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项目管理

工程设计导论塔吊项目学生指导书

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。

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：

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

M12

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

M12

完成吊

装任务

计算机

操作

M121

M122

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

M12

计算机

操作

M121

M122

数字

信号

M1221

完成吊

装任务

M1222

电机的电压、开关和转向信号

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。

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）：

B结构能抵抗较大的压力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-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VisualBasic（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。

USB-1208FS有2个数码输入/输出端口（port），每个端口有8个端点，而现在控制3台电机只需要6个端点即可。

因此，只需要用到一个端口（如portA）即可。

事实上，向端口输出一个数，即可实现对指定端点给定的电平输出，例如，如果向端口输出0，则8个端点全为0；如果向端口输出1，则此端口的8个端点的输出为00000001；如果向端口输出2，则此端口的8个端点的输出为00000010；如果向端口输出4，则此端口的8个端点的输出为00000100；如果向端口输出8，则此端口的8个端点的输出为00001000；如此等等可以实现对这8个端点的任意组合。

所以，人机界面上控制电机各种移动的按钮背后的程序实际上仅仅是选择向给定端口输出合适的数。

VB是面向对象的编程（ObjectOrientedProgramming），VB平台下有各种控件（control）和元件（component），程序运行时计算机一直持续不断地监视各个对象（object），如按钮、计时器、数字控件等，程序的用户界面（form）本身也是一个对象。

当这些对象出现某一事件，如按钮按下、计时器触发、数字控件值的变化等，计算机就按照根据此事件下所编的程序要求执行。

PWM可以用编程的方式实现，计时器在程序中会按设定的时间间隔（interval）触发（tick），程序根据其触发事件进行输出和停止输出的动作即可向端口输出所需要的波形。

采用2个计时器，一个控制输出频率，例如如果要求输出频率为100HZ，此计时器的间隔就可设为10毫秒（1000毫秒/10毫秒=100次tick/秒）。

第二个计时器控制向输出端口输出的数字的时间，如果输出频率为100HZ，如果在一个输出波内（10毫秒）数字输出的时间为2毫秒，则此波的占空比为2/10=0.2。

可以通过数字增减控件增减第二个计时器的间隔，从而控制输出信号的占空比。

调试程序时可利用示波器观察输出信号。

5、通讯工程

自古以来，远距离通讯一直是战争和人们日常生活中所追求联络手段。

从烽烟、信使、飞鸽到旗语、灯语、臂板通讯、无线电报、电话直到今天的移动通讯、3G移动通讯等，人类的通讯手段和通讯速度都发生了翻天覆地的变化。

一个完整的信息系统由“信源”、“信道”和“信宿”三部分构成。

任何一种信息总有一个发源地和目的地，比如李四向张三通报一个重要信息，那么，李四是信息的源头，叫“信源”；张三是信息的归宿，叫“信宿”；李四与张三之间的信息传输通道叫“信道”。

从信源出来的信号需要进行变换，使之适应信道的传输，这个过程被称之为调制，例如数码通信里面使用的QAM，我们经常听的FM广播就是采用FM（频率调制）的模拟通信方式。

为了提高传输效率，可以对信源信号进行编码，例如语音压缩、图像压缩等；信道编码是为了降低误码率，例如循环冗余校验，奇偶校验等。

调制将信息的编码转化为物理状态的变化，光线的强弱、电压的高低、频率的高低等都可以用来表达编码。

而通讯协议则是保证信息传递的双方进行可靠和有效通讯的机制，如何启动一次通讯、接收方是否收到信息、收到的信息是否正确、接收方如果有问题怎样向发出方提出、如何结束一次通讯等等都需要通过通讯协议规定。

为了减低项目开发复杂程度，本项目没有为通讯工程提供任何设备。

通讯工程的体验采用特殊的通讯媒介和学生自己开发的编码系统、物理表达和信息传输协议来实现。

一个编码系统实际上是对通讯基本符号（或指令）集的编号。

例如，假定我们的符号（指令）集只有“上升”、“下降”、“停止”、“旋转”四个基本符号，则可以用“1”代表上升”、“2”代表“下降”、“3”代表“停止”、“4”代表“旋转”。

