基于Creo骨架模型液壓升降臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計與尺寸參數(shù)優(yōu)化

（青島大學(xué) 機電工程學(xué)院，青島 266071）

0 引言

剪叉式液壓升降平臺是一種廣泛應(yīng)用于汽車、集裝箱、模具制造、木材加工、化工罐裝等各類工業(yè)企業(yè)及自動化生產(chǎn)線的起重機械[1,2]。具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、舉升力大、運行安全、升降平穩(wěn)、維護方便，可以隨時定位到升降范圍內(nèi)的任意位置等特點。其結(jié)構(gòu)形式多樣化，主要包括單剪式、多剪式、移動式、固定式等[3]。液壓缸的布置形式有垂直固定式、水平固定式、雙鉸接傾斜式等。液壓缸驅(qū)動剪叉式起升機構(gòu)達到升降的目的[4]，在剪叉式液壓升降平臺設(shè)計過程中，液壓缸相對布局位置對升降平臺的起升和降落性能起到關(guān)鍵作用。采用傳統(tǒng)自底向上的設(shè)計方法（即先進行零件的設(shè)計，再將設(shè)計好的零件進行裝配）容易引起不必要的父子關(guān)系，如某零件裝配后存在干涉，就需對該零件及其相關(guān)聯(lián)的零、部件結(jié)構(gòu)進行修改[5]，由此可能會引起整個裝配模型的失敗。采用自頂向下的設(shè)計方法即先進行機構(gòu)的草繪布局、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、構(gòu)建運動骨架，再依附實體、拆分實體、自動裝配。實現(xiàn)了從整體布局到各個零部件的裝配設(shè)計[6]能夠?qū)⒃O(shè)計數(shù)據(jù)從原理記事本向裝配結(jié)構(gòu)傳遞，再傳遞給各個零件，保證裝配結(jié)構(gòu)的整體數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性。利用運動骨架可以進行整個機構(gòu)的運動仿真，分析機構(gòu)在運動過程中的極限位置與方案的可行性[7]。但自頂向下的設(shè)計方法只能對機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)進行大致的構(gòu)建，而零件的具體結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計相對繁瑣。此外，采用自頂向下的設(shè)計方法拆分實體進行自動裝配后組件是剛性連接，不滿足機構(gòu)的運動特性。因此，本文基于Creo3.0軟件將自頂向下和自底向上的設(shè)計方法結(jié)合運用，進行了液壓升降平臺結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計。在滿足機構(gòu)工作和合理運動要求的前提下，對關(guān)鍵零件尺寸參數(shù)進行優(yōu)化，使設(shè)計的機構(gòu)更加緊湊、減少生產(chǎn)成本、縮短研發(fā)周期、保證機構(gòu)設(shè)計的安全性。

1 液壓升降平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 骨架模型的構(gòu)建與實體依附

骨架模型分為標(biāo)準(zhǔn)骨架和運動骨架，可以集中提供設(shè)計數(shù)據(jù)、零部件位置自動變更、減少不必要的父子關(guān)系、可以任意確定零部件的裝配順序、改變參考控制。骨架模型是根據(jù)裝配內(nèi)的上下關(guān)系創(chuàng)建的特殊零件模型[8]，其作為第一個元件放置在裝配體中，控制著裝配結(jié)構(gòu)和尺寸。零件的構(gòu)建參考主體骨架，以主體骨架作為設(shè)計參考。其中，運動骨架控制裝配中實體之間的運動關(guān)系。創(chuàng)建裝配體前，可以在運動骨架中進行運動仿真與干涉檢驗，檢測機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和運動是否達到要求。

在骨架模型草繪好后，分解總運動骨架建立單個主體骨架，定義各個主體骨架之間的運動關(guān)系，在主體骨架的參照下利用實體依附進行各個零件建模。建模后的液壓升降平臺如圖1所示。

1.2 整體機構(gòu)的拆分與重新裝配

圖1 液壓升降平臺總體裝配模型

依附實體后，在主體骨架的參照下創(chuàng)建的零件是一個復(fù)合結(jié)構(gòu)，這樣不利于后期單個零件的結(jié)構(gòu)細化、性能分析及工程圖的繪制，為了解決這一問題，需要通過發(fā)布幾何與復(fù)制幾何的方法進行單個零件的拆分與實體化（拆分前后的零件如圖2所示），拆分后的零件根據(jù)機構(gòu)運動關(guān)系采用自底向上的方法重新組裝，使其滿足機構(gòu)運動需求，從而將自頂向下和自底向上的設(shè)計方法綜合運用。重組后的裝配體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 拆分前后的零件模型

