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浙江海洋學院 畢業(yè)論文（設計）任務書 表1 姓 名 李林 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 C07機械（2） 題 目 伸縮升降臺伸縮系統(tǒng)設計 題目來源 指導教師 黃添彪 職稱 工程師 任務下達日期 2010年12 月5 日 論文（設計）起止日期： 2010年12月6 日 至2011年6月2日 學生（簽名）：李林 畢業(yè)論文（設計）計劃任務（目的、任務、計劃進度、措施、預期結果）： 一、目的：可以使學生進一步熟悉裝備設計的工作過程，鞏固機械設計制造及其自動化的知識，提高識圖能力和利用CAD等應用軟件進行繪圖的能力，提高應用已學知識分析實際問題的能力，提高調查與查閱資料的能力，提高書面表達能力。為今后從事械設計制造及其自動化工作奠定必要的工作基礎。 二、 設計任務：設計伸縮臺伸縮系統(tǒng)設計總裝圖一張（A0）,設計該伸縮臺伸縮系統(tǒng)零件圖五張（A3），撰寫設計說明書一份(不少于12000字)。設計說明書要依據充分,計算正確,文字通順,條理清楚,數據準確,書寫工整。 查找有關設計資料，認真閱讀，撰寫文獻綜述等；選取相關的合理數據，進行認真計算，確定完善的設計方案。 三、研究工作計劃進度： 2010年12月6日- 2011年2月15日，完成開題報告、外文翻譯、文獻綜述等； 2011年2月16日-2011年3月2日，初稿校對完成； 2011年3月，接受學校初期檢查； 2011年4月，接受學校中期檢查； 2011年5月-6月，接受學校后期檢查； 2011年6月1日-6月8日，答辯前的準備； 2011年6月9日-6月11日，答辯. 四、措施：本課題是指導老師的預研課題。其意義是為今后承接此類企業(yè)課題做準備。 原始數據：伸縮臺伸縮系統(tǒng)示意圖。伸縮臺伸縮系統(tǒng)要求：能裝載5t自動往反行走于間隔12000間距上自動關停，在工作過程中，能主動識別遇障并在碰撞前主動停止前行工作，避免事故發(fā)生。伸縮臺伸縮系統(tǒng)屬于非標專機生產。從零件結構特征、伸縮臺伸縮系統(tǒng)的性能、技術要求及結構工藝性的分析；伸縮臺伸縮系統(tǒng)的設計；驅動系統(tǒng)設計；驅動輪與從動輪零件的結構設計和計算等。伸縮臺伸縮系統(tǒng)設計方案正確完善, 伸縮臺伸縮系統(tǒng)動作原理正確,圖紙表達準確無誤,尺寸及偏差,形位公差,粗糙度等標注正確。伸縮臺伸縮系統(tǒng)零件選材合理,熱處理及硬度標注準確。設計說明書計算無誤, 條理清楚,依據充分,有自己的見解。 1、選取適用的馬達與遇障識別報警裝置。校核:承載件尺寸,承載物允許的承載輪厚度,往反間行程,驅動電機功率。 2、確定伸縮臺伸縮系統(tǒng)結構; 　?、偕炜s臺伸縮系統(tǒng)結構設計。 ② 驅動輪的的設計。 ③ 限位螺桿的設計。 ④彈簧的設計。 ⑤ 限位裝置的選擇。 ⑥ 限位機構固定座的設計。 　?、?輪軸的設計。 3、伸縮升降臺伸縮系統(tǒng)工作行程尺寸的計算。 五、預期結果：在同學和指導老師的幫助下，在預定期限內完成對伸縮系統(tǒng)設計。 參考資料：（20種左右） 教研室意見： 指導小組組長 或教研室負責人（簽名）： 年 月 日 - I 伸縮升降臺伸縮系統(tǒng)設計 目錄 1. 國內外伸縮升降臺的發(fā)展形勢 ........................................................................................1 1.1 國外伸縮升降臺的發(fā)展形勢 ...........................................................................................1 1.2 國內伸縮升降臺的發(fā)展形勢 ...........................................................................................2 1.3 課題研究的目的意義及主要內容 ..................................................................................3 1.3.1 課題研究的目的意義 ...................................................................................................3 1.3.2 課題研究的主要內容 ...................................................................................................3 2 伸縮升降臺的應用及其受力分析的討論 .........................................................................3 2.1 伸縮升降臺的二種結構形式 ...........................................................................................3 2.2 伸縮升降臺機構的位置參數計算 ..................................................................................4 2.3 伸縮升降臺機構的動力參數計 .......................................................................................6 2.4 