（机械设计及理论专业论文）基于层次模块化大桁架提升系统装配序列规划.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 据联合国工业发展组织统计报告显示，2 0 0 9 年中国在世界工业生产总值中所 占有的份额达到1 5 6 ，成为仅次于美国的的第二大制造业大国。但是在中国制造 业迅速发展的同时，也带了资源浪费、环境污染、经济效率低等严峻问题。而在 产品装配环节，往往因为装配流程设计的不合理、缺乏装配序列优化意识而浪费 了大量的人力、物理、财力资源，阻碍了产品的开发和投产。 近年来结合虚拟装配技术的产品装配序列规划是国内外学者研究的一大热 门，也取得了很大的成果。但针对多零部件、复杂结构装配，传统的解决方法还 存在很大的局限性。本文研究的大桁架提升系统就是工程项目中一个结构复杂、 零部件繁多的运动机构。如何利用有效的方法来简化模型，规划出可行的优秀装 配序列对产品的开发的设计、施工和运行都有非常重要的重用。 本文首先对系统的使用环境、功能结构、设计思想和具体模型结构等方面做 了简要概述。然后结合本文设备特点提出了层次模块化信息建模方法来简化模型， 把一个复杂的产品简单化，大信息量的信息模型缩小化。然后以这种层次模块化 模型为基础结合现目前主流的集中装配序列规划方法提出了层次综合装配序列规 划法，并用“二层次综合模糊装配序列评价方法”对可行装配序列进行优劣评价。 基于以上复杂产品装配序列规划研究，对本文的大桁架提升系统进行算例推 演，以此来验证本文方案的可行性。通过推演来研究装配序列的整体表示，如何 简单提取并评价优劣。通过模糊数学二层综合评价数学建模，数据提取来验算不 同装配序列在多因素影响下的综合优劣。 待装配序列优化完毕，利用s o l i d w o r k s 2 0 1 0 运动算例和c a m t a s i os t u d i o6 来 对整体装配流程、运行流程进行动画仿真。以此展述一种大型全流程仿真动画的 制作方法，为系统设计、技术交流、现场施工和后期提升系统控制设计、运行维 护等提供直观技术支持。 关键词：装配序列，装配模型，序列规划，模糊评价，动画仿真 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h es t a t i s t i c a lr e p o r tf r o mu n i d o ( u n i t e dn a t i o n si n d u s t r i a ld e v d o - p m e n to r g a n i z a t i o n ) ，c h i n ah e l dt h es h a r eo f15 6 i nt h ew o r l di n d u s t r i a l ( g d p ) i n 2 0 0 9 ，a n db e c o m et h es e c o n dl a r g e s tm a n u f a c t u r i n gc o u n t r yo n l yt ot h eu n i t e ds t a t e s b u ta c c o m p a n i e db yt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , s o m e s e r i o u sp r o b l e m ss u c ha s w a s t i n g o f r e s o u r c e s ，p o l l u t i n g t h ee n v i r o n m e n t ，l o w e c o n o m i ce f f i c i e n c ya r eo u t s t a n d i n g a n di nt h el i n ko fp r o d u c ta s s m b l y ，p e o p l ea r e w a s t i n go fag r e a td e a lo fh u m a n ，p h y s i c a la n df i n a n c i a lr e s o u r c e sb e c a u s eo f u n r e a s o n a b l ea s s e m b l yp r o c e s sd e s i g n ，l a c k i n go ft h ea s s e m b l ys e q u e n c eo p t i m i z a t i o n c o n s c i o u s n e s sw h i c hh i n d e r st h e d e v e l o p m e n to ft h ep r o d u c ta n dp u t t i n gi n t o p r o d u c t i o n i nr e c e n ty e a r sw i t ht h ev i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g yp r o d