套缸式高空作業車擺臂機構機構綜合分析

車仁煒，陸念力，周建成，薛 淵

(哈爾濱工業大學機電工程學院，150001哈爾濱 crw8790@163.com)

套缸式高空作業車是靶場光電控制系統輔助系統的關鍵設備之一，主要功能是將工作人員送至靶室內并為其對靶室進行維護提供一個工作平臺.對此高空作業車的使用要求是:把設備維護人員送至靶室中心，同時作為工作裝置的擺臂機構，在回轉和變幅的同時作用下，使吊籃中的工作人員可對靶球的全部內表面實施維護.由于工作環境特殊，此設備工作空間非常狹窄，還要滿足靶室內部高潔凈的要求，因此，作為高空作業車工作裝置的擺臂機構的構型、運動平穩性和傳動的高效性對設備的使用性能影響非常重大，在設計時對擺臂機構進行機構綜合分析十分必要[1－4].

本文根據剛體平面運動時的運動關系，按給定的運動學和動力學要求，針對已知連桿機構各鉸點的起始坐標、主動搖桿的對應轉角、機架長度等平面綜合鉸鏈機構的各設計變量間的關系，對套缸式高空作業車擺臂機構進行了機構綜合，給出了機構多種可能的構型，并以滿足機構設備空間位置要求和運動平穩、傳動效率高為目標，得出了最優解，為對機構進行優化設計提供了理論依據[5－7].

1 擺臂機構構型分析

套缸式高空作業車最大上升高度11 m，經過的靶球頸部口徑1.4 m，工作裝置變幅半徑為3 m，回轉角度為168°，所經過路徑空間狹窄，工作范圍大.因此，擺臂機構的設計必須滿足環境空間要求和工作位置要求，設計難度很大.

擺臂機構由一個平行四邊形機構和一個六桿機構組成.考慮工作人員工作時的舒適性以及工作半徑的可達性，吊籃應一直處于水平狀態，因此，平行四邊形機構的尺寸已確定.對擺臂機構的工作和使用性能的主要影響，集中在六桿機構[8－10].

1.1 再生運動鏈與新機構的構建

構建新機構時，利用再生運動鏈法，配置原則為:

1)確定原始機構，分析該機構的自由度、運動副類型和數目以及基于使用功能的約束數目和方式;

2)按一般化原則處理原始機構，將其還原成為基本運動鏈的形式;

3)重新組合運動鏈，找出具有相同構件數和運動副數但結構形式卻不相同的一組運動鏈;

4)通過合理布置其輸入、輸出構件，合理選擇機架，滿足運動學及動力學要求，提高機構效率;

5)按使用功能要求選擇系列化運動鏈，按功能約束對其進行特定化處理，搭建新機構.

現有機構經一般化后得到一六桿機構，但是，根據機構的組成原理，六桿機構具有多種構型，即使構件數、運動副數都相同，具有確定的相對運動的六桿機構運動鏈結構也有多種.為了得到滿足相同拓撲結構的機構的構型和使用要求，在特定的約束條件下，設計出運動學和動力學性能較高的靶室維護設備，本文運用機構再生運動鏈法對其進行類型綜合.

根據擺臂機構的工作性能、使用要求和已確定的約束情況，可由組合運動鏈衍生出新的一組運動鏈.而由得到的再生運動鏈，利用一般化原則的逆順序，將其還原為具體的機構.

圖1為擺臂機構的運動簡圖，其中，構件1為機架，構件2和3為液壓缸和活塞桿，構件4為主動搖桿，構件5為連桿，構件6為從動搖桿，是執行機構的驅動臂，帶動吊籃轉動.其中，由構件1、2、3、4、5、6 組成一個平面六桿機構，由構件 1、6、7、8組成一個平行四邊形機構，整個機構是一個平面綜合連桿機構.使用功能上的約束情況要求吊籃即工作平臺始終處于水平狀態，而且工作位置要覆蓋整個靶球內表面，本文將對傳遞運動和動力的六桿機構進行機構綜合.

將六桿機構的運動鏈進行一般化處理，以一般桿替代液壓缸和活塞桿，且將由液壓缸和活塞桿組成的移動副用轉動副替代(P)，將機架1釋放，得到如圖2所示的擺臂機構中六桿機構的一般化運動鏈.

