基于UG的翻轉(zhuǎn)工作臺動力分析及工程應(yīng)用

陳水勝，鮑曉斌，華中平，楊林杰

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

液壓翻轉(zhuǎn)臺是在液壓系統(tǒng)驅(qū)動下，適應(yīng)不同規(guī)格物件安全、平穩(wěn)、有效的翻轉(zhuǎn)要求，實(shí)現(xiàn)物件空間位置或工位的改變，滿足工藝條件及輸送要求，通常將物件由臥式轉(zhuǎn)換成立式或?qū)⒘⑹睫D(zhuǎn)換成臥式的作業(yè)目標(biāo).液壓驅(qū)動以其體積小、驅(qū)動力大而廣泛應(yīng)用于帶自卸功能的車輛、浮橋、艙門以及自動化生產(chǎn)線加工機(jī)械零件中［1］.

以如圖1所示模型的液壓翻轉(zhuǎn)工作臺為例，該翻轉(zhuǎn)臺采用活塞式雙作用單桿液壓缸的活塞桿驅(qū)動，承載物（需翻轉(zhuǎn)物件）固定在翻轉(zhuǎn)工作臺上，可以進(jìn)行豎直位置和水平位置的變換.

圖1 液壓翻轉(zhuǎn)工作臺的極限位置

在翻轉(zhuǎn)過程中，由于重力的作用，工作臺翻轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩并不是恒定的，特別是在翻轉(zhuǎn)對象（工作臺及承載物）的重心沿著翻轉(zhuǎn)方向越過轉(zhuǎn)軸支點(diǎn)的豎直位置時(shí)，會因重力失穩(wěn)造成沖擊，不利于工作，嚴(yán)重時(shí)還會導(dǎo)致安全事故.因此，對于此類液壓翻轉(zhuǎn)臺，必須對液壓缸的驅(qū)動力進(jìn)行分析和計(jì)算，并提出合理的控制方法.

1 運(yùn)用UG進(jìn)行動力學(xué)分析

1.1 翻轉(zhuǎn)工作臺的力學(xué)分析

動力學(xué)仿真之前首先用傳統(tǒng)的力學(xué)知識計(jì)算液壓缸的受力情況，翻轉(zhuǎn)臺的力學(xué)模型如圖2所示.

圖2 液壓翻轉(zhuǎn)臺力學(xué)模型

翻轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)是經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的結(jié)果，其中x1＝1 730mm，y1＝100mm，x2＝350 mm，y2＝850mm，L1＝1 670mm，L3＝70mm，L4＝980mm，L5＝770mm，G1為翻轉(zhuǎn)臺所受重力4 900N，G2為貨物所受重力9 800N，θ為翻轉(zhuǎn)臺與豎直方向的夾角（0≤θ≤90°），L2為液壓缸到旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的距離（隨θ的變化而變化）.

液壓缸所提供的力F對O點(diǎn)的力矩必須要平衡掉承載物與翻轉(zhuǎn)臺的重力對O點(diǎn)的力矩，才能保證翻轉(zhuǎn)臺工作時(shí)不會失穩(wěn).根據(jù)這一點(diǎn)建立平衡方程，計(jì)算出的液壓驅(qū)動力

上式表示了液壓驅(qū)動力隨θ角變化的方程，由上式可以得出：

1）翻轉(zhuǎn)臺由豎直位置運(yùn)轉(zhuǎn)到水平位置的過程中，液壓缸所要提供的最大推力Fpush大小為15 179.6N，F(xiàn)push最大時(shí)θ為0°；

2）翻轉(zhuǎn)臺由水平位置運(yùn)轉(zhuǎn)到豎直位置的過程中，液壓缸所要提供的最大拉力Fpull的大小為33 718N，此時(shí)θ為90°.

翻轉(zhuǎn)臺對O點(diǎn)的重力矩和承載物對O點(diǎn)的重力矩平衡的時(shí)候θ滿足：

代入數(shù)據(jù)求解得：θ＝53.5°.

依據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，初步選擇液壓缸直徑為80mm，活塞缸的直徑為56mm.