u c ta s s e m b l ys e q u e n c e p l a n n i n gi so n eu p s u r g eo ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r s ，w h oa l s oh a v em a d eg r e a t a c h i e v e m e n t s b u tf o rs o m ea s s e m b l yb o d yo fl a r g en u m b e ro fp a r t sa n dc o m p l e x s t r u c t u r e ，t h et r a d i t i o n a ls o l u t i o ns t i l le x i s tg r e a tl i m i t a t i o n s t h el a r g e - s c a l et r u s s m e c h a n i s mt h i sp a p e rs t u d i e si sam e c h a n i s mw i t hc o m p l i c a t e ds t r u c t u r ea n dv a r i o u s p a r t s h o wt ou s eo fe f f e c t i v em e t h o dt os i m p l i f ym o d e l ，p l a no u te x c e l l e n tf e a s i b l e a s s e m b l ys e q u e n c ei si m p o r t a n tt od e v e l o p m e n t ，d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no f p r o d u c t f i r s t l y , t h eu s i n ge n v i r o n m e n t ，t h ef u n c t i o ns t r u c t u r e ，t h ed e s i g ni d e aa n dt h e s p e c i f i cm o d e ls t r u c t u r eo ft h em e c h a n i s mi sb r i e f l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee q u i p m e n ti nt h i sp a p e rp u t sf o r w a r dam o d e l m e t h o db a s e do nt h em o d u l a rs t r a t i f i c a t i o nt os i m p l i f ym o d e l ，m a k eac o m p l e xp r o d u c t s i m p l e ，l a r g en u m b e ro fi n f o r m a t i o nt os m a l l a n dt h e nb a s e do nt h es t r a f i f i c a lm o d u l a r m o d e lc o m b i n i n gm a n ym a j o ra s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n gm e t h o d sp u t sf o r w a r d c o m p r e h e n s i v es t r a t i c a la s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n ga n dm a k e su s eo fc o m p r e h e n s i v e t w ol e v e la s s e m b l ys e q u e n c ee v a l u a t i o nm e t h o dt oe v a l u a t et h ef e a s i b l ea s s e m b l y s e q u e n c e s w i t ht h ea s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n ga n dr e s e a r c ht oc o m p l e xp r o d u c ta b o v e ，g i v e t h el a g r e s c a l et r u s sa sae x a m p l ei nt h i s p a p e rt od e d u c ei no r d e rt ov e n f yt h e f e a s i b i l i t yo ft h i sp l a n t h r o u g ht h ed e d u c t i o nt or e s e