針對性比較小實例： ......................................................................................................6 2.5 伸縮升降臺機構中分析 ...................................................................................................7 2.5.1 問題的提出： ................................................................................................................7 2.5.2 兩種布置方式的分析和比較： ....................................................................................8 3 臺板與叉桿的設計計算 ....................................................................................................20 3.1 確定叉桿的結構材料及尺寸 .........................................................................................20 3.2 橫軸的選取 .....................................................................................................................22 4 伸縮升降臺基于三維虛擬制造與運動仿真 ...................................................................24 4.1 建模 ................................................................................................................................24 4.1.1 支撐桿 ..........................................................................................................................24 4.1.2 長橫桿 ..........................................................................................................................24 4.1.3 短橫桿 ..........................................................................................................................25 4.1.4 導向軸 ..........................................................................................................................25 4.1.5 連接桿 ..........................................................................................................................25 5.1.6 平臺 ..............................................................................................................................26 5.1.7 機座 ..............................................................................................................................26 - II 5.2 裝配 ................................................................................................................................27 4.3 仿真 ................................................................................................................................27 4.3.1 工作表 ..........................................................................................................................27 4.3.2 運動曲線 ......................................................................................................................28 4.3.3 創(chuàng)建連桿 ......................................................................................................................28 4.3.4 創(chuàng)建運動副 ..................................................................................................................28 5 伸縮升降臺數學模型的建立 ...........................................................................................29 5.1 伸縮升降臺簡介 ............................................................................................................29 5.2 伸縮升降臺的模塊劃分 ................................................................................................30 5.3 伸縮升降臺數學模型分析 ............................................................................................30 5.3.1 虛位移原理 ..................................................................................................................30 5.3.2 單桿的運動分析 ..........................................................................................................31 結 論 ...............................................................................................................................35 致 謝 ...............................................................................................................................36 參考文獻 ...............................................................................................................................37 附錄： - III 摘 要 長期以來伸縮升降臺的研制一直采用傳統(tǒng)的方法，它的生產周期長，物理樣機制造成 本高，而且當產品制出后，經常會出現部件、零部件之間相互干涉，而無法裝配等問題。 本文介紹了應用美國公司進行伸縮升降臺單體虛擬制造和運動仿真的過程。利用對建立 的伸縮升降臺單體的各零部件三維實體模型進行約束和連接裝配，形成伸縮升降臺單體 整體裝配，然后通過軟件進行運動仿真，仿真結果表明，可以利用該仿真平臺對伸縮升 降臺進行性能和結構設計分析，這種方法提高了伸縮升降臺設計的效率和準確性，具有 一定的實用價值，為將來樣機實驗奠定了基礎。 關鍵詞：虛擬樣機技術；仿真；伸縮升降臺 - II Abstract Since long ago the elevator development always uses traditional the method, its production cycle is long, the physical prototype production cost is high, moreover after product generating, can appear between frequently the part, the spare part interferes mutually, but is unable to assemble and so on the questions. This article introduced software carries on the elevator monomer hypothesized manufacture and the movement simulation process using American .. Carries on the restraint and the connection assembly using GU to the establishment elevator monomer various spare parts three dimensional full-scale mockup, forms the elevator monomer whole assembly, then inducts throh connection software to carry on the movement simulation, the simulation result indicated, This method enhanced the efficiency and the accuracy which the precision planter designs, has certain practical value, will be the future prototype experiment has laid the foundation. Key word： Virtual prototyping; simulation ; Elevat I 1. 