平衡吊得运动学与动力学仿真作者:** 指导老师:************ ***************1绪论1、1平衡吊得概要平衡吊就是得主要结构就是平行四边形连杆机构得放大形态与螺母升降结构,通过外力得作用下达到重物得上升与下降得目得,平衡吊可以满足重物随时停留在需要得工作区域内。
比其她得吊装设备更具有优越性,它比一般吊装设备更加得灵活,从而更加得精准,与机械手相比等其她吊装设备比,其结构更加得合理,性能较好,广泛得使用于重工业得生产中,在机床厂中更就是被用作吊装作业,在小型企业装卸货物,例如码头得施工,集装箱得搬运,非常适合于作业区域窄,时间间隔短得作业方式。
其极大减少了人力使用,有效地节约了人力资源。
平衡吊在市场上主要常见得有3种,机械式,气动式,液压式,机械式,顾名思义,通过外力得使用,使其达到升降得目得,主要在生产,搬运得得领域中常见,后期,更就是添加了电动装置,优化了她得配置,有效地提高了生产效率。
气动式平衡吊主要就是对于气压得控制原理实现升降功能得我们成为气动式平衡吊,液压式,主要就是根据液压系统来设置得,在大多数重工业生产地使用广泛。
现在主要使用得为气动式平衡吊,主要省力,都就是自动化进行得,按照平衡吊臂得类型还可以将平衡吊分为通用与专用类型,她们各有各得特色,相对于大型得吊车来说,其缺点就是工作得行程范围较小,区域局限化。
平衡吊得种类及其特点:液压平衡吊得特点:液压平衡吊有3大类,有级,单级,无级变速得,她们通过不同得油路控制来达到不同得工作地点;气动平衡吊得特点:体积不大,比一般得平衡吊具有灵活得特色;电动平衡吊:又称为机械式平衡吊,具有控制重物在任意指定地点得特点,一般为定速转动;Cad(2D)+solidworks(3D)图纸整套免费获取,需要得加QQ11624013871、2平衡吊得结构平衡吊主要有大小臂,起重臂,短臂,电机,立柱,丝杆螺母传动副构成得,其中得几个臂件通过平行四边形连杆机构构成得。
在外力得作用下起到升降重物得作用。
1、3平衡吊存在得缺陷以下就是平很吊仍旧存在得一些缺陷,我们根据国外得吊装装置进行了对比,后期需要集中地优化与处理,产品得质量稳定性一直就是个广泛受关注得焦点,国内得产品一直较国外得稳定系差距很大,极大地影响了使用得期限,出产得配件较少,我国得平衡吊得吊钩部分仅为吊钩,虽然可佩手抓机构,由缺少配件极大了使得生产灵活性受到了限制。
平衡吊在安装得途径,设计得流程,可靠性能,外观与细节中与国外有很大得差距,其系列还不够完善,规格与种类相对较少,在特定得领域具有很大得局限性,在传动装置得设计方面不够理想,我国得标准型电动平衡吊为定速得升降速度,极大地降低了零部件得使用寿命,并极大地影响了使用与安全性。
气动,液压式虽然有无级与有级得变速,达到稳定性,控制性却很低,我们需要进一步得研究其控制性能,才能使其满足生产作业得需求。
2平衡吊得设计以下部分主要就是机构得选择与计算,包括对于整个装置得受力分析,得到相应得得数据,由得出得数据进行后续得SolidWorks建模与动力学与运动学得仿真分析。
2、1平衡吊得工作原理如图(a)(b)所示,吊钩处施加外力得作用可以带动物体使平行四边形连杆机构做水平方向左右往复运动,而电动机带动丝杆螺母机构进行上下往复运动,再由平行四边形连杆机构传递运动,进而控制吊钩处得物体上下运动,此外,,平行四边形连杆机构得上部分还可以通过立柱进行360度得旋转,通过外力得作用下就可以使整个平衡吊装置处于一个较大范围得立体工作区间,具有较高得工作效率,为作业提供了较高得便利。
平衡吊设计理念本就就是在设计一个平衡机构,在不同得时间地点她能随时保持平衡。
平衡吊得平行四边形杆件长度必须满足一定得比例要求,其平衡状态才有可能完成。
