陳麟，曾顯智，，耿愛(ài)農(nóng)，李辛沫，王大承，陳振杰

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狹窄安裝環(huán)境下大行程升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

陳麟1，曾顯智1，2，耿愛(ài)農(nóng)1，李辛沫1，王大承1，陳振杰2

（1. 五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2. 江門市匯霖電子科技有限公司，廣東 江門 529085）

為滿足狹窄安裝環(huán)境下大行程升降機(jī)構(gòu)的需求，本文設(shè)計(jì)了一種適配電動(dòng)桌的緊湊型大行程升降機(jī)構(gòu)，在傳統(tǒng)螺桿/螺母升降副的基礎(chǔ)上借助鋼絲拉索機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了大行程兩級(jí)升降，并借助分析軟件ANSYS對(duì)該升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析. 樣機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)表明：新型升降機(jī)構(gòu)能在狹窄的筒柱狀桌腿內(nèi)進(jìn)行配裝并穩(wěn)定運(yùn)行，其升降比接近2.5:1，是同類采用傳統(tǒng)螺桿/螺母升降機(jī)構(gòu)的1.5倍；基于該新型升降機(jī)構(gòu)的電動(dòng)桌，其桌面可在至的高度區(qū)間內(nèi)任意調(diào)節(jié)，其承重載荷可達(dá)，能滿足該類產(chǎn)品的使用要求.

升降機(jī)構(gòu)；緊湊型；大行程；電動(dòng)桌

升降機(jī)構(gòu)是能按要求沿指定方向升高或降低的裝置[1-5]，主要應(yīng)用于升降平臺(tái)、起重機(jī)構(gòu)等機(jī)械裝置中. 升降機(jī)構(gòu)主要利用螺旋機(jī)構(gòu)、液壓裝置、氣動(dòng)裝置、折疊式收納結(jié)構(gòu)等來(lái)實(shí)現(xiàn)伸長(zhǎng)或縮短，但傳統(tǒng)的螺旋副升降機(jī)構(gòu)升幅行程較小，液壓裝置則因攜帶液態(tài)油一般被禁止在室內(nèi)使用，氣動(dòng)裝置由于產(chǎn)生氣源的壓縮機(jī)存在噪聲和振動(dòng)而受到使用限制，折疊式收納結(jié)構(gòu)則需要較大安裝空間，因此，對(duì)于一些需要安裝在狹窄空間同時(shí)又需要較大行程的物件上，傳統(tǒng)的升降機(jī)構(gòu)難以滿足要求. 鑒于此，本文以應(yīng)用于電動(dòng)桌的升降機(jī)構(gòu)為例提出一種采用兩級(jí)升降的緊湊型大行程升降機(jī)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電動(dòng)桌的大幅值升降.

1 升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該升降機(jī)構(gòu)安裝在桌腿內(nèi)部的狹窄空間，實(shí)現(xiàn)桌子的自動(dòng)升降（見(jiàn)圖1）. 其中桌腿由地腳、大筒、中筒和小筒組成，大筒與地腳相連、小筒與桌面相連. 升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)有2種方案：方案1采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（如圖1-a），該電機(jī)被安裝在桌板底面并通過(guò)同步帶同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩條桌腿內(nèi)的升降機(jī)構(gòu)，這種方案依靠機(jī)械精度保證兩桌腿的同步升降，可靠性較好且成本相對(duì)低廉；方案2采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)（如圖1-b），即在每一條桌腿內(nèi)均設(shè)置一個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)所配升降機(jī)構(gòu)，這種方案依賴控制設(shè)計(jì)來(lái)確保兩桌腿的同步升降，其特點(diǎn)是對(duì)電控部分要求較高，但是由于每條桌腿及其升降機(jī)構(gòu)為獨(dú)立部件，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配等方面均具有較大優(yōu)勢(shì)，是目前國(guó)外電動(dòng)升降桌采用的主流方案.

