一種多方位系列化演示儀的設(shè)計與分析*

□ 劉旭帥 □ 陸體文 □ 劉思毫 □ 周超超 □ 陳定方

武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所 武漢 430063

產(chǎn)品展示伴隨著經(jīng)濟、文化的發(fā)展而日益成為當(dāng)今不可或缺的社會活動之一，對經(jīng)濟、生活和文化等領(lǐng)域都產(chǎn)生了很大的影響。產(chǎn)品展示是一個包含廣泛、綜合性強的活動，它與建筑設(shè)計、環(huán)境設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、視覺傳達設(shè)計、影視動畫設(shè)計、電子設(shè)計、多媒體技術(shù)等多個領(lǐng)域有著密切聯(lián)系，并在一定的空間環(huán)境內(nèi)，通過視覺、聽覺、嗅覺甚至觸覺和味覺等多種感官，將要傳達的信息有序、系統(tǒng)且有效地傳遞給觀眾，使觀眾對主辦方要展示的內(nèi)容產(chǎn)生全面的了解。

現(xiàn)今展示的設(shè)備多以平板簡單搭建展示臺為主，既不能對產(chǎn)品進行全方位充分的展示，也不能滿足對系列化產(chǎn)品系統(tǒng)化的展示，更不能照顧到后排觀眾。針對現(xiàn)狀，筆者設(shè)計了一種多方位系列化演示儀，并對其重要機構(gòu)進行相關(guān)分析和仿真。

1 整體設(shè)計和工作流程

如圖1所示，多方位系列化演示儀主要由剪叉機構(gòu)和防擺機構(gòu)組成。剪叉機構(gòu)通過雙向螺桿連接在一起，左右剪叉機構(gòu)分別支撐著中心軸的兩個軸承座，2塊三角板連接在中心軸上，3個置物架通過軸固定在三角轉(zhuǎn)架的3個頂點上。平行四邊形機構(gòu)（平行四邊形機構(gòu)由連桿、2個曲柄和三角板組成）與置物架的軸相連，用來保持置物架在運動過程中的水平。

▲圖1 多方位系列化演示儀機構(gòu)分布圖

工作時，電機驅(qū)動槽輪機構(gòu)（本文不贅述）帶動中心軸與三角轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動，此過程中，由于帶傳動與平行四邊形機構(gòu)的共同作用，置物架在繞中心軸旋轉(zhuǎn)的同時，一直保持水平狀態(tài)。當(dāng)槽輪轉(zhuǎn)過90°時，三角轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動120°停下來鎖死。接著，剪叉機構(gòu)中的滑塊在雙向螺桿的帶動下等速向中間移動，由此推動機架升起。

2 剪叉機構(gòu)的設(shè)計與分析

2.1 剪叉機構(gòu)的設(shè)計

▲圖2 新型剪叉機構(gòu)機構(gòu)簡圖

▲圖3 新型剪叉機構(gòu)三維模型

▲圖4 剪叉式上升機構(gòu)受力簡圖

常見的起升機構(gòu)有剪叉式、齒輪爬升式等，由文獻資料發(fā)現(xiàn)，剪叉式起升機構(gòu)具有空間伸展性強、制造相對簡單、工作穩(wěn)定可靠和承載能力較強的特點?？紤]到旋轉(zhuǎn)裝置的質(zhì)量較大以及整個展示臺的體積不應(yīng)過大，可應(yīng)用剪叉機構(gòu)來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機架的上升。剪叉機構(gòu)一般均用液壓作為上升動力，而液壓系統(tǒng)的設(shè)計、安裝與控制比較復(fù)雜，經(jīng)過思考與論證，提出了一種利用雙向絲杠驅(qū)動平行四邊形的兩對角點而使平臺上升的新型剪叉機構(gòu)，四邊形上下兩頂點分別與上支板和底面機架鉸接，而絲杠上的兩滑塊則將上下兩連桿鉸接在其一端，機構(gòu)簡圖和SolidWorks三維模型分別如圖2和圖3所示。

2.2 剪叉機構(gòu)的運動學(xué)與動力學(xué)分析

新型剪叉式機構(gòu)的運動情況直接影響著整個機架起升的平穩(wěn)性，因此有必要對其運動學(xué)與動力學(xué)特性進行分析，機構(gòu)的受力簡圖如圖4所示。