圖3 重組后的裝配體模型

2 液壓升降平臺的運動仿真

在組件下定義好各個零件之間的連接關(guān)系，除滾輪和活塞桿為滑塊連接，其他均為銷釘連接。完成連接定義后在分析模塊中通過測量指令分別測量起升最低角和平臺最低位置并將其生成分析，為后續(xù)的機構(gòu)分析做好準(zhǔn)備。進入Creo3.0機構(gòu)模塊，在機構(gòu)中為油缸定義伺服電機的參數(shù)。設(shè)置伺服電機的運動軸為活塞桿所在軸線，定義伺服電機的速度為6mm/s。建立機構(gòu)位置分析。獲取了平臺高度行程、起升角隨時間變化的趨勢，結(jié)果如圖4所示。其變化符合實際工況。

3 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化

圖4 平臺的高度行程、起升角隨時間變化曲線圖

通過對液壓升降平臺的研究，發(fā)現(xiàn)影響液壓升降平臺性能的主要參數(shù)有升降臺的起升角α、油缸軸線與水平面的夾角θ、活塞鉸支座與剪叉臂中心的距離b、油缸底部鉸支座與活塞頂部鉸支座之間的距離a等參數(shù)有關(guān)[9]，如圖5所示。本文以起升角α、a、b為研究對象，分析三者與油缸推力之間的關(guān)系。

圖5 液壓升降平臺機構(gòu)簡圖

在液壓升降平臺工作過程中，平臺起升的越平穩(wěn)、震動越小越有利于確保機構(gòu)運作的安全性。a與b的值決定液壓升降平臺起升速度變化率。平臺起升速度隨a與b的變化曲線如圖6所示。液壓系統(tǒng)中油缸推力決定機構(gòu)是否可以支撐起負載。在推力合理值范圍內(nèi)，以降低液壓升降平臺的推力及推力的穩(wěn)定變化為目標(biāo)，尋找最適宜的推力，根據(jù)推力大小進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖6 起升速度隨a、b的變化曲線

設(shè)置各個零件的密度屬性，通過運動分析找到質(zhì)心相對于默認坐標(biāo)系在X方向的變化。對升降平臺施加1噸負載，根據(jù)負載參數(shù)初選外螺紋桿頭耳環(huán)式活塞桿液壓缸，缸徑140mm、實際行程400mm，推力、拉力滿足理論計算值。在平臺起升的過程中，其自身重力與負載對鉸支點B產(chǎn)生的彎矩和與油缸的推力對B點的彎矩平衡，其中a和b的值決定了油缸推力距B點力臂大小，讓活塞以6mm/s的速度運動，運行時間10s建立動態(tài)分析，由分析可得升降平臺上升的過程中推力與起升角α的變化曲線如圖7所示。曲線的變化趨勢說明，在起升角12°（最低處）需要的油缸推力最大，在起升角為40°油缸推力最小。隨著起升角逐漸增大，油缸推力由大變小再變大。在推力變化較小的范圍其對應(yīng)的起升角區(qū)間為20°～55°此時a和b隨起升角的變化曲線如圖8所示，分析可得在α變化范圍內(nèi)對應(yīng)a、b的取值區(qū)間：a（985～1040mm），b（100～120mm）。推力最小15000N對應(yīng)起升角為40°，與之對應(yīng)的a為1010mm，b為118mm。在此分析的基礎(chǔ)上對液壓升降平臺進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將其關(guān)鍵尺寸控制在α、a、b的合理值范圍內(nèi)。通過改變骨架模型的layout草繪布局與實體依附特征實現(xiàn)對液壓升降平臺整體結(jié)構(gòu)的快速變更。若圖1液壓升降平臺總體的裝配模型更新后，圖2重組后的裝配結(jié)構(gòu)在模型中重新生成，結(jié)構(gòu)尺寸會立即更新，使設(shè)計更加靈活。

圖7 推力隨起升角的變化曲線

4 結(jié)束語

圖8 a、b隨起升角的變化曲線

在分析液壓升降平臺原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將自頂向下和自底向上的設(shè)計方法綜合運用對液壓升降平臺進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)負載要求初選液壓缸，此時決定油缸推力的起升角、活塞鉸支座與剪叉臂中心的距離以及鉸接位置粗略繪制。通過機構(gòu)運動仿真與機構(gòu)分析確定油缸推力T與起升角α、α與b、α與a的關(guān)系，在油缸推力合理值范圍內(nèi)對影響油缸推力的尺寸參數(shù)進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)液壓升降平臺的快速更新，縮短設(shè)計周期，結(jié)構(gòu)緊湊，減少生產(chǎn)成本，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性與合理性。