然而，如果指令集包含更多的符号，如字母、数字等，则需要更多的数字来表达。

计算机所采用的ASCII码包含255个基本符号。

当编码确定之后，就需要根据通讯媒介的物理特征确定每个符号（编码）的物理表达方式。

电子逻辑可以很稳定的利用导通代表1、关闭代表0，即采用二进制的方式。

人类有十个手指，所以在多数的计算中采用了十进制的方式。

二进制一位只能表示2个不同的符号，二位只能表示22=4个不同的符号，而十进制一位就可以表达10个不同的符号，二位可以表达102=100个不同的符号。

如果一个指令集有五十个基本符号，因为26=64，采用二进制至少需要6位数来表达一个指令；假如采用十进制，则是需要2位就足够表达100个不同的符号了。

假如用手势进行信息传递，采用二进制的手势时，要做六次手势才能传达一个符号，而采用十进制手势时，只需要做二个手势就可以传递一个符号。

可见进制越高，信息传递效率就越高。

然而，十种不同形状的手势必然比二中不同形状的手势要复杂得多，传递过程中发生误传误读的概率就要高得多。

提高效率意味着在单位时间内传输更多的信息，提高可靠性意味着通讯过程抗干扰、出错率低。

所以，通讯的效率和可靠性是通讯工程的基本问题。

本项目操作简单，所需要的指令集不大，可以先确定指令集的范围然后再设计编码。

如果希望编码能满足任意场合需要，则需要设计类似莫尔斯码或ASCII码这样完整的编码，也可以直接采用已有的编码系统。

本项目采用一只手为媒介，它有5只手指、手心、手背，人还能区分不同的压力。

因此，需要充分利用这些性质（带宽）达到信息的高效传输。

莫尔斯码是无线通讯历史上一套重要的编码系统，直到今天仍有大量的专业人士和业余爱好者使用这套编码，建议通讯工程专业学习了解莫尔斯码。

通讯经常是一个双向过程，通讯协议规定信息的发送者和接收者之间的信息交换规则，保证通讯的开始、传输、接收、查错、纠错、结束等通讯过程的顺利进行。

所以，需要设计一套高效、稳健的通讯协议，保证通讯过程的顺利完成。

公理设计理论（AxiomaticDesignTheory）简介

公理设计定义了客户、功能、物理和过程四个不同的域，每个域仅建立本域内的结构模型，通过设计矩阵对不同域内的指标进行映射实现。

一个系统是一系列子系统和软、硬件的集合，它是由人设计的，通过系统操作用、在规定的范围内满足由客户提出的功能要求。

定义{FR}为功能向量，为完全定义一个系统功能所需要的独立的功能描述集，属于功能域；

定义{DP}为设计参数向量，为满足设计功能的关键物质变量，即所选用的概念或方法，属于物理域；

定义{PV}为过程变量，为产生给定设计参数所需要的关键过程变量，通常为实现{DP}的技术，属于过程域。

根据“公理设计理论”

即，方程

（1）将功能向量映射到物理域，方程

（2）将设计参数向量映射到过程域。

对于方程

（1），如果矩阵[A]是对角阵，则设计是非耦合的，即设计参数的每个元素满足一个对应的功能向量元素；如果[A]是上三角阵或下三角阵，则此设计是解耦的，即可以通过调整设计参数逐一满足功能向量的每个元素；如果[A]既不是对角阵也不是三角阵，则此设计是耦合的。

