基于Spiralift和双剪叉机构的升降平台设计与分析

2015-09-13徐志鹏廖长兵廖义波

制造业自动化 2015年19期

闫磊，徐志鹏，廖长兵，廖义波

（1.中国计量学院浙江省流量计量技术研究重点实验室，杭州 310018；2.重庆海通机械制造有限公司，重庆 402160）

0 引言

升降平台作为一种垂直运动的升降机构，在物流、搬运、装配、海上油田、汽车检测、载人模拟等工业场合中得到了广泛应用。其最主要功能是依靠驱动机构和升降机构将负载升降至不同高度。剪叉式升降平台是传统升降平台中使用中较为广泛的结构之一[1]。

剪叉式升降平台主要包括驱动执行部件和剪叉装置，剪叉装置作为剪叉式升降平台的主体具有伸展折叠性能[2]。传统的剪叉式升降平台是在受到驱动执行部件的驱动时将驱动执行部件的小位移放大成垂直方向的较大行程，从而推动升降平台的垂直移动。剪叉式升降机构具有结构紧凑，承载量大、驱动装置通用性强和操控性好的特点，因而在各种场合中得到广泛应用。但传统的剪叉式升降机构也有不足之处，即平台在升降过程中较难实现匀速，并且升降行程小，设计计算较为复杂，液压驱动方式的平台还存在漏油、污染及需要设计特定的液压油路、油站等问题，使得中小型升降平台的设计变得较为复杂、成本较高且外形体积较大[3,4]。

本文提出的剪叉式升降平台是利用一种特殊的自组式螺旋电动升降装置作为平台的驱动部件，它具有行程大、回落高度低、设计较为简单，平台以电机驱动，运行平稳精度高等特点。为了提高系统的安全系数，设计了一套能实现平台在任意高度位置时的自动锁紧机构。为中小型升降平台的研究提供了新思路。

1 系统方案与原理

该剪叉式升降平台是由某所用于载人模拟系统而设计的，其主要设计参数如表1所示，根据设计参数和平台功能，该平台的机械部件主要由上平台、高强度剪叉机构、自组式螺旋电动升降装置、拉绳式位移传感器、自锁机构和下平台构成，平台机械结构如图1所示。

表1 升降平台主要设计参数

图1 剪叉式升降平台机械结构

平台的工作原理是在电机驱动自组式螺旋电动升降装置下，自组式螺旋电动升降装置由压缩状态转换为伸展状态，从而带动平台和双剪叉机构的垂直运动；同时锁紧装置在升降电机运转时作水平方向的跟随移动，确保锁紧装置紧跟动剪叉臂的锁紧轴，以实现平台在任意高度位置时的自动锁紧；通过外置拉绳式位移传感器实现对平台高度的定位、实时反馈与检测。平台工作原理框图如图2所示。

图2 平台工作原理框图

2 升降装置及驱动系统设计

2.1 自组式螺旋电动升降装置结构特点

自组式螺旋电动升降装置由垂直和水平两组带状不锈钢钢带组成[5]，置于各自的存储位置如图3所示。在外来动力的作用下，垂直和水平两组不锈钢钢带分别从各自的储存位置牵引出来，通过凸轮和挤入轮等部件，将带状不锈钢钢带组合成柱状举升体，自组式螺旋电动装置的机械结构图如图4所示。垂直钢带与水平钢带同时以螺旋方式运动，在运动过程中，垂直钢带卡在水平钢带所设定的沟槽内，保证二者间无相对滑动。随着两组带状不锈钢钢带的螺旋输送、回收，同时带动载荷做升降运动。