a r c ht h ew h o l ea s s e m b l ys e q u e n c e s ， i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 h o wt os i m p l yp i c ku ps e q u e n c e sa n df i n d t h e b e t t e ro n e t h r o u g ht h ef u z z y m a t h e m a t i c st w ol e v e l c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm a t h e m a t i c a l m o d e l i n g ，d a t a e x t r a c t i o nt oc h e c kt h ec o m p r e h e n s i v eq u a l i t yo fa s s e m b l ys e q u e n c eu n d e rt h ei n f l u e n c e o f m a n yd i f f e r e n tf a c t o r s a lt e rt h ea s s e m b l ys e q u e n c eo p t i m i z a t i o n ，u s i n gs o l i d w o r k s 2 010m o v e m e n t e x a m p l ea n dc a m t a s i os t u d i o6t os i m u l a t et h ew h o l ea s s e m b l yp r o c e s sa n do p e r a t i o n p r o c e s s 、) l ，i t l la n i m a t i o nt os h o waa n i m a t i o nm a k i n gm e t h o dt ol a r g ec o m p l e t eo v e r a l l p r o c e s ss i m u l a t i o nw h i c hp r o v i d e sv i s u a l l yt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h es y s t e md e s i g n ， t e c h n o l o g ye x c h a n g e ，s i t ec o n s t r u c t i o n a n dt h e nt h eo p e r a t i o nc o n t r o ld e s i g na n d m a i n t e n a n c e k e y w o r d s ：a s s e m b l ys e q u e n c e ，a s s e m b l ym o d e l ，s e q u e n c ep l a n n i n g ，f u z z y e v a l u a t i o n ，a n i m a t e ds i m u l a t i o n i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题来源及背景 课题来源于某工程大型复杂提升系统的设计研究，系统的主要任务是每天让 数十块2 0 余吨的大型桁架上升和下降，最大提升高度达1 0 4 m 。该系统零件种类 繁多、数量巨大，外形尺寸、结构和重量也有很大差别，安装作业的环境繁多， 有工厂车间作业，有现场高空作业。面对这样的工作情况，如何高效的对系统的 总体及部分零部件进行装配序列规划和动画仿真就显得得至关重要。 1 2 研究目的及意义 装配序列规划( a s s e m b l ys c q u c i l c ep l a n n i n g ，a s p ) 是进行工程项目中进行 装配的基础和前提，直接决定装配过程的可行性、可靠性和复杂程度。本文研究 旨在把一个复杂的系统通过模块化分割形成一个个简单的系统模型，对其进行分 析得到可行的装配序列总图，并从中提取多组装配序列进行优劣评价，择优录取。 据相关调查统计，在制造业产品的装配费用占其生产成本的3 0 一5 0 左右【1 1 。 可见费用的相当一部分已经被产品的装配费用占去，并且在很多企业形成了“装 配瓶颈”的现象。优良的装配序列可以提高装配质量和装配效率，为工程节约成 本，缩短生产工作周期，提高系统运行的稳定性、可靠性。通过动画仿真来模拟 系统的装配工艺过程，运行过程，在整个系统的设计、制造、控制运行和维护的 过程中都有非常重要的指导作用。 1 3 国内外现状 1 3 1 装配序列规划定义 装配序列规划是装配的基础核心问题，是指在一定设计方案的条件下，探索 可行的装配序列，从中选取满足所有约束的最优方案，达到装配时间最短和复杂 程度最小的目标，是产品装配规划的重要环节，它的优劣将直接关系到产品的可 装配性、装配质量和装配成本。 