一種機(jī)械式升降工作臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

齊德才 姜 波 鐘 浩

(山東工業(yè)技師學(xué)院機(jī)電工程系，山東 濰坊 261053)

1 機(jī)械式升降平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與組成

機(jī)械式升降工作臺(tái)工作原理：本機(jī)械式升降工作臺(tái)是由行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)等組成的一種升降設(shè)備，具有重量輕、自行走、電啟動(dòng)、自支腿、操作簡單、作業(yè)面大，特別是能夠跨越障礙進(jìn)行高空作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[1]。

其中，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是絲杠螺母副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，很好地利用絲杠螺母的自鎖性質(zhì)；行走機(jī)構(gòu)是由萬向腳輪構(gòu)成，支撐機(jī)構(gòu)是由剪式機(jī)構(gòu)組成，電動(dòng)控制機(jī)構(gòu)控制升降工作臺(tái)的啟動(dòng)，支腿結(jié)構(gòu)是由連桿機(jī)構(gòu)控制。當(dāng)下壓扳手時(shí)支腿下降而四輪上升，從而實(shí)現(xiàn)固定的作用。在電機(jī)帶動(dòng)升降工作臺(tái)升降的過程中加上限位開關(guān)，從而防止由于超出進(jìn)程而導(dǎo)致電機(jī)的突然停轉(zhuǎn)，以免燒壞電機(jī)[2]。

機(jī)械式升降工作臺(tái)通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，進(jìn)而帶動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副，通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制升降工作臺(tái)的升降；而行走機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)前后左右的移動(dòng)[3]。

行走機(jī)構(gòu)用的是萬向腳輪來實(shí)現(xiàn)的，萬向腳輪是輪子的一個(gè)種類，腳輪是個(gè)統(tǒng)稱，包括活動(dòng)腳輪(萬向腳輪)和固定腳輪。萬向腳輪的結(jié)構(gòu)允許360°旋轉(zhuǎn)；固定腳輪沒有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，不能轉(zhuǎn)動(dòng)。通常是2種腳輪一般都是搭配用的，比如手推車的結(jié)構(gòu)是前邊2個(gè)固定輪，后邊靠近推動(dòng)扶手的是2個(gè)活動(dòng)萬向輪。萬向腳輪具有耐磨、噪聲小、耐腐蝕、耐撞擊、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、轉(zhuǎn)動(dòng)軌道準(zhǔn)確、承載能力強(qiáng)、款式時(shí)尚、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是由齒輪減速機(jī)構(gòu)和絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)組成，其中動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副具有以下特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高，因?yàn)闈L珠絲杠采用滾珠滾動(dòng)代替普通絲杠螺母副的滑動(dòng)，減小了摩擦力，能量損失小，機(jī)械效率可以達(dá)到92%以上；通過預(yù)緊滾珠，消除了螺母副之間的軸向間隙；由于摩擦力小，絲杠的磨損也小，絲杠的壽命高。齒輪減速機(jī)構(gòu)具有較高的機(jī)械效率，效率可以達(dá)到90%以上，而且能夠?qū)崿F(xiàn)很好的減速功能，通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制升降工作臺(tái)的升降。而齒輪減速機(jī)構(gòu)具有精確的傳動(dòng)比和高的效率。

支撐機(jī)構(gòu)用的是X形剪式結(jié)構(gòu)，X形剪式機(jī)構(gòu)是一種單自由度機(jī)構(gòu)，在實(shí)踐中得到了廣泛地應(yīng)用，如玩具、燈具、登高作業(yè)臺(tái)、起重平臺(tái)等，一般是利用它的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具有放大的平行位移的特點(diǎn)。在升降平臺(tái)中常采用X形的剪式機(jī)構(gòu)，支撐機(jī)構(gòu)是由內(nèi)、外鉸鏈組成，內(nèi)外鉸鏈兩邊分別是鉸鏈連接和直線導(dǎo)軌。直線導(dǎo)軌具有工作精度高、大幅度降低驅(qū)動(dòng)率、潤滑結(jié)構(gòu)簡單、防塵、密封能力強(qiáng)、安裝方便、互換容易、承載能力大、剛度強(qiáng)等特點(diǎn)。該升降工作臺(tái)就是采用這種X形剪式結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)升降的，作為升降工作臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)。支撐機(jī)構(gòu)的連接方式有2種X形剪式結(jié)構(gòu)，兩邊一邊是由滑塊在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，而另一邊是由鉸鏈連接。通過這2種機(jī)構(gòu)的組合很好地實(shí)現(xiàn)了電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母副完成轉(zhuǎn)動(dòng)變換為平動(dòng)，平動(dòng)通過導(dǎo)軌進(jìn)一步完成工作臺(tái)的升降。

升降工作臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 升降工作臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 機(jī)械式升降平臺(tái)的優(yōu)化

機(jī)械式升降工作臺(tái)的組成：升降工作臺(tái)的行走機(jī)構(gòu)、升降工作臺(tái)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降工作臺(tái)的支撐機(jī)構(gòu)3部分組成[4]，機(jī)械式升降工作臺(tái)的總體機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械式升降工作臺(tái)的總體機(jī)構(gòu)

通過力學(xué)分析對(duì)升降平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行外鉸架的受力分析、內(nèi)鉸架受力分析、力和力矩的分析計(jì)算，整體受力分析計(jì)算，內(nèi)、外鉸架單獨(dú)受力分析，所以，這些力我們可以用一邊來考慮的，所以F為鉸架與底座成時(shí)絲桿所承受的一半力的大小。計(jì)算公式如下：

其中：T-絲桿受力大小

進(jìn)行升降工作臺(tái)的升降高度計(jì)算，最終獲得所需要的升降高度，同時(shí)，可以根據(jù)情況進(jìn)行實(shí)際的調(diào)節(jié)。進(jìn)而，根據(jù)負(fù)載計(jì)算，對(duì)機(jī)械式升降工作臺(tái)的電機(jī)進(jìn)行選擇，并整體上確定最終升降平臺(tái)的設(shè)計(jì)尺寸，形成圖紙，進(jìn)行生產(chǎn)、核驗(yàn)。

3 結(jié)語

通過對(duì)升降平臺(tái)的理論計(jì)算，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。選用通用的X型剪式機(jī)構(gòu)作為支撐與升降結(jié)構(gòu)，通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的升降，從而很好地利用了直線導(dǎo)軌，同時(shí)有實(shí)現(xiàn)保護(hù)的防護(hù)欄結(jié)構(gòu)，有限位開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)升降工作臺(tái)的保護(hù)，通過萬向腳輪可以實(shí)現(xiàn)橫向或者縱向移動(dòng)，從而指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)，很好地降低成本。