基于TRIZ的零售柜自动货门设计及运动学分析*

白金婷,潘存云,吴懋亮,孙玄锴

(上海电力大学 能源与机械工程学院，上海 200090)

0 引 言

根据数据显示，目前，每台零售柜每天最大贩卖量为1 000个，也就是表明取货门每天会开闭将近2 000余次。高负荷的运作，会长期破坏取货门机构的寿命，因此取货门机构的设计及其强度计算极为重要[1-2]。

四杆机构是平面连杆机构中最简单的机构，是研究多杆机构的基础，广泛应用于航空、包装、医学及汽车等多领域[3-4]。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，采用凸轮连杆组合机构可有效规划出货门的运行路线，借助导槽代替凸轮达到轮廓曲线设计，实现预期运动轨迹的目的[5]。

本文基于TRIZ理论对货门机构进行改善，运用复数矢量法和Solidworks Motion对该机构进行运动学分析。

1 基于TRIZ理论的取货门设计

TRIZ是一种系统阐述发明创造和技术创新的新理论[6]。利用TRIZ创新理论，能够系统地分析零售柜取货门机构问题，准确地发现取货门机构设计中需要解决的问题[7]。

1.1 功能、结构与材料分析

现有零售柜货门一般为手推式取货门，该种取货门多为塑料材质，极易被破坏。

现有货门组件系统与矛盾分析如图1所示。

图1 组件系统与矛盾分析

图1(b)所示为各组件矛盾分析，根据各组件之间相互作用的矛盾机理与主要功能的关系[8-9]，功能分为3类：

(1)有用功能。货门将货道与外界分开，防止杂物进入；工作人员检查清理杂物，防止货道阻塞；

(2)有害功能。孩童玩耍会破坏取货门，且极易将杂物放入货道，造成机器的损坏；工作人员需实时观察阻止孩童破坏，浪费人力；

(3)中性功能。货门的外观设计。

通过分析，主要的矛盾在货门本身，需要进行对货门的传动机构设计，实现货门自动启闭功能。

1.2 货门机构设计要求

新型大容量零售柜如图2所示。

图2 智能大容量零售柜

该机构的设计要求如下：

取货门能取送货品的最大外形尺寸为：400 mm×300 mm×200 mm；内藏式垂直升降启闭开关门；行程为：y<100 mm,z<400 mm；具有防夹手，自动保护功能；运动灵活，低噪声；货门单次启闭时间t<2 s，驱动功率P<100 W；具有IP6级防水功能。

1.3 选用TRIZ发明原理

为提高货门寿命，期望货门实现自动启闭功能。但在增强可靠性、机构适用性的同时，也会增加货门机构装置的不易操作性、运动机构的能量消耗和恶化运行速度。为解决这一问题，笔者采用TRIZ理论的矛盾冲突矩阵，改进现有门机构的结构。

货门矛盾矩阵如表1所示。

表1 货门矛盾矩阵

物理矛盾在于：为了某种功能的实现，对这一性能指标提出了完全相反的要求。处理物理矛盾的核心思想是使矛盾双方分离，TRIZ中有40种发明原理用于解决矛盾问题的基本方法[10]。对表1中的发明原理进行分析筛选，有价值的发明原则有：10预先作用原理、17空间维数变化原理、19周期性作用原理、28机械系统替代原理。

由机械系统替代原理，将货门变为机械运动机构，便于操作；由维数改变原理，考虑将货门机构的二维平面运动过渡到三维空间运动，采用货门升降机构，从而使内藏式货门上下移动方便取货；由预先作用原理，考虑将补货门四角设置导轮，使导轮沿导槽侧板运动，可以实现补货门按照预期的路线启闭，防止补货门卡槽发生故障；由周期性原理，考虑将启闭货门程序设置为周期性或脉动的，取货时，执行开门程序，取货完成，重力传感器感应到货物取出，执行关门程序。

1.4 方案设计

根据TRIZ矛盾分析和设计要求，为使货门机构变成垂直升降内藏式结构，笔者利用平面连杆和导槽组合机构将货门运行路线设计成预期的轮廓曲线。货门机构主要零件为导槽侧板、自动门、连杆、横杆、滑块、直线滑轨、导轮以及轴承座，其材料主要为Q235和铝合金。当横杆上移，自动门开启；横杆下移，自动门关闭。货门连杆机构示意图如图3所示。

图3 门连杆机构示意图

2 运动机构原理设计

2.1 运动原理

步进电机驱动同步带轮通过同步带拖动横杆，与横杆连接的滑块在滑轨上线性运动，同时，连杆带动自动门，在导轮的作用下，沿着上下导槽滑动。连杆、导轮与导槽的共同作用保证自动门传动平稳、运转正常[11]。

2.2 数学描述

通过对自动取货门机构分解出的平面连杆凸轮机构进行分析，确定机构的自由度和运动轨迹。

(1)自由度分析

由图3所示的简图可知为平面四杆机构运动，由平面机构自由度计算公式：

F=3n-2PL-PH

(1)

