机械工程专业所要求的尺寸、承载能力和空间要求提供吊车的支架。为了使整个吊车的设计更为合理，建议土木工程同学参与机械工程关于吊车的整体设计讨论，提出自己的意见并明确理解机电专业的设计意图。现有可用材料只有1.6mm镀锌铁丝，因为失稳问题，细铁丝的抗压能力特别差。提高抗压能力的途径是减小铁丝的计算长度（可近似理解为两个横向支撑点间的距离）：ABPPPPB结构能抵抗较大的
12、压力P为了确定安全且经济的间距，可用各种长度的单根铁丝做实验，并建立一个长度和抗压能力间的关系（采用数学方程或以长度为横轴、承压能力为纵轴建立二者间的曲线关系），在不同承压要求时采用相应的结间间距。当结构承受横向力的作用时，结构受到弯矩作用。在弯矩作用下结构的分析会更加复杂，简单地讲，受弯平面内结构的一侧会受压，另一侧会受拉。在纯弯条件下此拉力和压力相等，弯矩等于拉力或压力值乘以二力间的垂直距离。3、 电子工程电子部分从USB-1208FS数据采集卡的数码输出口接入数码信号，此数码信号经电子开关系统将12V动力电源的电压输送给指定的电机。此电子开关系统需要能够控制电机的开关、转向和转速。以下H
13、-桥采用2路数码输入和6只三极管实现对一个电机的开关和转向的控制。为了实现对电机转速的控制，可采用脉宽调制（PWM）的方法调整对电机的供电。三极管是由2个PN结组成的PNP 或NPN结构，当电压反向偏置（如将高电平加到PN结的N端）时，电路断开，正向偏置时，电路导通。当基极（PNP的N极或NPN的P极）正向偏置时，发射极到集电极导通，电流可达基极电流的数百倍（晶体管的放大作用）。现在采用由计算机界面通过采集卡发送过来的电压信号给基极一个偏置电流，由于此偏置电流的作用导致发射极到集电极的电路导通向电机供电。当基极偏置电压消失时，电路断开，停止向电机供电。为了防止电路中电流过大烧坏三极管或电机，可
14、在电路中串接一个反馈电阻，电流在反馈电阻上产生一个压降，将此压降接入采集卡的模拟输入，当程序测得此反馈电压高于某一给定值时就切断电源。假如限定电流为0.5安培，反馈电阻采用1欧，则反馈电压的上限值为V=RI=1x0.5=0.5伏。需要注意的是这个电路的上、下两个部分是完全一样的，仅通过两个输出端对电机供电电流方向的反转达到转向的目的。当上输入端电平为高时上部电路导通，电机正转；当下输入端电平高时，下部导通，电机反转。当上下输入端电平皆为低时，没有电流共给电机，电机关闭。但是，两个输入端的电平不可以同时为高。因此，在编程时，应采用适当的方法避免二输入端同时为逻辑1。同时，为了保证在任何时间点都避
15、免这样的冲突发生，在编程中可在从一端逻辑1到另一端逻辑1之间加上一个毫秒级的延时。脉宽调制（PWM）的方法是通过改变数码输出信号的波形的方式间歇开关电机供电，从而控制供给电机的等效功率。改变电源的导通率就能改变给电机的等效功率，从而控制电机的速度和加速度。这样的改变可以通过计算机编程对数码输出信号来实现。数码信号的切换频率不宜过高或过低，可取在100HZ左右4、 计算机科学本项目中计算机专业的主要任务是编写用户操作界面，并将操作信号通过USB-1208FS数据采集卡传输给电子控制板。人性化的用户界面使机器的操作变得更为简单、好用。USB-1208FS已包括各种计算机语言下的程序示例，本项目采用Visual Basic (VB)。所以在VB环境下调用库内的任意一个示例程序进行修改是最为快捷的方法。本项目有3只电机需要控制，每只电机需要2路数码输出。因此共需要6路数码输出。为了防止由于电机停转引起控制电路内电流过大烧坏电路，每个控制器还有2路模拟信号输入。当模拟信号高于某一给定值时，程序应关掉相应的程序，停止向电机供电。电机供电的导通与关闭是通过采集卡数码输出端的输出电平控制的（见上节），电机的转向由采集卡不同端点的输出控制。