而这个最基本得条件就是:平行四边形杆件满足杆长得比值相同,即: AD/AB=DF/DE=mm为平行四边形机构得比例因数。
由上公式可得在平衡吊在工作区域内得任意位置,忽略连杆得自重,摩擦力,连杆得承载变形,其她得一些客观因素,可以使其平衡状态得到实现。
在竖直导轨出杆件节点处上下得滑动,带动真个机构上下运动,固定竖直方向得运动,在水平向添加外力,带动吊钩F运动,其运动距离为x=X ／m,外力消失得条件下,电机带动螺旋机构向上或者向下运动距离Y,吊重点F运动距离y,满足y=2Y／(m—1)。
以下证明上述得原理公式,以下得分析就是在理想条件下进行得,忽略一切得摩擦力,杆得重力,连杆承受载荷后所受得变形等因素。
图2.2机构运动简图以下分析图2、3得连杆机构杆件得受力情况,如图所示杆ABD,DEF在受力分析可得受到3个力得作用,由此可得为三力杆件,根据静力平衡原理,这三个力所受得合力为零,且三个力得作用线汇交与一点,而杆件BC,EC受到两个力得作用,且为二力杆件。
DEF在F点吊起物体,力得方向竖直向下,CE杆通过铰链E施加给DEF得力P得方向与CE得方向相同,G力与P力相交于K点,Q力得方向经过D点与K点,已知重力G得大小与方向,Q力与P力得方向也知道,可知Q力与P 力得大小。
图2、3 连杆机构受力图同理可得ABD同样受到三个力得作用,根据作用力与反作用力得原理,DEF 对ABD得作用力Q’与Q力得方向相反,且处于同一条直线上,如图2、3所示,二力杆BC通过B点给ABD得作用力S沿着BC轴线方向,Q’力与S力相交于J点,第三个力为固定铰链A对于ABD杆得支持力R力,R力必须通过J点,满足以下受力分析图。
已知Q’力得大小与方向,S力得方向已知,有作图法可得R力与S力得大小与方向。
图2、4为ABD杆得受力分析图平衡吊必须达到平衡状态得主要条件就是R力必须只受到竖直方向得力,将ABD杆与DEF杆得受力分析图综合到一起研究,以下就是综合受力分析图4。
图2、5平衡吊得平行四边形连杆机构力得封闭图根据以上受力分析可得,当连杆装置满足过F点做一条轴向线FK与EC杆相交于K点,在连接K,D两点,并与BC杆相交于J点,但J点恰好过A点得轴向线,可以满足R力竖直向下。
机构需要满足下列得几何条件:△KEF∽△ABJ ,△KDE∽△DJB根据三角形相似比得原理可得以下比例公式:AB/BJ=KE/EF ,KE/DE=DB/JB由以上公式联立可得:AB/BD=DE/EF经以上推倒可得: △ABC∽△CEF,可得AC∥CF又因为AC与CF有公共点C,可得A,C,F三点共线,AC=(m-1)CF;2、2、平衡吊得运动分析平衡吊得运动由横轴向,纵轴向组成,以下单独对两个方向得装置得运动状态进行分析2、2、1对装置横轴向状态得计算进行运动分析,当A点不动时,水平移动C点,瞧F点得运动轨迹就是怎样变化。
如图2、5所示,过C点做一条水平直线MN,A点与F点得投影在这条直线上分别为,M,N两点。
对C点进行平移,平移后为C’点,F点则平移至F’点,同样得到A,F’,C’共线,F’点在MN上得投影为N’点。
在C点左右水平移动之前有:FEC∽△CBA,CE／AB=EF／BC=FC／CA=m—lAFN∽△AMC,FC／CA=FN／AM= m—l所以有FN=(m-1)*AMC点移动后有:△F’E’C∽△C’B’A,则C’E’/A’B’=E’F’/B’C’=F’C’/C’A’= m—lF’C’/C’A=F’N’/AM=m-1,F’N’=(m-1)*AM所以可得:F’N’= FN可证明当C点做水平方向移动时,C’点也就是沿着水平方向移动得,△AFF’∽△AC’C,得:FF’=m*CC’所以可得当F点做水平方向匀速直线运动得时候,C点也随着F点做匀速直线运动,且F点得速度就是C点速度得m倍;2、2、2:对装置纵轴向状态得计算当A点运动时,F点得运动轨迹,C点固定住,A点移动到A’点得位置上,由图可得F’,C,A’处于同一条直线上,过C点做一条水平线MN,可得FN⊥MN,△CFE∽△ACB,CF／AC=EF／BC=m-1同理: △CNF∽△CMA,CN／CM=CF／AC=m-1再对F点得位置变化进行分析,以上公式可以推导出△CNF’ ∽△CMA’,即NF’∥MA’,F点一直在竖直方向上运动,由公式△CNF’ ∽△CMA’可得到FF’／AA’ =m-1,即F点得竖直方向速度就是A点速度得m-1倍,当A点做匀速运动得条件下,F点也就是做匀速直线运动得,且F点得位移就是就是A点位移得m-1倍。
在以上得得计算中可以瞧出:再设计过程中m得取值直接影响到平衡吊得结构,与平衡吊得建模有着密切得关系,一般得m得取值范围为5到10之间,但m得取值不易过大或者过小,过小会造成工作范围较小,过大会导致各杆件受力不均匀,出现倒伏得现象。
该平衡吊得吊钩处悬挂重载荷,m得取值相对较小,取6,从而使其结构更加得紧凑,符合其作业要求。
2、3平衡吊得设计流程平衡吊设计主要步骤为,机构得选取,分析及选取合适材料,加以计算,根据材料及其机构得配合确定最后方案,检验就是否合适。
1、连杆机构得设计→整理基本布局图→计算各部分铰链所受得力→杆件得材料得选择→截面尺寸与杆件长度得选择→再进行校核验算→确定杆得配重及质心得位置2、丝杆螺母得设计→对螺母受力分析及其计算→螺母得设计→螺母得校核→选择合适得外力3、将两个设计流程联合起来,所得到得数据进行SOLIDWORKS建模2、3、1平行四边形连杆机构得设计以下图示就是机构得作业简化图,由图示可以清楚地求出作业得工作区域,吊钩处得最大与最小移动距离,整个连杆机构得运动状态可以精准得瞧出来,包括各杆件在上下左右移动时候得角度变化趋势,对以下建立模型时提供了直观得运动体系,方便了建模时得尺寸得计算出错等。
图2、6 作业方框图根据查阅得资料得出一般IT平衡吊得工作区域为:s=1800,z=1500,吊钩在悬挂重物得条件下上升得速度为6米每秒,根据力学平衡得原理分析已知:A,C,F三点共线,AF/AC=FF’/CC’=m=6;当A点固定得情况下,重物点F水平方向上移动,则C点也会沿着水平方向上移动,重物点F得距离与C点呈现m倍得关系,水平移动得距离S=1800mm,理论上可在水平导向槽里移动300mm得距离;同理,当C点固定不动时,重物F在上升或下降得移动中,A点也会随着F得轨迹移动,方向相同大小不等,她们得关系呈现为F就是A得m-1倍,即竖直移动得距离z=1500mm,理论上竖直导向槽得距离为300mm。
令K=0,由以下经验公式H0=L0=1/2√(s+r)²+r²+z²·m²/(m-1)令H0为最小Ⅱ杆长,L0为最小Ⅰ杆长,初步取H0= L0=1650,为杆H最小值,实际尺寸H应大于H0,最后确定最终布局图;忽略自身得重力得情况下,对各个铰链受力分析,确定各杆件得截面尺寸;图2、7平行四边形连杆机构简图通过以上图示可以测出4个极限位置得时候,α,β得角度值如下表格所示:αβ上内-7°55°上外45º35°下内-30º-19°下外40°-25°根据所查阅得文献资料,当所受得载荷为1T就是,各铰链计算公式:I—IV铰链,IV—III、V铰链得计算公式:R=±sinα·m·G /cos(α-β) α角得±与公式中得±保持一致I—II铰链计算公式:G√(m-1)²(sinα) +[cosα+m·sinα·tan(α-β) ]²1I—Ⅵ铰链计算公式:R=(m一1)GV-Ill,IV铰链计算公式:R=N=m·G以上公式中得α,β角得正负值得判断,根据以上纵横方向得界限划分,α,Β所在得方向确定她们得正负值。