工作臺在液壓缸推力下翻轉(zhuǎn)時(shí)，無桿腔最大壓力為

工作臺在液壓缸拉力下翻轉(zhuǎn)時(shí)，有桿腔最大壓力為

為避免工作臺翻轉(zhuǎn)時(shí)因重力失穩(wěn)造成沖擊，可以采用液壓力平衡翻轉(zhuǎn)物重力的方法加以控制，通常在液壓缸的回油路上設(shè)置一個(gè)背壓閥，用單向順序閥來實(shí)現(xiàn).在該類翻轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)中，此順序閥的開啟壓力應(yīng)使液壓缸的背壓力能克服工作臺翻轉(zhuǎn)時(shí)的最大重力矩.由于液壓缸背壓力的存在，必然會導(dǎo)致液壓系統(tǒng)工作壓力增加.

根據(jù)以上計(jì)算分析可知，在液壓缸推時(shí)，有桿腔的背壓力為p2；在液壓缸拉時(shí)，無桿腔的背壓力為p1.因此，考慮系統(tǒng)的壓力損失，系統(tǒng)壓力應(yīng)為液壓缸推、拉時(shí)的最大值.

當(dāng)工作臺在液壓缸推力下翻轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)工作壓力p最大為

當(dāng)工作臺在液壓缸拉力下翻轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)工作壓力p最大為

因此，考慮系統(tǒng)的壓力損失，系統(tǒng)壓力應(yīng)設(shè)計(jì)在p＞19.1MPa.

由計(jì)算結(jié)果可知，液壓系統(tǒng)總的工作壓力較高，并且在液壓缸推和拉時(shí)，壓力差別很大.如果將計(jì)算結(jié)果直接應(yīng)用于工程實(shí)際，勢必增加系統(tǒng)制造、使用和維護(hù)成本.可以考慮翻轉(zhuǎn)工作臺由雙缸驅(qū)動，以減少每個(gè)缸的工作壓力、降低能耗及降低系統(tǒng)成本；同時(shí)，雙缸驅(qū)動也能夠增加翻轉(zhuǎn)工作臺的穩(wěn)定性.

1.2 翻轉(zhuǎn)工作臺的動力學(xué)分析

UG是一款大型綜合的CAD／CAM軟件，不僅能夠輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)，而且可以對任何二維或三維機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動和力學(xué)分析與仿真，從而驗(yàn)證運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化［2］.

分析時(shí)，首先利用UG建立液壓翻轉(zhuǎn)臺各個(gè)部件的三維模型，采用雙缸驅(qū)動的配置，并將這些部件裝配起來，調(diào)整各部件的位置關(guān)系從而建立完整、真實(shí)的液壓翻轉(zhuǎn)臺模型.

然后，利用UG的運(yùn)動和力學(xué)分析功能對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析：

1）對所有活動構(gòu)件建立連桿，建立連桿時(shí)要設(shè)置每個(gè)構(gòu)建的質(zhì)量、質(zhì)心、慣性矩等參數(shù)，這也是分析是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵步驟.

2）根據(jù)機(jī)構(gòu)實(shí)際的運(yùn)動規(guī)律，設(shè)置兩個(gè)連桿之間的運(yùn)動副，包括旋轉(zhuǎn)副、滑動副等.

3）定義該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動驅(qū)動，該構(gòu)件是由液壓缸驅(qū)動的，選用STEP設(shè)置液壓缸的運(yùn)動驅(qū)動函數(shù).

4）設(shè)置解算方案的參數(shù)，時(shí)間為13s，步數(shù)為1 300步，重力加速度的大小和方向設(shè)置好以后就可以進(jìn)行求解了.

最后，利用UG的圖表功能分析翻轉(zhuǎn)臺底板與豎直面夾角θ與液壓缸提供驅(qū)動力F的函數(shù)關(guān)系圖（圖3）.

圖3 液壓缸的驅(qū)動力F與翻轉(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)角度θ關(guān)系圖

從圖中可以直觀看出雙缸驅(qū)動的每個(gè)缸的驅(qū)動力變化規(guī)律.

運(yùn)用探測模式從圖中可以讀出幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)：液壓缸推力為610N，最大拉力為16 925N，當(dāng)液壓缸提供力的大小為0時(shí)，!為54°.

