王統(tǒng)順，李娜，孫濤，秦錄芳

運(yùn)輸車升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析

王統(tǒng)順，李娜，孫濤，秦錄芳

（徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221008）

對(duì)運(yùn)輸車的主要運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，利用C reo3.0軟件對(duì)機(jī)構(gòu)的三維造型、裝配和運(yùn)動(dòng)仿真分析完成運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的虛擬設(shè)計(jì)，通過運(yùn)動(dòng)仿真分析驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性，為進(jìn)一步的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

升降機(jī)；絲杠；剪叉桿；仿真

當(dāng)今社會(huì)，電子商務(wù)和網(wǎng)絡(luò)購物極大地推動(dòng)了我國快遞行業(yè)的發(fā)展。然而隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，人工運(yùn)貨已經(jīng)不能滿足市場的需求，存在人力資源消耗大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、貨物轉(zhuǎn)運(yùn)效率低和物品數(shù)量損壞高等問題。

解決上述問題的重要技術(shù)手段是采用智能車輛。

國外智能車輛的研究已經(jīng)進(jìn)入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模研究階段。最為突出的是，荷蘭的Combi road系統(tǒng)采用無人駕駛的車輛往返運(yùn)輸貨物，它行駛的路面上采用了磁性導(dǎo)航參照物，并利用一個(gè)光陣列傳感器去探測障礙[1]。日本大阪大學(xué)的Shirai實(shí)驗(yàn)室所研制的智能小車，采用了航位推測系統(tǒng)（Dead Reckoning System），分別利用旋轉(zhuǎn)編碼器和電位計(jì)來獲取智能小車的轉(zhuǎn)向角，從而完成了智能小車的定位[2]。雖然我國在智能車輛技術(shù)方面的研究總體上落后于發(fā)達(dá)國家，并且存在一定的技術(shù)差距，但是仍取得了一系列的成果[3]。

對(duì)于快遞運(yùn)輸車來說，升降機(jī)構(gòu)為連接載貨機(jī)構(gòu)和動(dòng)力裝置上下兩部分的重要連桿機(jī)構(gòu)，也是快遞車能否將貨物從各個(gè)不同高度的集貨平臺(tái)將快遞快速轉(zhuǎn)運(yùn)的重要組成部分，其穩(wěn)定性影響到快遞車的工作效率和整車性能。

本文利用Creo3.0軟件對(duì)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，以充分反映設(shè)計(jì)意圖和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程，并通過運(yùn)動(dòng)仿真得到絲杠剪叉式升降機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，通過分析驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)能夠滿足智能快遞運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)要求。

1 快遞運(yùn)輸車升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

智能快遞運(yùn)輸車用于快遞集貨點(diǎn)和貨車之間貨物的快速轉(zhuǎn)運(yùn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際工作需求，運(yùn)輸車包括載貨機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置和電子控制裝置。外形尺寸為1.2 m×0.6 m×1.2 m，且為適應(yīng)各式貨車車廂的高度，設(shè)計(jì)兩層剪叉桿，桿長為0.8 m，剪叉桿最大傾角為60°，底盤高度為0.4 m，此時(shí)貨箱底部距地面為1.6 m以上，適合大多貨車和集貨點(diǎn)平臺(tái)的高度。

其中升降機(jī)構(gòu)作為快遞運(yùn)輸車載貨裝置在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)升降功能的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)之一，根據(jù)智能快遞運(yùn)輸車的應(yīng)用場合和工作效率，升降機(jī)構(gòu)應(yīng)具有以下設(shè)計(jì)要求：

（1）當(dāng)智能快遞運(yùn)輸車正常工作時(shí)，貨箱升降機(jī)構(gòu)應(yīng)能控制貨箱升降高度，保證貨箱在最佳的工作高度。

（2）當(dāng)智能快遞運(yùn)輸車重載時(shí)，根據(jù)控制信號(hào)將貨箱從最低位置抬升至較高位置時(shí)，貨箱在升降機(jī)構(gòu)作用下將按要求平穩(wěn)抬升至指定高度，此時(shí)貨箱升高，將叉桿與水平面夾角由小變大，絲杠提供的水平推力由大變小，從而降低絲杠在貨箱升高狀態(tài)下的軸向載荷。