圖1 擺臂機構運動簡圖

圖2 六桿機構的一般化運動鏈

1.2 約束條件

根據擺臂機構的使用要求與工作要求，作為構建新機構類型的依據，確定約束條件如下:

1)連桿總數N和運動副總數F均保持不變，即 N=6，F=7;

2)必須有一個固定件作為機架;

3)機構中含有一個液壓缸;

4)液壓缸本身作為機架或與機架鉸接;

5)必須有一與固定桿鉸接的雙副桿作為執行件，且不能與活塞桿鉸接;

6)活塞桿一端與液壓缸組成移動副，另一端不能與機架鉸接.

根據以上約束條件，可求得4種六桿組合運動鏈衍生出的再生運動鏈，其步驟如下:

步驟一，將液壓缸本身作為固定件，或者選固定桿的一端與液壓缸鉸接;

步驟二，選擇一個與機架鉸接的雙副桿作為輸出構件，并使其不與活塞桿鉸接;

步驟三，活塞桿一端不能與機架鉸接，另一端與液壓缸組成移動副.

2 擺臂機構機構綜合

在運動鏈中，令符號G表示機架，C表示液壓缸活塞桿，P表示由液壓缸和活塞桿構成的移動副，E 表示輸出構件[11]，由 No.1型六桿機構運動鏈(斯蒂芬遜型，兩個三副桿非直接鉸接)衍生出6種再生運動鏈，由No.2型(瓦特型，兩個三副桿直接鉸接)衍生出4種再生運動鏈，由No.3型(在No.1型或 No.2型的基礎上，使上面的3個連桿構成復合鉸鏈)衍生出10種再生運動鏈，由No.4型(在No.3型基礎上，使下面的三根連桿構成復合鉸鏈)衍生出1種再生運動鏈.

將由運動鏈再生獲得的21種擺臂機構運動鏈，利用一般化原則的逆推順序，還原為具體機構，得到如表1所示的再生運動鏈和具體機構簡圖.刪掉原機構后，生成了擺臂機構的所有新構型.

表1 再生運動鏈及機構運動簡圖

將表1和圖1共21種機構形式進行分析比較，由于擺臂機構要求的特殊性，六桿機構運動鏈的4種類型中后2種結構更緊湊，滿足結構緊湊性要求;去掉液壓缸倒置方案，滿足套缸式高空作業車由于伸縮臂機構特定結構形式的限制;去掉以液壓缸為機架的結構類型，滿足高空作業車不希望液壓缸成為機架要求.另外，由于二副桿比三副桿的結構剛度大，裝配可調性強，能用二副桿，就不用三副桿，使其自然尺寸更小，結構更緊湊.因此，最終選擇圖3的構型方案.

圖3方案采用液壓缸驅動，剛度高，驅動力大，傳動效率較高.原方案之一，采用電機絲杠傳動，以絲杠驅動平行四邊形機構中吊籃大臂，效率低，傳動時產生振動與噪聲，電機與絲杠皆在靶室內部，潤滑條件會給靶室造成污染，同時也不滿足潔凈度要求.原方案之二采用油缸直接驅動大臂，在幾個特殊位置，傳動角很小，運動性能很差，同時由于擺臂擺動角度很大，還會導致液壓裝置復雜的問題.而圖3所示的最終方案，采用一個液壓缸驅動，且使液壓缸一端與機架鉸接，結構緊湊，傳動裝置的尺寸減小，液壓裝置簡單，更有利于滿足設備特殊的工作要求，傳動角比原方案二增大很多，且能滿足空間可達性要求，運動學性能很高，運動更加平穩，傳動效率更高.

圖3 最終方案

3 結論

1)本文針對擺臂機構中六桿機構各鉸點的起始坐標、主動搖桿的對應轉角以及各構件的長度，根據剛體平面運動時各設計變量間的運動關系，通過對六桿運動鏈連桿類配方案選擇，在此基礎上再生運動鏈，形成了20種新的機構形式，完成了擺臂機構的機構綜合.

2)對原機構進行改進，得到了滿足使用要求和設備工作空間約束條件要求并提高了運動學和動力學性能及傳動效率的最優解.

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