a.單電機(jī)同步帶方案 b.雙電機(jī)方案

該升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其組成部分有螺桿、螺母、滑塊、鋼絲拉索、滾輪、U型槽板、上導(dǎo)塊、下導(dǎo)塊、鎖緊塊、背板和底板等. 螺桿與螺母轉(zhuǎn)動(dòng)配合并構(gòu)成傳統(tǒng)的升降單元，其中螺母支撐在U型槽板的一端，螺桿的下端連接有滑塊，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)滑塊跟隨移動(dòng)并受U型槽板的直線約束. 在U型槽板的兩端各配裝有一對(duì)滾輪，鋼絲拉索緊繃地套裝在滾輪的環(huán)形凹槽內(nèi)并形成周長(zhǎng)不變的環(huán)形回路，鋼絲拉索的某個(gè)部位被緊定連接在滑塊上并跟隨滑塊一起運(yùn)動(dòng)，鋼絲拉索的另一部位緊固連接在鎖緊塊上而成為不動(dòng)端，所述鎖緊塊與背板的上端緊固連接. 由滑塊、鋼絲拉索、滾輪、U型槽板、背板和鎖緊塊構(gòu)成第二級(jí)升降單元. 上述升降機(jī)構(gòu)被配裝在大筒、中筒和小筒內(nèi). 其中大筒與底板緊固連接，中筒內(nèi)嵌在大筒之內(nèi)，中筒的外壁面與大筒的內(nèi)壁面組成滑動(dòng)導(dǎo)向升降副，中筒與下導(dǎo)塊連接并跟隨該導(dǎo)塊一起運(yùn)動(dòng)；小筒內(nèi)嵌在中筒內(nèi)，小筒的外壁面與中筒的內(nèi)壁面組成滑動(dòng)導(dǎo)向升降副，小筒與螺桿一起運(yùn)動(dòng).

a.正面 b.背面

1.2 工作原理

新型升降機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng). 電機(jī)的輸出端經(jīng)過(guò)減速裝置后或直接與螺桿上端連接、或通過(guò)同步帶間接與螺桿上端連接. 螺桿與螺母螺旋配合，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)上升時(shí)，螺桿會(huì)相對(duì)于螺母產(chǎn)生軸向位移，從而形成第一級(jí)伸長(zhǎng)；與此同時(shí)，螺桿的下端帶動(dòng)滑塊一起移動(dòng)，進(jìn)而由滑塊帶動(dòng)鋼絲拉索移動(dòng)；當(dāng)鋼絲拉索移動(dòng)時(shí)，由于其被緊固在鎖緊塊上，此時(shí)安裝在U型槽板下端的滾輪成為動(dòng)滑輪并被鋼絲拉索拉抬，從而將U型槽板向上抬升，于是U型槽板相對(duì)于背板產(chǎn)生升降位移，由此形成第二級(jí)伸長(zhǎng)，于是桌面在上述兩級(jí)伸長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)作用下被逐步抬高. 同理，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)螺桿亦反轉(zhuǎn)，此時(shí)螺桿、U型槽板和背板處在收縮狀態(tài)，桌面隨之下降. 注意到螺母與U型槽板一起運(yùn)動(dòng)，因此是螺桿、U型槽板和背板的長(zhǎng)度構(gòu)成了本機(jī)構(gòu)的升降空間，其中小筒跟隨螺桿一起運(yùn)動(dòng)、中筒跟隨U型槽板一起運(yùn)動(dòng)、而大筒則與背板固定不動(dòng)，升降機(jī)構(gòu)工作時(shí)小筒相對(duì)于中筒、中筒相對(duì)于大筒均有升降動(dòng)作，同時(shí)這三大筒件還起到裝飾的作用. 圖3是螺桿外伸時(shí)螺桿、U型槽板、背板形成相對(duì)升降的狀態(tài)圖. 可以看到，除去必要的安裝和導(dǎo)向空間，本文設(shè)計(jì)的升降機(jī)構(gòu)的升降比接近2.5:1，幾乎是同類采用傳統(tǒng)螺桿/螺母升降機(jī)構(gòu)的1.5倍.