式中：F—自由度；n—活动构件数；PL—低副数；PH—高副数。

通过式(1)计算出机构的自由度，以确定该机构是否有明确的相对运动[12]。该设计机构的活动构件有3个低副，2个高副；根据自由度公式计算，可得出该连杆导槽组合机构具有(F=3×3-2×3-1×2=1)1个自由度。因此，该机构自由度大于0，且与原动件数(滑块1件)相等，具有明确的相对运动。

(2)轨迹分析

为防止自动门导轮在上下导槽运动过程中出现卡槽现象，故而笔者将导槽的第一段设计为两条斜率不同的直线段，上导槽为与水平方向30°的斜线，下导槽为与水平方向45°的斜线。自动门将与竖直方向形成φ角，且φ角的值不会很大。连杆与竖直方向成θ角，自动门与竖直方向成φ角。门开过程中，θ角逐渐变小至恒定，φ角从0°先变大后变小至0°。机构运动位置分析如图4所示。

图4 机构运动位置分析

图4(a)所示为机构运动分部简图，可观察到门开过程的5种情况。

3 瞬态位置理论分析

由于导槽分别由两条直线段和一条曲线段构成，且上下导槽的第一段直线段斜率不同，导轮的运动分析划分为几种不同情况。为简化模型，机构可分为两部分分析，并建立如图4所示机构位置分析的直角坐标系。图4(b)所示为机构位置分析，第一部分为直线滑块、连杆与上导槽运动机构；第二部分为上下导槽与自动门运动机构。

利用复数矢量法作为该平面机构运动分析的方法[13]，设各构件的已知尺寸及图1中原动件1的速度v，导槽的方程和各位置其切线与水平方向角β2，则可已知方位角θ与角速度ω随时间t变化情况。需对其位置、速度和加速度进行分析，将各构件表示为杆向量。

同样用复数矢量法与已知关系亦可求得φ和P点关于t的位置关系。具体结果分析如下：

(2)

易知θ∈(24.624°,46.7°)。

(3)

③导轮在上导槽的竖直运动，此时xm=100，θ=7.985°。

(2)第二部分运动过程为5种情况，依次为：

①上下导轮都在导槽做直线运动，此时θ∈(24.624°,46.7°)，上导轮为式(2)，下导轮为：

(4)

下导槽直线方程yp=xp-470.5，可得：

②上导轮曲线运动，下导轮直线运动，此时θ∈(17.925°,24.624°)，上导轮坐标为式(3)，下导轮为：

(5)

下导槽直线方程为yp=xp-470.5,可得：

③上下导轮都在导槽做曲线运动，此时θ∈(7.985°,17.925°)，上导轮坐标为式(3)，下导轮坐标为：

(6)

④上导轮做竖直运动，下导轮曲线运动，此时θ=7.985°，xm=100，由下式可知：

(7)

⑤上下导轮都做竖直运动，此时θ=7.985°，φ=0，ym以速度v持续上升至最高点。

从上述分析可得出，φ最大值仅为3.672°，自动门在开启过程中不会造成大幅度的倾斜和卡槽现象。自动门闭合过程与上述开启过程正好相反，不再重复分析。自动门开启与闭合为一个周期，在传达取货指令时，自动门将重复该运动。

4 基于Motion仿真分析

Solidworks Motion是一款虚拟原型机仿真软件[14]。

4.1 仿真模型建立

装配自动门机构零部件，并设置其相关机构的配合关系，激活Motion插件，定义原动件的线性马达，以已知的速度曲线图沿y轴正方向作指定规律运动。算例类型设置为基本运动，模拟时间为2 s，点击开始按钮，观察装配体运动关系。主动件输入速度曲线如图5所示。

图5 主动件输入速度曲线

4.2 求解运动参数

将算例类型设置为Motion，进行仿真计算，计算完成后，在结果中定义想要求解的参数，从而得到各角度、速度、加速度等相关关系。

θ、φ和从动件速度、加速度曲线如图6所示。

图6 θ、φ和从动件速度、加速度曲线

图6(a)所示为θ与φ与t关系，可观察到求解结果与理论分析大致相同，验证了Motion分析的正确性。机构运动过程只需要1.13 s，满足设计要求，保证了开启自动门的短时间高效性。定义求解参数，可以求得从动件两端点M、P的速度、加速度关于t的关系。

以上仿真结果是在该门连杆机构各个构件已知的情况下得出的，从该机构的运动仿真结果可分析出，从动件速度变化平稳，加速度曲线较为平滑；两端M、P点的y方向速度、加速度几乎一致，x方向的偏差是由导槽直线段的斜率不同导致，因此防止了卡槽现象。

自动取货门机构运动学性能较好，与理论分析结果相吻合，说明了分析结果的正确性。

5 结束语

基于TRIZ理论，笔者完成了对取货门的导槽连杆组合机构传动设计；分析了其数学描述，避免了货门运动过程发生卡槽现象；通过理论分析连杆运动过程中θ的变化，得到连杆角度φ变化；通过Motion仿真分析，验证了设计计算结果的正确性。

该机构用在智能大容量零售柜自动取货门上，具有运行时间短、不易被破坏、操作方便、运动平稳和噪音较小等优点。