國 內 外 伸 縮 升 降 臺 的 發(fā) 展 形 勢 1.1 國 外 伸 縮 升 降 臺 的 發(fā) 展 形 勢 對垂直運送的需求與人類的文明一樣久遠，最早的伸縮升降臺使用人力、畜力和水 力來提升重量。升降裝置直到工業(yè)革命前都一直依靠這些基本的動力方式。 古希臘時，阿基米德開發(fā)了經過改進的用繩子和滑輪操作的升降裝置，它用絞盤和 杠桿把提升繩纏繞在繞線柱上。 公元 80 年，角斗士和野生動物乘坐原始的伸縮升降臺到達羅馬大劇場中競技場的高 度。 中世紀的紀錄包括無數拉升升降裝置的人和為孤立地點進行供給的圖案。其中最著 名的是位于希臘的圣巴拉姆修道院的伸縮升降臺。這個修道院位于距離地面大約 61 米高 的山頂上，提升機使用籃子或者貨物網，運送人員與貨物上下。 1203 年，位于法國海岸邊的一座修道院的伸縮升降臺安裝于使用一個巨大的踏輪， 由毛驢提供提升的動力，通過把繩子纏繞在一個巨大的柱子上，負重就被提升了起來。 18 世紀，機械力開始被用于伸縮升降臺的發(fā)展。1743 年，法國路易十五授權在凡爾 賽的私人宮殿安裝使用平衡物的人員伸縮升降臺。 1833 年，一種使用往復桿的系統(tǒng)在德國哈爾茨山脈地區(qū)升降礦工。 1835 年，一種被稱為“絞盤機”的用皮帶牽引的伸縮升降臺安裝在英國的一家工廠。 1846 年，第一部工業(yè)用水壓式伸縮升降臺出現。然后其他動力的升降裝置緊跟著很 快出現了。 1854 年，美國技工奧蒂斯發(fā)明了一個棘輪機械裝置，在紐約貿易展覽會上展示了安 全伸縮升降臺。 1889 年，埃菲爾鐵塔建塔時安裝了以蒸汽為動力的伸縮升降臺，后改用電梯。 1892 年，智利阿斯蒂列羅山的升降設備建成，直到現在，15 臺伸縮升降臺仍然使用 著 110 多年前的機械設備。 目前，瑞士格勞賓登州正在興建的“圣哥達隧道”是一條從阿爾卑斯山滑雪勝地通 往歐洲其他國家的地下鐵路隧道，全長 57 公里，預計 2016 年建成通車。在距地面大約 800 米的“阿爾卑斯”高速列車站，將興建一個直接抵達地面的伸縮升降臺。建成后，它 將是世界上升降距離最長的一部伸縮升降臺了。旅客通過伸縮升降臺抵達地面后，便可 搭乘阿爾卑斯冰河觀光快速列車，兩個小時后就能到達山上的度假村了。汽車舉升機在 世界上已經有了 70 年歷史。1925 年在美國生產的第一臺汽車舉升機，它是一種由氣動控 制的單柱舉升機，由于當時采用的氣壓較低，因而缸體較大；同時采用皮革進行密封， 因而壓縮空氣驅動時的彈跳嚴重且又不穩(wěn)定。直到 10 年以后，即 1935 年這種單柱舉升 機才在美國以外的其它地方開始采用。 II 1966 年，一家德國公司生產出第一臺雙柱舉升機，這是舉升機設計上的又一突破性進展， 但是直到 1977 這種舉升機才在德國以外的其它國家出現?，F在雙柱舉升機在市場上以占 據牢固的地位，其銷量還在持續(xù)增長。它和四柱舉升機相比，既有優(yōu)點 1.2 國 內 伸 縮 升 降 臺 的 發(fā) 展 形 勢 國升降機行業(yè)從僅能對升降機進行簡單的維護、保養(yǎng)，逐步發(fā)展成為集研發(fā)、生產、銷 售、安裝、服務五位一體的高新科技產業(yè)。據統(tǒng)計，2004 年底，中國大陸的在用升降機 總數已達 651794 臺。 有關專家曾表示，我國已超過日本成為世界最大的新裝升降機市場。由于房地產業(yè)、 城市公共建設等產業(yè)發(fā)展迅速，預計未來 10 年，我國的升降機市場仍將保持每年 20%的 遞增速度，年平均銷售額至少 500 億美元。 2006 年，中國巨大的升降機市場吸引了全世界幾乎所有升降機企業(yè)的關注，中國國 際升降機展在廊坊成功舉辦，為全球升降機企業(yè)展示、交流提供了平臺。2006 年全球升 降機市場銷售額為 300 億歐元，其中中國市場銷售額占 33%，在全球銷售額中名列前茅。 2007 年，隨著中國房地產業(yè)的迅猛發(fā)展，升降機市場需求不斷擴大，外資品牌主導 中國升降機市場，國內品牌保持了發(fā)展的強勁勢頭同時中國升降機產品的結構調整速度 加快，2006—2007 中國升降機產量雖然略有波動，但仍保持良好的發(fā)展勢頭。 2008 年，中國的升降機市場被世界看好，隨著中國升降機產業(yè)的不斷成熟，對升降 機技術要求越來越高，升降機價格競爭也越演越烈。2008 年 4 月中國國展升降機展在廊 坊盛大開幕，再次為全球升降機企業(yè)提供交流發(fā)展平臺，展會其間各大升降機企業(yè)，如： 日立、東芝、永大等不僅展出了先進的產品和技術，現場活動也都各具特色，各各方面 都彰顯升降機行業(yè)繁榮景象。 然而，08 年 8 月受美國次貸危機的影響,全球經濟市場出現內需萎縮。在中國本土市 場，受房地產下滑，以及各種不利因素影響，直接降低了升降機市場的增幅，中國升降 機市場風光大減。中國本土的升降機企業(yè)正經受著考驗，迎來了中國升降機發(fā)展史上第 一個嚴冬，各大、中、小升降機企業(yè)為度過這個嚴冬都做出了最大的努力。這個冬天雖 然冷,但對加速中國升降機行業(yè)整合，提高企業(yè)競爭力，進一步適應國際市場是一種積極 的推進。 縱觀中國升降機業(yè)發(fā)展歷程，升降機企業(yè)在飛速發(fā)展，不論是技術革新、企業(yè)規(guī)模、 管理方法，中國升降機企業(yè)的競爭力在加強?，F在的局勢正是對中國本地升降機企業(yè)最 嚴峻考驗，有專家分析，全球金融危機雖然在短期內為中國經濟增長帶來了負面影響， 但長期來看，卻不失為一次機遇與挑戰(zhàn)并存的戰(zhàn)略性轉折機會。企業(yè)需要理性的思索， 并通過提高戰(zhàn)略能力來掌控未來。 III 1.3 課 題 研 究 的 目 的 意 義 及 主 要 內 容 1.3.1 課 題 研 究 的 目 的 意 義 運動仿真是/CAE（Computer Aided Engineering）模塊中的主要部分，它能對任何二 維或三維機構進行復雜的運動學分析、動力分析和設計仿真。