運輸車升降機構(gòu)的運動仿真分析

王統(tǒng)順，李娜，孫濤，秦錄芳

運輸車升降機構(gòu)的運動仿真分析

王統(tǒng)順，李娜，孫濤，秦錄芳

（徐州工程學院機電工程學院，江蘇徐州221008）

對運輸車的主要運動構(gòu)件的運動進行分析，利用C reo3.0軟件對機構(gòu)的三維造型、裝配和運動仿真分析完成運動構(gòu)件的虛擬設計，通過運動仿真分析驗證了本設計的合理性，為進一步的機構(gòu)設計優(yōu)化奠定了基礎。

升降機；絲杠；剪叉桿；仿真

當今社會，電子商務和網(wǎng)絡購物極大地推動了我國快遞行業(yè)的發(fā)展。然而隨著經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展，人工運貨已經(jīng)不能滿足市場的需求，存在人力資源消耗大、勞動強度大、貨物轉(zhuǎn)運效率低和物品數(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輸貨物，它行駛的路面上采用了磁性導航參照物，并利用一個光陣列傳感器去探測障礙[1]。日本大阪大學的Shirai實驗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]。

對于快遞運輸車來說，升降機構(gòu)為連接載貨機構(gòu)和動力裝置上下兩部分的重要連桿機構(gòu)，也是快遞車能否將貨物從各個不同高度的集貨平臺將快遞快速轉(zhuǎn)運的重要組成部分，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軟件對升降機構(gòu)進行虛擬設計，以充分反映設計意圖和機構(gòu)運動過程，并通過運動仿真得到絲杠剪叉式升降機構(gòu)的位移、速度和加速度等運動學參數(shù)，通過分析驗證了本設計能夠滿足智能快遞運輸車的設計要求。

1 快遞運輸車升降機構(gòu)的設計要求

智能快遞運輸車用于快遞集貨點和貨車之間貨物的快速轉(zhuǎn)運，根據(jù)設計要求和實際工作需求，運輸車包括載貨機構(gòu)、升降機構(gòu)、動力裝置和電子控制裝置。外形尺寸為1.2 m×0.6 m×1.2 m，且為適應各式貨車車廂的高度，設計兩層剪叉桿，桿長為0.8 m，剪叉桿最大傾角為60°，底盤高度為0.4 m，此時貨箱底部距地面為1.6 m以上，適合大多貨車和集貨點平臺的高度。

其中升降機構(gòu)作為快遞運輸車載貨裝置在運行過程中實現(xiàn)升降功能的關(guān)鍵機構(gòu)之一，根據(jù)智能快遞運輸車的應用場合和工作效率，升降機構(gòu)應具有以下設計要求：

（1）當智能快遞運輸車正常工作時，貨箱升降機構(gòu)應能控制貨箱升降高度，保證貨箱在最佳的工作高度。

（2）當智能快遞運輸車重載時，根據(jù)控制信號將貨箱從最低位置抬升至較高位置時，貨箱在升降機構(gòu)作用下將按要求平穩(wěn)抬升至指定高度，此時貨箱升高，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，車體不會發(fā)生過大的震動和搖晃，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構(gòu)是利用直流減速電機作為原動機，絲杠副和螺紋副相互配合帶動剪叉桿，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，并能同時進行能量和力傳遞[4]，具有定位精度高，傳動效率高，使用壽命高的優(yōu)點；減速電機具有能耗低，減速機效率高達95%，振動小，噪音低，節(jié)能高的優(yōu)點；剪叉桿具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、故障率低、運行可靠、安全高效、維護簡便等一系列優(yōu)點[5]。如圖1所示，本文的絲杠剪叉式升降機構(gòu)由伺服電機、聯(lián)軸器、連接板、支撐桿、滑桿、銷釘、滾珠軸承、滑動軸承、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，滑動軸承安裝在下連接板兩側(cè)與滑桿配合實現(xiàn)水平運動和支撐的作用，絲杠螺母位于連接板中間與絲杠配合，將絲杠旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為連接板的直線運動，通過調(diào)節(jié)連接板的位置來實現(xiàn)貨箱的升降，從而滿足設計要求。

圖1 絲杠剪叉式升降機構(gòu)的運動原理

本論文通過運動仿真對升降機構(gòu)的運動特性和各方面參數(shù)進行研究和分析，以驗證升降機構(gòu)的設計合理性。

2 快遞運輸車升降機構(gòu)的虛擬設計

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

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）完成升降機構(gòu)各零部件的三維造型。如圖2所示為剪叉式升降機構(gòu)零部件的實體模型。

圖2 剪叉式升降機構(gòu)零部件的實體模型

2.2 升降機構(gòu)的裝配

按照升降機構(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構(gòu)的裝配，如圖3所示。絲杠剪叉式升降機構(gòu)的運動過程為：減速電機通過聯(lián)軸器帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而推動連接板作直線運動，連接板同時帶動兩根連桿運動，連桿再由其剪叉結(jié)構(gòu)實現(xiàn)貨箱的升降。

圖3 剪叉式升降機構(gòu)的裝配模型

2.3 剪叉式升降機構(gòu)的運動仿真分析

在Creo3.0的機構(gòu)模塊中，單擊“拖動元件”，將絲杠剪叉式升降機構(gòu)中的連接板拖動到距離聯(lián)軸器最近的位置，并拍下快照。單擊【插入】選項卡里的“伺服電動機”按鈕，在“類型”中選擇滑桿的軸作為“運動軸”；在“輪廓”的“規(guī)范”中選取“速度”，然后在“?！敝羞x擇“常數(shù)”，并定義為5單擊確定；單擊【分析】選項卡里的“機構(gòu)分析”，在類型中選擇“運動學”，設置“開始時間”為0，“終止時間”為14，“初始配置”擇“Current”，電動機選擇ServoMotor1，點擊“運行”，如圖4所示。按照以上步驟和方法，將鎖止板拖動到距離聯(lián)軸器最遠的位置拍下快照，并定義第2個“伺服電動機”，“運動軸”的方向為反向，設置第2個“機構(gòu)分析”，把“初始配置”設置為“Current”，電動機選擇ServoMotor2，點擊運行。最后選擇【分析】選項卡中的“測量”，點擊“創(chuàng)建新測量，分別創(chuàng)建“位置”、“速度”、“加速度”3個測量類型，選擇貨箱左上角一點作為測量點。

圖4 升降動畫仿真界面

如圖5所示，升降機構(gòu)分別在上升和下降過程中時，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計要求。

圖5 貨箱的位移曲線

剪叉桿升降機構(gòu)分別進行上升和下降運動，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的速度和加速度的變化幅度較貨箱靠近最低位置時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貨箱快速上升或下降，節(jié)省了行程時間；在整車重心較高時以低速運行，車體不會發(fā)生過大的震動和搖晃，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）對快遞運輸車的升降機構(gòu)進行虛擬設計，確定其設計要求。

（2）對絲杠剪叉式升降機構(gòu)建立三維實體模型，利用Creo3.0軟件較準確地得到絲杠剪叉式升降機構(gòu)的位移、速度和加速度等運動學參數(shù)。

（3）通過分析驗證了升降機構(gòu)能夠滿足智能快遞運輸車的設計要求。

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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

項目編號：江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃省級重點項目（項目編號：XCX2016011）

王統(tǒng)順（1995-），男，江蘇連云港人，本科，研究方向：機械設計制造及其自動化。