（3）為保證車體在正常工作時(shí)，車體不會(huì)發(fā)生過大的震動(dòng)和搖晃，貨箱抬升連續(xù)平穩(wěn)，速度變化小。

目前市場上使用的升降機(jī)構(gòu)主要有液壓剪叉式、升縮式、套筒式、升縮臂式和折臂式等。而絲杠剪叉式升降機(jī)構(gòu)是利用直流減速電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，絲杠副和螺紋副相互配合帶動(dòng)剪叉桿，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，并能同時(shí)進(jìn)行能量和力傳遞[4]，具有定位精度高，傳動(dòng)效率高，使用壽命高的優(yōu)點(diǎn)；減速電機(jī)具有能耗低，減速機(jī)效率高達(dá)95%，振動(dòng)小，噪音低，節(jié)能高的優(yōu)點(diǎn)；剪叉桿具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、故障率低、運(yùn)行可靠、安全高效、維護(hù)簡便等一系列優(yōu)點(diǎn)[5]。如圖1所示，本文的絲杠剪叉式升降機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、連接板、支撐桿、滑桿、銷釘、滾珠軸承、滑動(dòng)軸承、坐式軸承、連桿、絲杠螺母、支撐架等構(gòu)件組成。連桿由銷釘和軸承固定連接成剪叉桿，剪叉桿上下兩邊各與連接板成銷釘連接，上下連接板分別固定在支撐架上，滑動(dòng)軸承安裝在下連接板兩側(cè)與滑桿配合實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)和支撐的作用，絲杠螺母位于連接板中間與絲杠配合，將絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為連接板的直線運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)連接板的位置來實(shí)現(xiàn)貨箱的升降，從而滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 絲杠剪叉式升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理

本論文通過運(yùn)動(dòng)仿真對(duì)升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性和各方面參數(shù)進(jìn)行研究和分析，以驗(yàn)證升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性。

2 快遞運(yùn)輸車升降機(jī)構(gòu)的虛擬設(shè)計(jì)

Creo3.0基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的零件設(shè)計(jì)和裝配功能。用Creo3.0的造型特征和裝配（assembly）模塊對(duì)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行零件三維造型、裝配，并定義運(yùn)動(dòng)關(guān)系。利用機(jī)構(gòu)（mechanism）模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)裝配后機(jī)構(gòu)的模擬運(yùn)動(dòng)，從而檢查機(jī)構(gòu)的動(dòng)作是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求、檢查工作裝置運(yùn)動(dòng)中各元件之間是否發(fā)生干涉，可以觀察和記錄運(yùn)動(dòng)仿真全過程或一些感興趣的測量值，如某些點(diǎn)的位置、速度、加速度、受力，以及運(yùn)動(dòng)部件的軌跡曲線和運(yùn)動(dòng)包絡(luò)線等[6]。本文采用Creo3.0軟件，通過零部件的三維造型、裝配和運(yùn)動(dòng)仿真分析完成升降機(jī)構(gòu)的虛擬設(shè)計(jì)。

2.1 零部件的三維造型

利用Creo3.0軟件的造型特征（如拉伸、旋轉(zhuǎn)、倒角和陣列等）完成升降機(jī)構(gòu)各零部件的三維造型。如圖2所示為剪叉式升降機(jī)構(gòu)零部件的實(shí)體模型。

圖2 剪叉式升降機(jī)構(gòu)零部件的實(shí)體模型

2.2 升降機(jī)構(gòu)的裝配

按照升降機(jī)構(gòu)各零部件的作用和裝配順序，利用Creo3.0中的裝配模塊（如銷釘定義、剛定義和圓柱定義）完成絲杠剪叉式升降機(jī)構(gòu)的裝配，如圖3所示。絲杠剪叉式升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程為：減速電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)連接板作直線運(yùn)動(dòng)，連接板同時(shí)帶動(dòng)兩根連桿運(yùn)動(dòng)，連桿再由其剪叉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)貨箱的升降。