通過/Modeling 的功能建立 一個三維實體模型，利用/Motion 的功能給三維實體模型的各個部件賦予一定的運動學特 性，再在各個部件之間設立一定的連接關系既可建立一個運動仿真模型。/Motion 的功能 可以對運動機構進行大量的裝配分析工作、運動合理性分析工作，諸如干涉檢查、軌跡 包絡等，得到大量運動機構的運動參數。通過對這個運動仿真模型進行運動學或動力學 運動分析就可以驗證該運動機構設計的合理性，并且以利用圖形輸出各個部件的位移、 坐標、加速度、速度和力的變化情。 1.3.2 課 題 研 究 的 主 要 內 容 原始數據：伸縮臺伸縮系統(tǒng)示意圖。伸縮臺伸縮系統(tǒng)要求：能裝載 5t 自動往反 行走于間隔 12000 間距上自動關停，在工作過程中，能主動識別遇障并在碰撞前主 動停止前行工作，避免事故發(fā)生。伸縮臺伸縮系統(tǒng)屬于非標專機生產。從零件結構 特征、伸縮臺伸縮系統(tǒng)的性能、技術要求及結構工藝性的分析；伸縮臺伸縮系統(tǒng)的 設計；驅動系統(tǒng)設計；驅動輪與從動輪零件的結構設計和計算等。伸縮臺伸縮系統(tǒng) 設計方案正確完善, 伸縮臺伸縮系統(tǒng)動作原理正確 ,圖紙表達準確無誤,尺寸及偏差, 形位公差,粗糙度等標注正確。伸縮臺伸縮系統(tǒng)零件選材合理,熱處理及硬度標注準 確。設計說明書計算無誤, 條理清楚,依據充分,有自己的見解。 2 伸 縮 升 降 臺 的 應 用 及 其 受 力 分 析 的 討 論 2.1 伸 縮 升 降 臺 的 三 種 結 構 形 式 本討論的目的通過分析氣液動類的伸縮升降臺機構特點，論述了設計時應注意的問 題及其應用范圍。氣液動伸縮升降臺具有制造容易、價格低廉、堅實耐用、便于維修保 養(yǎng)等特點。在民航、交通運輸、冶金、汽車制造等行業(yè)逐漸得到廣泛應用。本設計中主 要側重于小型家用式的伸縮升降臺。在設計氣液動伸縮升降臺的過程中，一般我們會考 慮如下二種設計方案，如簡圖 2-1 所示： IV 圖 2-1 固定機構，通過分析計算可知，平臺的升降行程大于導向軸的行程，在應用過程中 可以實現快速控制升降的目的，但不足之處是連接桿桿受到橫向力的作用，影響密封件 的使用壽命。而且連接桿桿所承受的載荷力要比實際平臺上的載荷力要大的多。 2.2 伸 縮 升 降 臺 機 構 的 位 置 參 數 計 算 （2-1） 21/sin(cos),CLHll???? （2-2） 22()co;T? V 上式中： H——任意位置時伸縮升降臺的高度； C——任意位置時鉸接點 F 到鉸接點 G 的距離； L——支撐桿的長度； ——支撐桿固定鉸支點 A 到鉸接點 F 的距離；l T——機架長度（A 到 G 點的距離） ； ——連接桿桿與線的夾角。? 以下相同。 將（2-2）式代入（2-1）式，并整理得 。 （2-3） 221/[()]HLCllT??? 設 代入（2-3）式得00/,/,H?? 。 （2-4） 221/200()[]ll? 在（4）式中， ——伸縮升降臺的初始高度；0H ——導向軸初始長度。C 伸縮升降臺機構的運動參數計算： 是 F 點的絕對速度； 是 B 點絕對速度； 是 AB 支撐桿的速度；VV1? 是導向軸連接桿平均相對速度； 是伸縮升降臺升降速度。由圖 3 可知：1 21112,sin()sin(),,coscs,in()FBllLlVV????????? （2-5）1i()Ll???。 在（2-5）式中， ——導向軸連接桿平均相對運動速度；1V ——伸縮升降臺升降速度；2 ——支撐桿與線的夾角。? 以下相同。 2.3 伸 縮 升 降 臺 機 構 的 動 力 參 數 計 P 是由推力，Q 是伸縮升降臺所承受的重力載荷。通過分析機構受力情況并進行計算 VI （過程省略）得出： 伸縮升降臺上升時 ； coscosincostan[tan()( )]sin()22icosQLfLbfbPbfl???? ?????? （2-6） 伸縮升降臺下降時 ssist[t()( )]si() coinsfffl ? （2-6）式中， P——推力； Q——伸縮升降臺所承受的重力載荷； f——滾動摩擦系數； b——載荷 Q 的作用線到上平板左鉸支點 M 的距離。 由于滾動輪與導向槽之間為滾動摩擦，摩擦系數很?。╢=0.01）,為簡化計算，或忽 略不計。 3 臺 板 與 叉 桿 的 設 計 計 算 臺板位于伸縮升降臺的最上部，是支撐件的組成部分。汽車能夠在伸縮升降臺上平 穩(wěn)的停放就是臺板起了關鍵的作用。在進行維修作業(yè)之前首先得駛上臺板。需要說明的 是臺板并不是一個簡單的鋼板，而是在下面有滑道，因為伸縮升降臺叉桿臂上有滑輪， 滑道的作用就是使滑輪在滑道內來回滑動，使伸縮升降臺完成舉升和回落動作。下底板 也如此，如下圖。 根據上面汽車尺寸參數，確定臺板的長度為 2600mm，寬度 450mm，材料采用熱軋鋼 板。其形狀見圖紙。需要說明的是臺板并不是一個簡單的鋼板，而是在下面有滑道，因 為伸縮升降臺叉桿臂上有滑輪，滑道的作用就是使滑輪在滑道內來回滑動，使伸縮升降 臺完成舉升和回落動作。 叉桿是伸縮升降臺最主要的舉升部件，是主要的受力機構。對其設計的成功與否關 系到整個設計工作的成敗，選材 45 號鋼，熱軋鋼板。叉桿的外形圖如圖所示。 VII 3.1 確 定 叉 桿 的 結 構 材 料 及 尺 寸 1.對支撐叉桿進行受力分析 首先定義每根桿的名稱編號， 對于桿 3、桿 4 的活動鉸聯(lián)接在方向上除了摩擦力沒有其它外力，所以可以忽略不計， 現在只考慮其豎直方向上的受力就可以了。經過分析桿 3 的受力情況如圖： 圖 4-1 計算其最大彎矩及軸向力： 經力學分析，當伸縮升降臺處于最低位置， 時，所受彎矩最大，如圖。5???225678maxWlcoscosMl.Nm??? 當伸縮升降臺處于最高位置， 時，軸向力最大，如圖30? ， （正值為拉力，負值為壓力） 。1254D'BNsinN??125BA'N?? 桿 4 受力情況同桿 3。 