方程

（2）中矩阵[B]同样定义了设计由过程域到物理域间的耦合性。

如果一个设计满足给定功能的概率为p，则此设计的信息度定义为

I=log（1/p）

公理设计第一公理（独立性公理）：

保持功能向量的独立性，即设计矩阵[A]应该是对角阵或三角阵。

如果一个功能仅由一个设计参数实现，那么这个设计参数满足功能要求的程度就比较容易取得，调整设计参数也比较容易。

如果功能向量是耦合的，为一个功能的优化调整设计参数将影响到其它功能的实现。

公理设计第二公理（信息度公理）：

将设计内容的信息度降到最低。

信息度低则意味着系统满足功能要求的概率高，从而系统的可靠度就高。

推论1如果一个系统的功能向量是耦合的或相互关联的，将它们解耦或分离

推论2将功能向量的元素和约束的个数减到最少

推论3如果功能向量能够满足，将所有的设计整合到同一物体上

推论4只要满足功能和约束要求，采用标准、可换的原件

推论5只要满足功能和约束要求，采用对称形状或原件

推论6定义功能要求时，采用最大允许误差

推论7当耦合设计和解耦设计都能满足同样功能要求时，采用解耦设计

各相关专业历史简介

1、中国塔吊的发展史

据考证，塔机发明于20世纪之初的欧洲。

1900年有了第一个塔机专利，1905年出现了塔身固定的臂架式起重机，第一次、二次世界大战后塔机得到快速发展，近年更是呈现型式多样、需求旺盛的局面。

中国塔机始于20世纪50年代。

50年来，我国塔机行业从无到有，从小到大，逐步形成了较为完整的体系和比较完整的系列型谱，塔机成为建筑施工中的关键设备，塔机行业也成为我国发展最快的建筑机械行业之一。

我们只用了50年时间走完了国外发达国家上百年的发展路程，如今中国塔机已经批量走进国际市场。

目前我国已成为世界塔机生产大国，也是世界塔机主要需求市场之一。

回顾塔机百年历史、中国塔机50年史，展望塔机行业未来，期待中国塔机尽快由生产大国迈向生产强国。

1国内塔机50年回顾

50年代初，我国塔机由仿制开始起步，1954年仿制东德建筑师Ⅰ型塔机；60年代自行设计制造了25tm、40tm、60tm几种机型，多以动臂式为主；70年代，随着高层建筑的增多，对施工机械提出了新的要求，于是，160tm附着式、45tm内爬式、120tm自升式等塔机相继问世；80年代，国家建设突飞猛进，建筑用最大的250tm塔机QTZ250应运而生。

特别是1984年，通过引进法国POTAIN（波坦）公司F0/23B、H3/36B技术大大缩短了与国外的差距，使我国塔机发展步入快行道。

进入21世纪后，塔机年产销量连超1万台、２万台大关，出口量连续翻番。

近20年来，我国塔机行业发展呈现了以下一些特点。

1.1　市场需求强劲产销持续旺盛

自上世纪80年代以来，我国塔机行业得到快速发展（表1），尤其近几年，塔机销量持续攀高，2001年行业统计销量9738台，2002年成为世界上首个塔机年产量突破10000台的国家。

2004年，由于宏观调控作用以及起重机行业的结构调整，塔机的产销量有所回落，2005、2006年，在经济高速增长的强力拉动下，我国塔机的产销恢复高速增长，2006年销量已超过2万台。

由于行业管理及统计的局限性，塔机产销量历来是一个大家都想知道而谁也说不清的数字，因为行业统计只统计了二三十家生产企业的销量，全行业销量肯定远远超过统计数字，本刊根据采访的部分业内专家给出了估计数字，见图1，供读者参考。

勿庸置疑，我国已成为世界民用塔机的生产大国，也是世界塔机主要需求市场之一。

据初步统计，目前我国取得生产许可证的塔机生产厂达400余家，而80年代还不足100家。

1.2　引进技术迅速提升行业水平

1984年，国家批准四川建筑机械厂、沈阳建筑机械厂、北京建筑工程机械厂联合从法国波坦公司引进塔机专有技术及生产许可证，引进H3/36B等3种型号塔机技术，并于次年成功试制了FO/23B塔机，这是我国塔机发展史上的里程碑，大大缩短了与国外的差距，使我国塔机发展步入了快行道。

通过消化、吸收国外先进技术，我国80年代自行研制的QT80、QTZ120两种机型已达到国外当时同类产品的水平。

进入90年代，特别是“九五”以来，现代化进程不断加快，国内外市场对塔机要求越来越高，众多城市大型建筑如雨后春笋，水利、电力、桥梁等大型工程不断上马，我国塔机行业通过攻关，认真研究国外技术、结合国情开发出不少好产品，先后有400tm、900tm水平臂和300tm动臂式塔机问世，主要性能达到了国外90年代水平，并有起重布料两用塔机、平头塔机等走向市场，这一系列新产品的开发填补了国内空白，替代和减少了大型塔机的进口数量。

开发过程中也解决了部分制约我国塔机发展的关键问题，如解决了大功率起升机构的无级变速、ＰＬＣ控制问题，解决了塔机的遥控技术问题，等等。

2006年四川建设机械（集团）股份有限公司推出了最大起重量达60t的超大型塔机M1500（1500tm），创下了国内塔机行业最大吨位的纪录。

抚顺永茂建筑机械有限公司推出了国产最大吨位的平头塔机STT55

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