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地自動調平，使被吊物的質心在吊具本身得到調整，從而使整個起吊過程中，被吊物始終保持在水平狀態;也可以使被吊物在起吊過程中快速地調姿，使被吊物保持一個任意的預先設定的姿態。基于此，設計了吊具的控制系統，對吊具承重系統和動力系統進行了仔細的計算，并以吊具極限姿態為最不利情形，選型在精度、穩定性和可靠性等指標均預留了充足的安全裕度。

　　1 吊具機械結構及原理簡述

　　為進行快速的裝配體設計，吊具機械結構使用Solid Works進行裝配體建模，各部分的配置及結構如圖1所示。

　　吊具本身由機架(兼做y向導軌)、y向電機、y向絲杠、中間滑板組件(含x向導軌)、x向電機、x向絲杠、吊耳組件(4個)、手輪(4個)、吊環組件、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，系統上電后，系統控制器讀取傾斜傳感器測出的機架傾斜數據(傳感器的俯仰角和橫滾角的數據分別代表吊具在x、y向的機架傾斜狀況)，當測出的數據需要吊索沿x方向移動時，系統控制器根據吊索的當前位置和需要的位移量，計算出對應的速度和方向的控制信號，x向電機驅動電路根據系統控制器輸出的控制信號，以合適的電機軸旋轉方向和轉速啟動x向電機運轉，電機旋轉x向絲杠帶動吊環組件完成指定幅度的移動;當需要吊索沿y方向移動時，y向電機驅動電路根據系統控制器輸出的控制信號以合適的電機軸旋轉方向和合適的轉速啟動y向電機，電機旋轉y向絲杠帶動中間滑板組件完成指定幅度的移動。

　　在吊具運行狀態下，x，y向的控制過程是同時且連續進行的，直至吊具調平。

　　轉動手輪，可以帶動小絲杠調節滑塊在x軸方向上的位置，以適應不同大小的被吊件。

　　2 控制系統概述

　　系統結構如圖2所示，這里把整個系統按照檢測、控制、通信、執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動方向，計算移動行程提供依據。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調平和安全使用。

　　控制部分：單片機嵌入式系統是控制機構的核心部件，首先接收檢測部分的輸出值，包括吊具的實時姿態、軟件停機傳感器組狀態，同時調用子程序，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備進行交流，方便操作人員隨時掌握系統的狀態。

　　通信部分：這部分解決單片機分別與檢測機構、上位機以及執行機構的信息傳輸。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串口擴展系統之間的信息傳輸。

　　執行部分：接收單片機的輸出信號，并按照上位機自動、手動調平指令調節1、2號變頻器輸出，從而驅動x、y向電機轉動方向，促使主吊點偏移完成調平工作。無線組件將上位機和下位機無縫連接，使得上位機的控制和數據獲取更加實時。

　3 吊具結構及承重系統設計

　　3.1 吊環

　　考慮吊具自身重量，并考慮起吊過程的沖擊加速度，根據GB825—88，選擇螺釘GB 825 M36，垂直懸吊2.3t。

　　3.2 框架

　　為了足夠的安全裕度，涵蓋考慮最不利情形：一端固支的水平矩形等截面懸臂梁，自由端受重力10 000/2=5000 N;自重加其它零件重量4 000 N偏于安全地視為作用于懸臂梁懸出端。矩形高為100 mm，寬為68 mm;

　　因此，各種低碳鋼均滿足要求。

　　3.3 電機

　　選用YVP100L2—4變頻電機，最高轉速5 000 rpm，多級可調。額定功率3 kW，額定扭矩19 Nm。不使用減速機，螺距為3mm，當電機轉速為960 rpm時，每秒鐘吊環移動48 mm。這個速度可以看做吊具工作時的最高速度。

　　電機功率=吊具上升速度×(重力加速度+上升加速度)×(被吊質量+設備質量)/機械效率=0.05×(9.8+0.1)×(1 000+400)/0.22=3 kW上述式子是關于吊具徹底歪斜這種最不利情況的，裕度過大。電機功率選國標系列值3 kW。

　　3.4 螺紋傳動機構

　　螺牙強度能承受(1 000+400)×9.8N的軸向力(吊具徹底歪斜，這是最不利的情況)選用梯形螺紋。因為矩形螺紋運動精度高，成本高。

　　根據耐磨性初選中徑，梯形螺紋：

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　　其中，[p]=18MPa，ψ=H/d=2.5，Q=14 000 N，

　　得到d2=11.5 mm。為了更好的剛度，選d=32 mm，螺距t=3 mm。

　　螺母螺紋牙強度應滿足：

　　滿足要求。另外，由于施加軸向力的結構不允許徑向位移，所以實際的穩定性安全系數還會高很多;其次，使用中也沒有整個吊具傾斜90度的情況。

　　4 小結

　　本文對吊具的機械結構的設計進行了介紹，并說明了系統工作原理。對吊具結構及承重設計、動力系統設計給出了詳細計算過程。本設計已經獲得了國家專利的授權。