下面再分析一下桿 1,對桿 1 作受力分析，如圖 對 D 點做力矩分析： ，可得 = -423Ax PWllFlsinlcoscsin()??????AxF 110.1N。 計算彎矩，由上圖可轉化成下圖來分析： VIII 圖 4-2 由此圖可知，桿 1 的最大彎矩在 C 點。經計算當 時， 有最大值，即擁有最5???cR 大彎矩，同樣此時也擁有最大的軸向力。首先將 ，W=9800N，P=11.6W （P 與 W 的 關系值根據上述的公式 求得）代入以上各式，求得的值如2cossin()i()lPWa????? 下圖： 圖 4-3 則。 215236maxABM(R)lNm????? 計算軸向力，同樣將桿 1 的受力分析圖再轉化為軸向力圖分析，如圖： 經分析計算，CD 段受到的軸向壓縮力最大， 。由于剛剛計算出的桿 3 與桿5492CDTN? 4 的最大彎矩和最大軸向力都小于桿 1 的值，故不對桿 3 桿 4 計算工作應力。計算桿 1 該 狀態(tài)下的工作應力，設叉桿橫截面積 A=bh,如圖： 圖 4-4 則該狀態(tài)下的工作應力為 max22 651649[],C sNhMbhAbn????????? 其中， ——叉桿實際工作應力 ,? ——材料許用應力，[] IX ——材料的極限應力，對于 45 號鋼，為 340Mpa s? n——安全系數,一般為大于 1 的值，這里取 n=2。 根據經驗初選 h=0.1m。 由此式可以看出彎矩對工作應力 的影響較軸向力要顯著的多，所以在計算時應以? 最大彎矩為主要計算對象。桿 1 所承受的最大工作應力。桿 1 的 C 截面擁有最大彎矩， 即可以認為 C 截面擁有最大的工作應力。我們按照最大工作應力來選取合適的叉桿截面。 將 h=0.1m 代入上式： 最大工作應力 。這里取 ，即叉桿的橫截面為 365702.3.MPabmb?????25bm? 100 25 。hb?2m 3.2 橫 軸 的 選 取 選取套聯(lián)在連接桿桿端部的橫軸，根據總體結構布局確定橫軸長度需要 220mm，由 于是單耳環(huán)聯(lián)接，其內徑 CD=50，橫軸的外徑也應為 50mm,但考慮到二者需要相對滑動， 應使橫軸的外徑略小于 50mm,這里取 d=48mm。單耳環(huán)的寬度值 EW=60mm。將叉桿要聯(lián) 接到橫軸處的孔進行加長處理，使兩者接觸面積適當的增大以減小彎曲應力及及剪應力。 因此可按下圖分析橫軸所受應力： 圖 4-5 當 5???時，P=113680N，可求得 568402ABPRN? 。作用于橫軸上的力 圖 4-6 P 是均勻分布的，分布距離為 60mm，故集度為： 613680.91/.qNm?? ，截面 O 上 的最大彎矩為 0.30.8542.AMRqNm???? ，截面 C 和 D 上的剪力5684AQN? （這里沒有考慮剪力與彎矩的正負） 。 其彎曲應力為 3 254.16[]Mpad????? 剪應力 220.[]84P??? X 對于其它幾個銷軸，由于所受的應力都小于上述值，在不改變材料的基礎上選擇直徑各 為 35mm、40mm 是完全可以的，這里就不一一校核了。 4 伸 縮 升 降 臺 制 造 與 運 動 仿 真 4.1 建 模 4.1.1 支 撐 桿 圖 5-1 繪制支撐桿草圖,退出草圖 ,拉伸,方向 1 和方向 2 均為 25mm，選擇基準平面，在拉伸方向 中間創(chuàng)建一個基準面，右擊該平面，插入一草圖，繪制并標注，雙向拉伸，右擊該基準 面，插入另一草圖，繪制并拉伸該草圖，在彈出的拉伸對話框中插入數值得到拉伸體。 再次拉伸該草圖，選取其反向，在基準面另一側得到相同的拉伸體。如圖 5-1 4.1.2 長 橫 桿 圖 5-2 XI 繪制長橫桿草圖，退出草圖，旋轉，得到長橫桿。如圖 5-2 4.1.3 短 橫 桿 圖 5-3 在前視基準面中繪制短橫桿草圖，退出草圖，旋轉，得到短橫桿如圖 5-3 4.1.4 導 向 軸 圖 5-4 繪制導向軸草圖，退出草圖，繞圖中底線旋轉，選擇截面得導向軸截面視圖在 x-y 平面 插入草圖，繪制草圖，拉伸，方向 1 和方向 2 均為 10mm，得到導向軸造 型。如圖 5-4 4.1.5 連 接 桿 圖 5-5 繪制連接桿草圖,退出草圖,旋轉。在 x-y 平面插入草圖，繪制草圖，拉伸切除，方向 1 和 方向 2 均完全貫穿。得到連接桿造型。 XII 4.1.6 平 臺 圖 5-6 畫草圖拉伸的一長方體插入基準面，在距離 x-z 平面 -235mm 處插入一個基準面，在此基 準面上繪制草圖，退出草圖，向-y 方向拉伸，距離為 25mm。選擇鏡像特征， 選取以上得到的體特征，以在 x-z 平面內的體側面，鏡像得到。如圖 5-6 4.1.7 機 座 圖 5.1.7 繪制基座草圖，退出草圖，拉伸，距離為 100mm?；鶞势矫妫x取拉伸體的兩個側 面，在這個面的中間平面上創(chuàng)建一個基準面在剛創(chuàng)建的基準面上插入草圖，繪制草圖， 拉伸該草圖，在彈出的拉伸對話框中輸入數值，得到拉伸體。選取其反向再次拉伸該草 XIII 圖，在基準面另一側得到相同的拉伸體。如圖 5.1.7 4.2 裝 配 圖5-8 建立一個新模型文件，以文件名“zhuangpeitu”保存該文件。打開裝配應用模塊，開 始裝配。 （1）選擇添加組件，插入機座和支撐桿；選擇對齊和中心對稱，同理將其它支撐桿裝 配上。 （2）選擇添加組件，插入長橫桿；選擇中心裝配，使長橫桿與支撐桿同心裝配；然后 再選擇對齊裝配，使長橫桿端面與支撐桿配合。 （3) 選擇添加組件，插入導向軸；選擇中心裝配；選擇配對裝配，使其與機座上的支撐 同軸心配合以及與側面重合配合。 （4）選擇添加組件，插入連接桿；選擇中心裝配，分別使其與導向軸同心軸配合，與 長橫桿同軸心配合。 （5）右鍵選擇機座使機座顯示其草圖、基準平面等所有對象，在裝配菜單中選擇鏡像裝 配。在鏡像裝配向導中選擇下一步，選擇四個支撐桿作為要鏡像的組件，選擇機座中顯 示的基準面作為鏡像面，最后單擊完成，完成鏡像裝配。 （6）插入平臺，選擇中心裝配；選擇配對裝配選擇平行裝配。完成裝配圖如圖 5.1.8。 