圖3 剪叉式升降機(jī)構(gòu)的裝配模型

2.3 剪叉式升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析

在Creo3.0的機(jī)構(gòu)模塊中，單擊“拖動(dòng)元件”，將絲杠剪叉式升降機(jī)構(gòu)中的連接板拖動(dòng)到距離聯(lián)軸器最近的位置，并拍下快照。單擊【插入】選項(xiàng)卡里的“伺服電動(dòng)機(jī)”按鈕，在“類型”中選擇滑桿的軸作為“運(yùn)動(dòng)軸”；在“輪廓”的“規(guī)范”中選取“速度”，然后在“模”中選擇“常數(shù)”，并定義為5單擊確定；單擊【分析】選項(xiàng)卡里的“機(jī)構(gòu)分析”，在類型中選擇“運(yùn)動(dòng)學(xué)”，設(shè)置“開始時(shí)間”為0，“終止時(shí)間”為14，“初始配置”擇“Current”，電動(dòng)機(jī)選擇ServoMotor1，點(diǎn)擊“運(yùn)行”，如圖4所示。按照以上步驟和方法，將鎖止板拖動(dòng)到距離聯(lián)軸器最遠(yuǎn)的位置拍下快照，并定義第2個(gè)“伺服電動(dòng)機(jī)”，“運(yùn)動(dòng)軸”的方向?yàn)榉聪?，設(shè)置第2個(gè)“機(jī)構(gòu)分析”，把“初始配置”設(shè)置為“Current”，電動(dòng)機(jī)選擇ServoMotor2，點(diǎn)擊運(yùn)行。最后選擇【分析】選項(xiàng)卡中的“測量”，點(diǎn)擊“創(chuàng)建新測量，分別創(chuàng)建“位置”、“速度”、“加速度”3個(gè)測量類型，選擇貨箱左上角一點(diǎn)作為測量點(diǎn)。

圖4 升降動(dòng)畫仿真界面

如圖5所示，升降機(jī)構(gòu)分別在上升和下降過程中時(shí)，貨箱的位移曲線連續(xù)平滑，并且位移變化量為500～1 700 mm，滿足貨箱升降高度的設(shè)計(jì)要求。

圖5 貨箱的位移曲線

剪叉桿升降機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行上升和下降運(yùn)動(dòng)，貨箱速度和加速度的仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。結(jié)果表明在上升和下降過程中，貨箱靠近最高位置時(shí)的速度和加速度的變化幅度較貨箱靠近最低位置時(shí)的速度和加速度的變化幅度要小，這反映在整車重心較低時(shí)貨箱快速上升或下降，節(jié)省了行程時(shí)間；在整車重心較高時(shí)以低速運(yùn)行，車體不會(huì)發(fā)生過大的震動(dòng)和搖晃，貨箱抬升連續(xù)平穩(wěn)，速度變化小，保證了車體的穩(wěn)定性。

圖6 貨箱的速度曲線

圖7 貨箱的加速度曲線

3 結(jié)束語

（1）對(duì)快遞運(yùn)輸車的升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，確定其設(shè)計(jì)要求。

（2）對(duì)絲杠剪叉式升降機(jī)構(gòu)建立三維實(shí)體模型，利用Creo3.0軟件較準(zhǔn)確地得到絲杠剪叉式升降機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。

（3）通過分析驗(yàn)證了升降機(jī)構(gòu)能夠滿足智能快遞運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)要求。

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Kinematic Simulation Analysis of Lifting Mechanism of Transporter

WANG Tong-shun，LI Na，SUN Tao，QIN Lu-fang
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou Jiangsu 221008，China）

The analysis of the main moving components transport vehicle motion，virtual design complete movement component analysis using Creo3.0 software of 3D modeling，assembly and motion simulation，validate the rationality of the design by simulation analysis，which laid the foundation for the further optimization design of the mechanism.

elevator；screw；fork rod；simulation

TH13

A

1672-545X（2017）02-0040-03

2016-11-01

項(xiàng)目編號(hào)：江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃省級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XCX2016011）

王統(tǒng)順（1995-），男，江蘇連云港人，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。