图3 自组式螺旋电动装置钢带示意图

图4 自组式螺旋电动装置的机械结构图

2.2 自组式螺旋电动升降装置的选型

自组式螺旋电动升降装置根据其升降柱直径不同共分为四个系列，分别是ND6、HD9、ND9和ND18，其升降立柱直径分别为152mm、230mm、230mm和457mm，各型号因其升降行程不同又分为若干规格。其中HD9和ND6是依靠蜗轮蜗杆传动，不需要连接链条或皮带而可以直接和电机或者传动轴相连；ND9和ND18自带链轮，是依靠链传动提供动力。ND6系列是自组式螺旋电动升降装置中的型号最小，专为重量轻、升降行程短、噪音低及结构要求紧凑的升降需要而设计的。ND9和HD9是升降机构相同而驱动不同的两个系列，其适用于一般行程和负载的升降系统。ND18为行程较大、负载较大的升降领域所设计。以上四种系列的自组式螺旋电动升降装置的主要技术参数如表2所示。

表2 自组式螺旋电动升降装置的主要技术参数

根据平台设计参数中最大升降高度2200mm、额定载荷2吨、升降时间20s等参数要求，结合自组式螺旋电动升降装置各系列特点及技术参数表知，可选定行程为2744mm的HD9-9规格自组式螺旋电动升降装置。

2.3 升降装置驱动电机功率计算

由HD9系列选型公式，知提升速度计算公式：

式中，Vt为系统升降速度，m/min；n为电机额定转速，r/min；R为蜗轮减速比，此处取16.25；

由此计算出电机的额定转速：

电机输入功率计算公式：

式中，P为电机轴输入功率，kW；M为负载质量，kg；Vm为系统最大提升速度，取6m/min；E是系统效率，取55%。

由此计算出电机的输入功率：

输入扭矩计算公式：

式中，T为电机输入扭矩，N·m；F为负载，N；Tm为最大载荷的驱动扭矩，此处取27.1N·m。

由此计算出电机的输入扭矩：

实际工作中只需要选择功率略大于7.12kW、输入扭矩略大于24.36N·m及电机的额定转速略大于2859r/min的电机即可为系统提供足够的动力源。

3 自动锁紧机构的设计

自动锁紧机构用于系统的安全保护，对于载人模拟或汽车检测等设备中，增加自动跟随锁紧机构提高了系统的安全保障。本文利用梯形丝杠具有机械自锁性特定，采用双边电机驱动丝杠带动丝杠螺母副以直线运动方式跟随动剪叉臂的锁紧轴，从而实现平台在任意高度位置下的自动锁紧。在系统掉电或其他的故障下，自动锁紧装置能阻碍剪叉机构下滑的保护作用。锁紧装置简图如图5所示。

图5 自动锁紧机构简图

4 平台建模与仿真分析

SolidWorks作为一种主流的三维设计软件，操作简单，功能强大。在SolidWorks软件平台上能够完成三维模型绘制、装配体绘制、干涉检查及有限元分析等[6]。本文利用SolidWorks的三维建模和有限元分析功能，对平台进行了加载负载后的应力、应变和位移情况的模拟。

建立平台的三维模型是实现平台有限元分析的必要条件，在完成各零件的设计绘制后，在装配图中完成平台装配体的装配，在进行有限元分析之前对平台装配体进行干涉检查。在平台低位与平台高位分别做了干涉检查分析，通过更改零件及配合错误消除干涉后平台高低位建模分别如图6、图7所示。

图6 平台高位模型

图7 平台低位模型

对此平台进行有限元分析的目的在于模拟平台在最高位时加载负载后对平台的形变量及抗负载能力分析。在设计时，当平台运行到最高位时，采取锁紧机构锁紧动剪叉臂的锁紧轴，然后使自组式螺旋电动升降装置退出受力状态，让平台与负载的作用力完全加载到剪叉机构上。此处理方式一方面能增加自组式螺旋电动升降装置的使用寿命，另一方面能使上平台受力更加均匀。

基于以上设计工艺，自组式螺旋电动升降装置即不在有限元分析之内。在选择材料为普通碳钢（弹性模量2.1×1011N/m2，泊松比0.28，密度7.8×103N/m3），底部和锁紧机构采取固定几何体方式夹具，采用标准网格对模型网格化。在上平台顶部均匀施加2吨载荷，重力加速度取10m/s2，进行有限元分析结果如图8所示。