（青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266071）

0 引言

剪叉式液壓升降平臺(tái)是一種廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、集裝箱、模具制造、木材加工、化工罐裝等各類(lèi)工業(yè)企業(yè)及自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的起重機(jī)械[1,2]。具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、舉升力大、運(yùn)行安全、升降平穩(wěn)、維護(hù)方便，可以隨時(shí)定位到升降范圍內(nèi)的任意位置等特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)形式多樣化，主要包括單剪式、多剪式、移動(dòng)式、固定式等[3]。液壓缸的布置形式有垂直固定式、水平固定式、雙鉸接傾斜式等。液壓缸驅(qū)動(dòng)剪叉式起升機(jī)構(gòu)達(dá)到升降的目的[4]，在剪叉式液壓升降平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，液壓缸相對(duì)布局位置對(duì)升降平臺(tái)的起升和降落性能起到關(guān)鍵作用。采用傳統(tǒng)自底向上的設(shè)計(jì)方法（即先進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)，再將設(shè)計(jì)好的零件進(jìn)行裝配）容易引起不必要的父子關(guān)系，如某零件裝配后存在干涉，就需對(duì)該零件及其相關(guān)聯(lián)的零、部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改[5]，由此可能會(huì)引起整個(gè)裝配模型的失敗。采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法即先進(jìn)行機(jī)構(gòu)的草繪布局、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、構(gòu)建運(yùn)動(dòng)骨架，再依附實(shí)體、拆分實(shí)體、自動(dòng)裝配。實(shí)現(xiàn)了從整體布局到各個(gè)零部件的裝配設(shè)計(jì)[6]能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)從原理記事本向裝配結(jié)構(gòu)傳遞，再傳遞給各個(gè)零件，保證裝配結(jié)構(gòu)的整體數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性。利用運(yùn)動(dòng)骨架可以進(jìn)行整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，分析機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的極限位置與方案的可行性[7]。但自頂向下的設(shè)計(jì)方法只能對(duì)機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行大致的構(gòu)建，而零件的具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)相對(duì)繁瑣。此外，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法拆分實(shí)體進(jìn)行自動(dòng)裝配后組件是剛性連接，不滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。因此，本文基于Creo3.0軟件將自頂向下和自底向上的設(shè)計(jì)方法結(jié)合運(yùn)用，進(jìn)行了液壓升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)。在滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)工作和合理運(yùn)動(dòng)要求的前提下，對(duì)關(guān)鍵零件尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)更加緊湊、減少生產(chǎn)成本、縮短研發(fā)周期、保證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。

1 液壓升降平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 骨架模型的構(gòu)建與實(shí)體依附

骨架模型分為標(biāo)準(zhǔn)骨架和運(yùn)動(dòng)骨架，可以集中提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、零部件位置自動(dòng)變更、減少不必要的父子關(guān)系、可以任意確定零部件的裝配順序、改變參考控制。骨架模型是根據(jù)裝配內(nèi)的上下關(guān)系創(chuàng)建的特殊零件模型[8]，其作為第一個(gè)元件放置在裝配體中，控制著裝配結(jié)構(gòu)和尺寸。零件的構(gòu)建參考主體骨架，以主體骨架作為設(shè)計(jì)參考。其中，運(yùn)動(dòng)骨架控制裝配中實(shí)體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。創(chuàng)建裝配體前，可以在運(yùn)動(dòng)骨架中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與干涉檢驗(yàn)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)是否達(dá)到要求。

在骨架模型草繪好后，分解總運(yùn)動(dòng)骨架建立單個(gè)主體骨架，定義各個(gè)主體骨架之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在主體骨架的參照下利用實(shí)體依附進(jìn)行各個(gè)零件建模。建模后的液壓升降平臺(tái)如圖1所示。

1.2 整體機(jī)構(gòu)的拆分與重新裝配

圖1 液壓升降平臺(tái)總體裝配模型

依附實(shí)體后，在主體骨架的參照下創(chuàng)建的零件是一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)，這樣不利于后期單個(gè)零件的結(jié)構(gòu)細(xì)化、性能分析及工程圖的繪制，為了解決這一問(wèn)題，需要通過(guò)發(fā)布幾何與復(fù)制幾何的方法進(jìn)行單個(gè)零件的拆分與實(shí)體化（拆分前后的零件如圖2所示），拆分后的零件根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系采用自底向上的方法重新組裝，使其滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)需求，從而將自頂向下和自底向上的設(shè)計(jì)方法綜合運(yùn)用。重組后的裝配體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 拆分前后的零件模型