由機構(gòu)簡圖可以得到如下幾何關(guān)系：

▲圖5 平臺速度與加速度圖

▲圖6 剪叉機構(gòu)受力圖

將建立的SolidWorks三維模型保存為parasolid（x_t）格式，導(dǎo)入到ADAMS中，定義材料屬性，添加約束和運動后，對新型剪叉機構(gòu)進行運動學(xué)仿真，得到平臺上升的速度與加速度曲線，如圖5所示。另一方面，測量滑塊與各桿鉸點處的受力情況，得到剪叉機構(gòu)在運動過程中的動力學(xué)特性，如圖6所示。

從圖5得出，隨著絲杠的勻速轉(zhuǎn)動，上支板作減加速度運動，運行情況與理論分析幾乎一致，符合功能設(shè)計要求。圖6既反映了連桿的受力情況，也反映了絲杠的受力情況。從仿真結(jié)果可知，連桿和絲杠所受軸向力均隨θ的增大而不斷減小，證明了理論分析的正確性以及該機構(gòu)設(shè)計的合理性，能夠滿足起升功能要求。

3 防擺機構(gòu)的設(shè)計與分析

3.1 防擺機構(gòu)的設(shè)計

展示產(chǎn)品在旋轉(zhuǎn)過程中，為避免其翻轉(zhuǎn)而掉落，必須使展示產(chǎn)品在繞中心軸旋轉(zhuǎn)的過程中始終保持水平。防擺機構(gòu)由中心軸、三角板、箱型機架、平行四邊形機構(gòu)與連桿以及同步帶傳動機構(gòu)組成。

防擺機構(gòu)的虛擬樣機如圖7所示，在運行過程中，中心軸帶動三角板一起旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)所有箱型機架的防擺旋轉(zhuǎn)運動。

3.2 三角轉(zhuǎn)架的主要尺寸優(yōu)化

三角轉(zhuǎn)架運動簡圖如圖8所示，主要尺寸包括三角轉(zhuǎn)架中心軸到箱型機架中心軸的距離l以及三角轉(zhuǎn)架的厚度。當(dāng)l取得較大時，可以滿足工作要求，而當(dāng)l減小到某一確定值后，則在旋轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)箱型機架與三角轉(zhuǎn)架中心軸發(fā)生干涉現(xiàn)象。因此以整機質(zhì)量最輕、體積最小以及用料最省的優(yōu)化目標(biāo)對l進行優(yōu)化。

▲圖7 防擺機構(gòu)的三維模型

▲圖8 三角轉(zhuǎn)架運動簡圖

用數(shù)值方法對其進行分析，以三角轉(zhuǎn)架中心軸為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，分析圖8可以發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)箱型機架上的A、B、C、D4個點在運行過程中與三角轉(zhuǎn)架中心軸沒有碰撞，則整個箱型機架能順利繞三角轉(zhuǎn)架中心軸完成360°旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過相關(guān)幾何關(guān)系的計算，可以將這 4個點的坐標(biāo)用已知量 a（200mm）、h（240mm）、d（78mm）以及 l表示出來，它們分別為：

以A點為例，利用以上推導(dǎo)公式在MATLAB軟件中繪制出其運動軌跡，為了便于對比分析，取l=300mm與200mm進行繪制，得到的軌跡分別如圖9所示。

當(dāng)l取200mm時，其軌跡不包括原點，說明在運行過程中，箱型機架下部已與三角轉(zhuǎn)架中心軸發(fā)生干涉， 而l取300mm時，其軌跡包括原點，說明在運行過程中，箱型機架下部不會與三角轉(zhuǎn)架中心軸發(fā)生干涉。由以上分析可以看出，只有當(dāng)4個點的運行軌跡均包含原點時，才能滿足運動條件。

利用上述分析結(jié)果，以三角轉(zhuǎn)架的面積為對象建立相關(guān)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以及約束條件，即：

▲圖9 l取不同值時A點的軌跡圖

在MATLAB中編寫優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以及約束條件的相關(guān)程序，以l=200mm作為初始點，采用interiorpoint優(yōu)化方法進行優(yōu)化，最終得到 l*=260mm，s（l*）=8.781 5×104mm2。優(yōu)化后A、B、C、D 4個點的軌跡如圖10所示。

▲圖10 4點的軌跡圖

4 總結(jié)

提出了一種多方位系列化演示儀展示裝置，通過建立三維模型，對核心部分進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運動學(xué)、動力學(xué)分析,采用相關(guān)軟件對重要構(gòu)件進行仿真分析和驗證，測試和驗證結(jié)果表明，機械設(shè)計合理正確,能完成相關(guān)功能與要求。

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