由以上結(jié)果可以算出：

1）翻轉(zhuǎn)臺由豎直位置運(yùn)轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，每個(gè)液壓缸無桿腔的最大壓力為1.51MPa，有桿腔最大背壓力為6.6MPa，系統(tǒng)壓力為4.9MPa；

2）翻轉(zhuǎn)臺由水平位置運(yùn)轉(zhuǎn)到豎直位置時(shí)，每個(gè)液壓缸有桿腔的最大壓力為6.6MPa，無桿腔最大背壓力為1.51MPa，系統(tǒng)壓力為9.6MPa.

通過UG分析得到的結(jié)果與傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果基本一致，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證.雙缸配置比單缸配置的系統(tǒng)壓力減少了一半，穩(wěn)定性也得到了提高.

2 控制方法的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)該液壓翻轉(zhuǎn)工作臺的工況條件，其翻轉(zhuǎn)動作采用“機(jī)—電—液一體化”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動控制的工作要求.主要控制及實(shí)現(xiàn)方法如下：

1）在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，將兩臺液壓缸分別置于工作臺的兩側(cè)，以兩缸驅(qū)動方式降低系統(tǒng)壓力，并改善工作臺的受力狀態(tài)；同時(shí)，利用其與工作臺的剛性連接，實(shí)現(xiàn)兩缸動作的同步.

2）采用電磁換向閥控制液壓缸的動作，實(shí)現(xiàn)工作臺的翻轉(zhuǎn)功能.對工作臺的翻轉(zhuǎn)采用行程控制和機(jī)械定位，以提高其工作可靠性.

3）采用調(diào)壓回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作壓力，以滿足不同翻轉(zhuǎn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的要求，提高工作臺的翻轉(zhuǎn)工作能力.

4）采用調(diào)速回路，調(diào)節(jié)工作臺翻轉(zhuǎn)運(yùn)動速度，以滿足不同翻轉(zhuǎn)速度要求的翻轉(zhuǎn)對象要求，提高其工作穩(wěn)定性.

5）設(shè)置平衡回路，以克服工作臺翻轉(zhuǎn)時(shí)的重力失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性，保證生產(chǎn)安全.在工作臺翻轉(zhuǎn)的重力失穩(wěn)階段，利用行程控制，適時(shí)引入平衡機(jī)制，有利于進(jìn)一步降低系統(tǒng)工作壓力，節(jié)省能源.

6）設(shè)置鎖緊回路，液壓鎖安裝在液壓缸附近，確保工作臺停止在工作位置時(shí)的位置準(zhǔn)確性.

7）采用卸荷回路，當(dāng)系統(tǒng)處于開機(jī)狀態(tài)、工作臺不需要實(shí)施翻轉(zhuǎn)動作時(shí)，液壓泵處于卸荷狀態(tài)，有利于節(jié)約能源.

對于此類液壓翻轉(zhuǎn)工作臺，采用上述“機(jī)—電—液”控制關(guān)鍵技術(shù)，有效地避免了翻轉(zhuǎn)時(shí)的重力失穩(wěn)現(xiàn)象，工作過程平穩(wěn)、安全可靠.其中，液壓驅(qū)動及控制是關(guān)鍵，所涉及液壓系統(tǒng)原理見圖4，主要包括換向、調(diào)壓、調(diào)速、平衡、鎖緊、同步、卸荷等功能回路［3］.

圖4 液壓原理圖

3 結(jié)束語

用UG的motion功能模塊對液壓翻轉(zhuǎn)臺進(jìn)行動力學(xué)仿真，得到了實(shí)際工作狀態(tài)下液壓缸受力變化規(guī)律；并與傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算比較，結(jié)果準(zhǔn)確.結(jié)合工程實(shí)際，提出了多缸液壓驅(qū)動及其控制方法，特別是采用了可控的背壓平衡回路，使翻轉(zhuǎn)臺的工作穩(wěn)定性和可靠性更高，并有利于降低系統(tǒng)壓力，節(jié)約能源.

［1］ 曹玉寶.工件翻轉(zhuǎn)裝置液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2011，39（4）：74－77.

［2］ 顧振兵，程 濤.外骨骼機(jī)器人液壓缸的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械與電子，2012，（7）：77－80.

［3］ 左建明.液壓與氣壓傳動［M］.南京：機(jī)械工程出版社，2010.