1 3 2 装配序列规划早期发展 从上世纪8 0 年代中期，b o u r j a u l t ，s a n d e r s o n 和h o m e m d em e t l l o 等人奠定 了虚拟装配序列研究基础以来【2 一钉，有关a s p 的研究取得了长足的发展。这一阶 段的研究主要集中在装配顺序的几何可行性分析以及几何可行装配顺序求解上。 b o u 巧a u l t l 5 j 等提出了产品装配结构的关联图( l i a i s o n ) 优先表达方法。针对装 配操作的几何可行性，通过对关联图的分析处理，产生一系列的“y e s n o ”形式 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的问题，通过确定这些问题可确定零件的装配优先关系，进而生成装配顺序。 f a z i o 和w h i t l l e y 6 j 在此基础上作了改进和简化，在提问的形式和数量上使人机交 互回答的问题数减少为2 n ，但因为要列举出所有的优先关系，使得这种问题的 回答更为困难。b a l d 丽n 【7 】等人在b o u r j u a l t 和d ef a z i o 工作的基础上，输入信息 为联接图装配模型，应用了一系列推理简化规则，使操作人员需要回答的问题进 一步减小，回答问题时出现遗漏和错误的可能性也大大减少。经过上述的问答后， 可以获取装配顺序优先约束关系，并可求得装配序列。 2 0 世纪9 0 年代以后，随着科技技术的不断提高，装配序列规划的方法研究 得到不断发展和完善，研究水平也在提高。这一阶段有关装配序列规划的研究重 点主要集中在对可行装配序列的生成过程推理方法及提高生成的自动化程度上， 这些研究方法都是建立在一种非常简便的装配模型的基础上，根据这些信息推理 出全部的几何可行装配序列。 s u l d a a nl d 8 】提出了基于子装配体提取的装配序列规划法，即可得到合理拆 卸顺序进而求出装配顺序，定义了节点间分离自由度的概念和计算方法。k a i h s i u n gc h a n g t 9 】等人通过建立含大量装配工艺知识的知识库，用专家系统的方法 来获得满意的装配顺序。 1 3 3 国外研究的的现状 s w a m l n a t h a n 1 0 】提出了基于经验知识的装配顺序规划方法。在该方法中首先 将装配顺序规划中的装配关系图由无向图变成向图，然后通过归纳，总结出各种 可能的装配连接方式，最后便可以得到一些基本的装配顺序和装配模式。 b o n n e v i l l e 1 1 ，l a z z e r i n i t l 2 】等将遗传算法应用用于装配序列规划研究，但是 这种遗传算法仅仅考虑了零部件本身，没有考虑到装配过程中其它信息如零件的 可行装配方向更换、装配工具的更换等因素。o n g 1 3 】，s h a h 1 4 】等利用模拟退火算 法进行装配序列规划，使装配序列能量目标函数值逐步地减小，得到具有最小装 配成本的装配序列，但是由于单独的模拟退火算法对解空间的拓展不够好，收索 效率不高。f a i l l i 和d i n i 1 5 j 等将蚁群算法应用于装配序列规划领域，产品的拆卸 序列是通过蚂蚁的搜索一步一步地建立起来，所以蚁群算法不能直接应用于形成 整条可行的装配序列，和文献 8 】一样是通过求的产品的拆卸顺序来反求装配序 列。r a h i m i v a h e d 【l6 】等将微粒群算法应用在即时制造系统中，对总工效、生产 效率、总装配费用等目标进行优化，并将所得结果与应用多目标遗传算法优化的 结果进行比较。 1 3 4 国内研究的现状 国内对虚拟装配装配序列规划的研究较晚，主要集中在近十几年的时间段。 王振吲1 7 j 在他的毕业论文中基于规约法采用分层压缩思想来对装配体进行序列 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 规划，提出了基于离散面片的层次化装配模型，能够快速的得到装配序列。郭伟 祥【1 8 】，刘志峰等提出基于模块化的思想来对装配序列进行规划，有效的解决了因 为零件增加而出现的“组合爆炸”问题。王挺【l9 】将装配序列规划技术应用于飞机 机翼的装配中，以c a t i a 中c a a 组件为基础进行二次开发完成虚拟装配系统， 可完成序列规划，序列评价等功能，很好的将相关理论应用到工程设计之中。杜 建【2 0 1 等以三维建模软件p r o e 为基础对柴油机机型虚拟装配，完成了装配顺序 和装配轨迹的规划，并用动画插件对系统进行了动画仿真，提高了视觉效果。赵 姗姗【2 1 】将多色理论应用到装配序列的建模，规划之中，建立多色约束关系集合矩 阵。用这种方法建模的特点是便于描述装配过程中的约束关系，具有形式化水平 高、避免“组合爆炸 和易于编程等优点。于嘉鹏，王成恩田】等针对目前在装配 关系模型上结构不完备，获取关系复杂的特点，利用装配关系矩阵研究了装配关 系模型重构和装配关系信息自动获取方法，有效解决了倾斜方向装配的问题。王 成恩，于宏 2 3 】等进一步针对复杂产品进行系统开发一仿真系统a e r o a s s e m ，分析 了系统在矩阵提取、序列规划、工艺图和仿真等方面的优势。