升降最短 升降最長(zhǎng)

1.3 設(shè)計(jì)要求

為了保證升降機(jī)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中達(dá)到平穩(wěn)靜音的效果，本設(shè)計(jì)考慮了下面幾點(diǎn)細(xì)節(jié)：1）導(dǎo)塊采用塑料制作，并在不影響機(jī)構(gòu)升降行程的前提下盡可能增加其導(dǎo)向長(zhǎng)度；2）在鋼絲與滑塊接觸點(diǎn)以及鋼絲與鎖緊塊連接點(diǎn)處設(shè)置有調(diào)整銅片，銅片的良好延展性可在受壓力情況下產(chǎn)生一定范圍的形變，不僅可以增大零件間的接觸面積和摩擦力，也減輕了受力部件的應(yīng)力，從而可以很好地削減應(yīng)力集中；3）機(jī)構(gòu)的大筒與中筒、中筒與小筒之間的間隙采用環(huán)狀塑料片填充，該設(shè)計(jì)可減小運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的晃動(dòng)，同時(shí)也具有除噪功能.

1.4 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

針對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品的特定要求給定設(shè)計(jì)參數(shù)如下：1）電動(dòng)桌上極限高度為，下極限高度為，桌板厚度為；2）桌面承載荷：?jiǎn)芜呑畲筝d荷；3）升降速度：；4）同步控制：兩桌腿同步升降，當(dāng)高差超過(guò)時(shí)自動(dòng)修正；5）桌面水平度：桌面最大傾角小于；6）高度顯示：升降同時(shí)顯示當(dāng)前高度；7）位置記憶：至少2個(gè)常用高度記憶；8）過(guò)載保護(hù)：當(dāng)加載過(guò)大時(shí)能自動(dòng)斷電保護(hù)；9）極限位置通斷保護(hù)功能：運(yùn)行到上、低下極限高度時(shí)，自行通斷；10）復(fù)位功能：遇突然斷電，啟動(dòng)后能續(xù)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；11）遙控操作.

需要說(shuō)明的是，升降系統(tǒng)采用霍爾傳感器作為極限位置通斷元件以，其原理為：在升降機(jī)構(gòu)的開始和終止極限位置分別安裝小型永久磁鐵，在相對(duì)升降機(jī)構(gòu)靜止的外筒內(nèi)壁布置霍爾傳感器. 當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，霍爾傳感器在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生霍爾電壓，經(jīng)集成電路中的放大器放大形成較強(qiáng)的輸出信號(hào)并把該信號(hào)傳送到控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電源的斷開，從而保護(hù)機(jī)構(gòu)與電源，同時(shí)在極限位置的時(shí)候?qū)Ω叨蕊@示進(jìn)行清零處理以消除兩桌腿在運(yùn)行當(dāng)中產(chǎn)生的累積誤差.

2 新型升降機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性分析

在運(yùn)行過(guò)程中，各組成件的變形及振動(dòng)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性影響較大. 為分析升降機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，本文借助工程仿真軟件ANSYS[7]對(duì)其進(jìn)行有限元仿真計(jì)算. 在SOLIDWORKS軟件中建好模型，轉(zhuǎn)化成.X_T文件導(dǎo)入ANSYS中[8]. 升降機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性主要由螺桿、U型槽板和背板等3大主要受力部件決定. 為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程以提高處理效率，在前處理中對(duì)U型槽板等3個(gè)部件直接采用危險(xiǎn)截面建模. 零件材料均為45號(hào)鋼，在常溫狀態(tài)下其彈性模量為，密度為，強(qiáng)度極限為，泊松比是0.269. 定義完單元屬性后，采用SOLID285單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格自動(dòng)產(chǎn)生有限元模型，其中螺桿共劃分個(gè)節(jié)點(diǎn)和個(gè)單元，U型槽板共劃分個(gè)節(jié)點(diǎn)和個(gè)單元，背板共劃分個(gè)節(jié)點(diǎn)和個(gè)單元. 螺桿與螺母螺旋配合，受到軸向最大載荷. 螺母與U型槽板連接，由于力的傳遞性，U型槽板主要受到鋼絲拉索的預(yù)緊力以及桌面載荷作用，其軸向載荷約為，背板主要受桌面承載荷作用，其軸向載荷約為. 將各零件所受載荷及約束施加到有限元模型當(dāng)中后用求解器求解模型，得出螺桿、U型槽板和背板模型中最大應(yīng)力依舊遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，即該升降機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度條件. 與上述設(shè)計(jì)過(guò)程中得出的結(jié)果相符，該升降機(jī)構(gòu)強(qiáng)度足夠.