圖3 重組后的裝配體模型

2 液壓升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)仿真

在組件下定義好各個(gè)零件之間的連接關(guān)系，除滾輪和活塞桿為滑塊連接，其他均為銷(xiāo)釘連接。完成連接定義后在分析模塊中通過(guò)測(cè)量指令分別測(cè)量起升最低角和平臺(tái)最低位置并將其生成分析，為后續(xù)的機(jī)構(gòu)分析做好準(zhǔn)備。進(jìn)入Creo3.0機(jī)構(gòu)模塊，在機(jī)構(gòu)中為油缸定義伺服電機(jī)的參數(shù)。設(shè)置伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸為活塞桿所在軸線(xiàn)，定義伺服電機(jī)的速度為6mm/s。建立機(jī)構(gòu)位置分析。獲取了平臺(tái)高度行程、起升角隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，結(jié)果如圖4所示。其變化符合實(shí)際工況。

3 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化

圖4 平臺(tái)的高度行程、起升角隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

通過(guò)對(duì)液壓升降平臺(tái)的研究，發(fā)現(xiàn)影響液壓升降平臺(tái)性能的主要參數(shù)有升降臺(tái)的起升角α、油缸軸線(xiàn)與水平面的夾角θ、活塞鉸支座與剪叉臂中心的距離b、油缸底部鉸支座與活塞頂部鉸支座之間的距離a等參數(shù)有關(guān)[9]，如圖5所示。本文以起升角α、a、b為研究對(duì)象，分析三者與油缸推力之間的關(guān)系。

圖5 液壓升降平臺(tái)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在液壓升降平臺(tái)工作過(guò)程中，平臺(tái)起升的越平穩(wěn)、震動(dòng)越小越有利于確保機(jī)構(gòu)運(yùn)作的安全性。a與b的值決定液壓升降平臺(tái)起升速度變化率。平臺(tái)起升速度隨a與b的變化曲線(xiàn)如圖6所示。液壓系統(tǒng)中油缸推力決定機(jī)構(gòu)是否可以支撐起負(fù)載。在推力合理值范圍內(nèi)，以降低液壓升降平臺(tái)的推力及推力的穩(wěn)定變化為目標(biāo)，尋找最適宜的推力，根據(jù)推力大小進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖6 起升速度隨a、b的變化曲線(xiàn)

設(shè)置各個(gè)零件的密度屬性，通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析找到質(zhì)心相對(duì)于默認(rèn)坐標(biāo)系在X方向的變化。對(duì)升降平臺(tái)施加1噸負(fù)載，根據(jù)負(fù)載參數(shù)初選外螺紋桿頭耳環(huán)式活塞桿液壓缸，缸徑140mm、實(shí)際行程400mm，推力、拉力滿(mǎn)足理論計(jì)算值。在平臺(tái)起升的過(guò)程中，其自身重力與負(fù)載對(duì)鉸支點(diǎn)B產(chǎn)生的彎矩和與油缸的推力對(duì)B點(diǎn)的彎矩平衡，其中a和b的值決定了油缸推力距B點(diǎn)力臂大小，讓活塞以6mm/s的速度運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行時(shí)間10s建立動(dòng)態(tài)分析，由分析可得升降平臺(tái)上升的過(guò)程中推力與起升角α的變化曲線(xiàn)如圖7所示。曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)說(shuō)明，在起升角12°（最低處）需要的油缸推力最大，在起升角為40°油缸推力最小。隨著起升角逐漸增大，油缸推力由大變小再變大。在推力變化較小的范圍其對(duì)應(yīng)的起升角區(qū)間為20°～55°此時(shí)a和b隨起升角的變化曲線(xiàn)如圖8所示，分析可得在α變化范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)a、b的取值區(qū)間：a（985～1040mm），b（100～120mm）。推力最小15000N對(duì)應(yīng)起升角為40°，與之對(duì)應(yīng)的a為1010mm，b為118mm。在此分析的基礎(chǔ)上對(duì)液壓升降平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將其關(guān)鍵尺寸控制在α、a、b的合理值范圍內(nèi)。通過(guò)改變骨架模型的layout草繪布局與實(shí)體依附特征實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓升降平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的快速變更。若圖1液壓升降平臺(tái)總體的裝配模型更新后，圖2重組后的裝配結(jié)構(gòu)在模型中重新生成，結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)立即更新，使設(shè)計(jì)更加靈活。

圖7 推力隨起升角的變化曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

圖8 a、b隨起升角的變化曲線(xiàn)

在分析液壓升降平臺(tái)原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將自頂向下和自底向上的設(shè)計(jì)方法綜合運(yùn)用對(duì)液壓升降平臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)負(fù)載要求初選液壓缸，此時(shí)決定油缸推力的起升角、活塞鉸支座與剪叉臂中心的距離以及鉸接位置粗略繪制。通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真與機(jī)構(gòu)分析確定油缸推力T與起升角α、α與b、α與a的關(guān)系，在油缸推力合理值范圍內(nèi)對(duì)影響油缸推力的尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)液壓升降平臺(tái)的快速更新，縮短設(shè)計(jì)周期，結(jié)構(gòu)緊湊，減少生產(chǎn)成本，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性與合理性。