4.3 仿 真 4.3.1 工 作 表 圖表5-1 XIV 4.3.2 運 動 曲 線 圖5-2 4.3.3 創(chuàng) 建 連 桿 本機構的伸縮升降臺運動仿真，需要定義個連桿。 （1）機座、支撐坐（固定連桿） 、輪桿為第一連桿； （2）支撐桿、短橫桿、長橫桿為各分別為一連桿; （3）前輪、后輪各為一個連桿； （4）導向軸、連接桿各為一個連桿。 4.3.4 創(chuàng) 建 運 動 副 （1）轉動副 輪桿與輪子、支撐桿與長橫桿、支撐桿與短橫桿、導向軸與機架等共 13 個轉動副； （2）滑動副 輪子與地面、1 個導向軸共 2 個滑動副； （3）平行副 短橫桿、平臺共 2 個平行副； （4）固定副 輪子與地面 1 個固定副，總共有 22 個運動副。 5 伸 縮 升 降 臺 數 學 模 型 的 建 立 5.1 伸 縮 升 降 臺 簡 介 伸縮升降臺的結構形式多種多樣，從低起升到高起升，組成剪叉臂桿的數目多，油 XV 缸的布置形式多；移動方式有牽引式、自動式、助力式等。從組成方式看，伸縮升降臺 主要由底座、剪臂結構、工作平臺三部分組成。伸縮升降臺的底座一般有三種：一是適 合很少移動的固定式底座。這種伸縮升降臺穩(wěn)定性好，一般起升高度較低，承載較大并 工作在室內，主要用于生產流水線高度差之間貨物運送。根據使用要求，可以配置附屬 裝置，盡最大限度的發(fā)揮伸縮升降臺的功能，取得最佳的使用效果。 5.2 伸 縮 升 降 臺 的 模 塊 劃 分 雖然伸縮升降臺的結構型式多種多樣，從低起升到高起升，組成剪叉臂桿的數目多， 油缸的布置形式多，但不論型式多復雜，從組成方式來看，伸縮升降臺主要由底座、起 升工作臂和工作平臺三部分組成。而起升工作臂總是伸縮升降臺鋼結構的主體，也是關 鍵的受力件。通過分析將伸縮升降臺按油缸推動剪叉數量進行分層，即一油缸推動一副 剪叉分為一層，一油缸推動兩副剪叉或一油缸推動三副剪叉也可以分為一層，這樣分層 后就可以將多層伸縮升降臺按層進行模塊劃分，可以簡化數學模型的建立及公式推導的 方便性。單側剪叉臂桿按油缸層可看成由一個油缸推一副剪叉的結構；一個油缸推兩副 剪叉單層的結構；一個油缸推三副剪叉單層的結構，這三種單層型式是最簡單的，各種 大起升高度復雜的型式都可以在此基礎上增加剪叉及油缸數量而得到。因此通過歸納各 種形式的伸縮升降臺，依對稱性按油缸推動剪叉數量可劃分為三種基本構件組，即一油 缸推一副剪叉（一般都只有單層）為一個構件組；一油缸推兩副剪叉（單層或多層）為 一個構件組；一油缸推三副剪叉（單層或多層）為一個構件組，這便形成了伸縮升降臺 結構設計計算的三種核心模塊單元。在后面的模型建立及分析過程中，統(tǒng)一將上述三種 構件組分別簡稱為一叉機構、二叉機構和三叉機構。 5.3 伸 縮 升 降 臺 數 學 模 型 分 析 伸縮升降臺的設計主要難點在于正確計算一個油缸所需的最大推力。本論文中通過計 算各個運動點的虛位移，利用虛位移原理求解油缸的推力。通過對伸縮升降臺進行模塊 劃分并加以分析后，需推導出三種模塊油缸的推力公式。 在公式的推導工程中，統(tǒng)一選用與底座的固定鉸接為坐標原點，X 軸正向朝右，Y 軸正向 朝上建立直角坐標系。 5.3.1 虛 位 移 原 理 虛位移原理用功的概念分析系統(tǒng)的平衡問題，是研究靜力學平衡問題的一種方法。虛 位移是指在某瞬時，質點系在約束允許的條件下，可能實現的某種假想的極微小的位移， 它可以是線位移，也可以是角位移。虛位移用符號 δ 表示。虛位移原理是對于具有理想 約束的質點系，作用于質點系的所有主動力在任何虛位移中所作虛功的和為零時才能保 持其平衡。 用虛位移求解力的平衡關鍵是建立各虛位移之間的關系，常用的有三種方法： 1、用作圖法求解出各處的虛位移，直接按幾何關系確定各有關虛位移之間的關 系 2、建立坐標系，選定一合適的自變量，寫出各有關點的坐標，對各坐標進行變 分運算，確定各虛位移之間的關系 3、按運動學方法，假設某處產生虛速度，計算各有關點的虛速度。最后對運動 XVI 方程進行求導 用虛位移原理求解機構受力時，首先解除約束而代以約束力，把結構變?yōu)闄C構， 把約束力當作主動力，即可用虛位移原理求解。 5.3.2 單 桿 的 運 動 分 析 因單桿和 II 級桿組在實際工程中應用最廣泛，在此簡要介紹單桿和 II 級桿組 數學模型的建立及分析方法。 如圖 6-4（a）所示，為一構件 AB。若已知該構件上 A 的位置 Ar ( x, Ay)、速度 Ax、Ay ，加速度 Ax、 y，構件的位置角 θ、角速度 ?、角加速度 ?，則可求出構件 M 上任 一點 B 的位置 Br（ ， B） 、速度 Bx、 y和加速度 Bx、 y。 圖6.4單桿件和Ⅱ級桿組運動分析模型 (a)單構件運動分析模型 (b)Ⅱ級桿組運動分析模型 1）位置分析： Bx= A+ 1lcos? （6-1） y = + in 2）速度分析： 將式（2.1）對時間求一次導數，可得 B 的速度方程為： Bx= A- 1l?1sin= Ax- 1? （ y- A） （6-2）By = A+ 1l?1cos= y+ （ B- ） 3）加速度分析： 將式（2.2）分別對時間求一次導數，可得 B 點的加速度方程為： Bx= A- 1?（ By- A）- 21? （ x- A） （6-3） y= + （ x- ）- （ By- ） 5.3.3Ⅱ 級 桿 組 的 運 動 分 析 如圖 6.4（b）所示的Ⅱ級桿組，若已知運動副 A、 C 的位置 Ar ( x, Ay)、 Cr（ XVII Cx， y） ，速度 Ax、 y、 C、 ，加速度 Ax、 y、 C、 ，桿長 1l、 2，可求內副 B 的位置 Br（ ， B） 、速度 Bx、 y和加速度 B、 ，以及構件 1、2 的位置角 1?、2? ，角速度 1、 2?，角加速度 1?、 2。 位置分析 由圖 3.4（b）可知兩外副 A、C 的位置之間的距離為： d= 22()A?? （6-4） 若 d﹥ 1l+ 2或 d﹤∣ 1l- 2∣，則構件 1、2 無法裝配，此時該 Ⅱ級組不成立。 d 與 的夾角為： ?