設(shè)置Analysis Type為Modal. 采用SOLID285單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格自動(dòng)產(chǎn)生有限元模型，利用ANSYS軟件提供的分塊Lancados法（缺省提取法）對(duì)升降機(jī)構(gòu)中螺桿、U型槽板和背板模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，則各零件模型的五階固有頻率如表1所示.

表1 升降機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件固有頻率

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型大行程升降機(jī)構(gòu)，在傳統(tǒng)螺旋升降機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借助繩索拉伸裝置使機(jī)構(gòu)的升降幅度得以大幅拓展，其升降比幾乎達(dá)到傳統(tǒng)螺旋升降比的1.5倍，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)桌大升降比的升降幅值要求. 該升降機(jī)構(gòu)方案合理，結(jié)構(gòu)緊湊，尤能適配一些安裝環(huán)境狹窄的產(chǎn)品上，應(yīng)用范圍較廣. 該新型升降機(jī)構(gòu)已經(jīng)做出樣機(jī)，實(shí)際應(yīng)用情況表明，該機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到預(yù)期的升降幅度，并能可靠穩(wěn)定地運(yùn)行. 與設(shè)計(jì)初設(shè)想基本符合，由此證實(shí)了該機(jī)構(gòu)方案的可行性.

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[責(zé)任編輯：韋 韜]

Design of Large Travel Lifting Mechanism to Be Installed in a Narrow Environment

CHENLin1, ZENGXian-zhi1,2, GENGAi-nong1, LIXin-mo1, WANGDa-cheng1, CHENZhen-jie2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. Jiangmen Hui Lin Electronic Technology Co. Ltd., Jiangmen 529085, China)

In order to meet the requirements of large stroke lifting mechanisms to be installed in a narrow space, this study designs a compact large stroke lifting mechanism suitable for electric tables. On the basis of conventional screw / nut lifting pair, large travel two-stage lifting is achieved using a wire cable mechanism. An analysis of the stability of the lifting mechanism is made using the software ANSYS. The prototype running testing shows the new lifting mechanism can be installed in the narrow cylinder-shaped table legs and runs stably. The lifting ratio is close to 2.5:1 and is 1.5 times of the conventional screw / nut lifting mechanism; the tabletop of the electric table fitted with the lifting mechanism can be adjusted at random between the height of 700 mm and 1700 mm, and its bearing load can be up to 1500 N and can meet the requirements for such products.

lifting mechanisms; compact types; large stroke; electric tables

1006-7302（2015）01-0054-05

TG502.3

A

2014-09-28

2014年廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程—大學(xué)生實(shí)踐教學(xué)基地項(xiàng)目【粵教高函[2014]97】；五邑大學(xué)本科“3+1”培養(yǎng)模式綜合實(shí)驗(yàn)班畢業(yè)設(shè)計(jì)課題.

陳麟（1990—），男，江西吉安人，在讀碩士生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)；耿愛(ài)農(nóng)，教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)中氣體流動(dòng)數(shù)值計(jì)算分析以及壓縮機(jī)減摩技術(shù)與密封結(jié)構(gòu).