= 121arcos[()/]ldl （6-5） d 與 x 軸的夾角為： ?= tn/(CACAyx? （6-6） 構件 1 的位置角為： 1= +N? （3.7） 式中，當 A、C、B 三點的順序為逆時針方向時，取裝配模式參數 N=1，反之取 N=-1。 因 B、A 在同一構件上，由式（2.1）可得 B 點的位置方程為： Bx= A+ 1lcos? （3.8） y= +lin 構件 2 的位置角： 2?= arct()/()BCBCyx? （3.9） 速度分析 由同一構件上兩點的速度關系式（2.2）可得： Bx= A- 1? （ By- A）= Cx- 2?（ By- C） （6-7） y= + （ x- ）= + （ - x） （6-8） 令：Q= ()(()(BCABACyx?? 則： 1?=[)()()]/BCABCxxyyQ??? （3.12） 2( /CA A? （3.13） 將 1?代入式（2.10）和（2.11）中，可得點 B 的速度為： 11sin()BAAAxlxy???? （3.14） 1coByl x???? XVIII 加速度分析 由同一構件上兩點的加速度關系式（2.3）可得： 2 21111()()()()BABABACBCBCxyxyx??????? （6-9）2 21111yxyxy?? （6-10） 令：F= C- A+ 21? ()BAx? 2()BC?? G= y- + 21y - 2y 則： 1[()()]/BCBCFxGQ???? （6-11） 2 /AAy （6-12） 將 1代入式（2.15）和（2.16）中，可得點 B 的加速度為： 211()()BABAAxyx???? （6-13） 211Byxy? 5.3.4 有 源 組 的 運 動 分 析 圖 3.5 所示為一缸Ⅱ級組，其 A、B、C 均為轉動副（A 、C 為外副，B 為內副） ，E 為 有壓力源的氣液移動副。 已知：外副 A、C 的位置 r ( x, y)、 Cr（ x， y） ，速度 Ax、 y、 C、 ，加 速度 x、 y、 、 ；桿 2 相對于 3 的位移 s、速度 、加速度 s；尺寸參數已知。 求：內副 B 的位置 B（ ， B） 、速度 B、 和加速度 B、 ，以及桿件 1、3 的位置 角 1?、 2，角速度 1?、 2，角加速度 1?、 2。 位置分析 有源Ⅱ級組的位置矢量方程 BADrr?? （6-14） 將上式投影到直角坐標上，經整理可得 12cos0Ax???? （6-15）iniDy 將上式兩個方程經過整理可以消去含 2?的項 11sincosBC?? （6-16） XIX 2()CABy?? 式中 x 2s? 由三角知識知 12tansi?? 211tanco???? 代入式（2.22） ，整理后可得 211()tat()0BCABC?? （6-17） 解方程可得 21tn????? （6-18） 當模型中 A、B、C 三點的順序為順時針時，取“-”號，反之，取“+ ”號。 次時，可以求出 1cosx （6-19） 1inBAy?? 速度分析 將位置方程對時間 t 求導得并投影到直角坐標軸上得 12 2sinsicosCAx?????????? （6-20） cocy?? 由上式可求出 1()()()()BCABCAABCABCyyxxsxy????? （6-21） 此時，可以求出 1sinAx??? （6-22） coBy? 加速度分析 將速度方程對時間求導并整理得 1321B?? （6-23） 24A? 式中： 11sinAB???， 21cosB?， 32sin， 42cosA?? 21icCAx 222coiiy ?? 由式（2.29）可以求出 1423BA??? （6-24） 此時，可以求出 XX 211(sincos)BAx???? （6-25） iy XXI 結 論 在眾多 CAD 軟件中以其強大的參數化建模功能及強大的裝配功能，在三維實體建模領 域得到了廣泛應用。在眾多的 CAE 軟件中 ADAMS 以其強大的運動學、動力學分析功能在 眾多工程領域里獲得了廣泛的應用。在虛擬樣機技術中，則采用強強聯(lián)合的方式，應用 在各自領域的強大功能，相互補充，形成極強的虛擬樣機軟件組合。極大的推動了虛擬 樣機技術的發(fā)展。 本次設計通過建立伸縮升降臺機的三維實體模型，對建立的伸縮升降臺機單體的各零 部件三維實體模型進行約束和連接裝配，形成伸縮升降臺機單體整體裝配。用中嵌入的 ADAMS 進行伸縮升降臺機單體的動力學仿真，解決了模型傳遞過程了遇到的問題，以及在 仿真過程中遇到的各種問題，并對仿真結果受力數據進行了對比分析，得出伸縮升降臺 測量數據。結果表明，此方法有助于提高伸縮升降臺機的設計和產品性能。 虛擬仿真設計和傳統(tǒng)的機械設計相比節(jié)省制造實體樣機的時間和費用，并可有效縮短 樣機調試時間，從而縮短產品的研發(fā)周期。因此虛擬樣機技術是產品研發(fā)的發(fā)展趨勢， 是現代機械設計方法的趨勢。 XXII 致 謝 首先我要感謝我的指導老師，她在每一個階段耐心和悉心的教導我，并且嚴格的要 求我，她治學嚴謹和認真的科學態(tài)度使我學習到除了知識以外的很多東西。還要感謝農 機班的范建民同學在我運動仿真處對我進行了關鍵的指導。 經過這四個月的畢業(yè)設計，看著自己做出自己的東西，一種喜悅和成就感充塞于胸 中，這段時間我對學過的很多知識有了進一步認識和回顧。另外對建模和運動仿真進行 了一個初步的學習，認識到運動仿真對現在的工業(yè)等很多行業(yè)的作用。 最后感謝我的母校黑龍江八一農墾大學，是她給我提供了大學四年的學習機會，使我 在學到文化知識和專業(yè)技能的同時結識了眾多的良師益友，這些將是我一生中一筆寶貴 的財富。 XXIII 參 考 文 獻 [1] 王裕清，韓成石. 液壓傳動與控制技術. 北京:煤炭工業(yè)出版社,1997. [2] 廖嘉璞，液壓傳動. 北京:北京航空航天大學出版社,1997. [3] 王秀彥，蔡勝利. 升降式工作臺的液壓系統(tǒng)設計. 液壓傳動,1999,3. [4] 魏發(fā)孔.，水平驅動剪刀撐樂池升降機