也有一些文献针对 并行性、成本、零件干涉等进行了体统的模型建立、序列生成、算法方面的研究 工作。 以上介绍的是针对装配序列数字建模，序列获取等方面的内容，在装配序列 求出以后，如何对结果进行评价优化找出最优的也是非常重要的内容。国内很多 专家学者也对这方面的研究做出了很大的贡献。 目前的研究有基于每一特定约束条件，如成本，质量的序列评价，也有针对 多个约束条件，如并行度，对称性，装配误差等等的评价。理论应用上有灰色理 论，模糊集和熵权法等。高奇峰，石小利【2 4 】围绕装配的并行性和装配成本，对可 行序列进行了优化处理得到了满意结果。王孝义，张友剐2 5 1 ，刘英，杨雷【2 6 1 ，张 嘉易【2 。7 】等应用模糊数学对装配的主要约束因素进行单因素评价和综合评价，提出 了单因素装配性能的隶属度的计算公式，提高了优化装配序列选择的自动化水 平。周开俊，李东波【2 8 】提出了采用客观自适应的熵权法，根据指标评价值的变异程 度来判断各个指标的信息量，进而获得各评价指标在评价中所起作用的大小( 即指 标的权重) ，并与模糊综合评价方法相结合，形成基于熵权与模糊集的产品装配序 列综合评价方法。朱晓林，黄敏纯【2 9 】提出了一种基于灰色关联理论的产品装配序 列评价新方法，将灰色关联理论与专家估测法和权重概念相结合，通过实例验证 了该评价方法的可行性。 1 4 论文研究的内容 本文针对某工程项目系统复杂，零部件多，装配复杂的特点，对具体的装配 重庆大学硕士学位论文1 绪论 顺序进行规划来降低成本，缩短工期，保证质量。首先对系统作了简要的介绍， 描述系统功能和组件结构组成，为后续规划提供基础三维模型支持。再详细介绍 层次模块化的装配模型，为后续工作作理论基础。然后针对模型作装配序列规划 和装配序列模糊评价，得到可行的优秀序列。最后以系统模型为基础进行全程算 例推演并利用s o l i d w o r k s 运动算例的强大功能，对得出的装配序列进行动画仿 真，提供三维视觉支撑和验证。具体结构安排如图1 1 。 图1 1 论文结构安排 f i g 1 1s t m c t i l r ea r r a n g e m e n to fp a p e r 4 重庆大学硕士学位论文2 大桁架提升系统分析 2 大型桁架提升系统分析 2 1 系统作用环境 南滨路是重庆市标志性的滨江路。长江国际，重庆南滨路最引人翘首以待的 滨江建筑巨擎，以1 9 5 m 耀世之势直面长江，北与渝中半岛隔江而望，南接会展中 心、南坪商圈，更与云集国际商业巨头之南滨路商业中心一脉相连，地理位置十 分优越。 长江国际由两栋4 3 层的双子塔组成，其中a 塔楼是甲级滨江商务大酒楼，b 塔楼是五星级丽笙世嘉酒店。本项目位于南滨路长江国际项目双塔之间，塔体左 边是五星级丽笙世嘉酒店，右边是甲级滨江商务大楼。拟在双子塔建筑之间设置 l e d 大型显示屏，为不影响大楼的建筑风貌，l e d 屏为提升式，白天整屏藏于裙 楼，夜晚播放时该屏通过提升装置升至约1 3 5 2 m 处。该屏屏体宽为双子塔间距， 约4 0 m ，屏体面积约4 1 0 0 余平方米。l e d 屏为灯条式，分辨率达到准高清电视效 果。图2 1 是夜间l e d 屏幕显示的效果图。 图2 1 长江国际l e d 屏幕效果图 f i g 2 1t h el e ds c r e e nr e n d e r i n gi nt h ey a n g t z er i v e ri n t e r n a t i o n a l 该系统定位为“重庆名片，世界第一”。在户外悬空的可提升l e d 显示系统中， 该系统的面积、宽度、高度及清晰度等是很高的。为达到与原有城市景观的协调 并不影响现有业主的视线，将l e d 显示屏设计可提升式。白天整屏藏于群楼，夜 重庆大学硕士学位论文2 大桁架提升系统分析 晚播放时该屏通过提升装置升至设计高度。白天由于所有钢桁架均放置于群房屋 顶，不影响南滨路的城市景观。夜间，l e d 的装饰作用将对现有南滨路的灯饰效 果有很大的提升。图2 1 是l e d 显示屏的视域分析图。 图2 2 视域分析图 f i g 2 2m a po ft h ep e r s p e c t i v ea n a l y s i s 上图中红色区域为：0 1 0 0 0 米，上图中绿色区域为：1 0 0 0 - - 2 5 0 0 米，上图 中蓝色区域为：2 5 0 0 - - 3 5 0 0 米。 要求设备使用温度为一1 - - 8 5 ，多在日晒雨淋的天气使用，在烈日、强风、 暴雨、雷电、冰雹、霜冻等极端恶劣天气下，系统也能稳定、正常运行。升或下 降过程，位移精度控制在o 1 0 m m 内，同步运动精度控制在1 5 m m 以内。单块桁 架提升速度控制在8 0 m m s 左右。整个控制系统环境的噪音的等效声级控制在2 类 标准以下。电控柜的防尘等级应达到5 级标准，防水等级应达到4 级标准。 本论文所研究的大型桁架提升系统就是l e d 总体显示系统中非常重要的辅助 系统，用它来满足整个系统夜间升白天降的功能。 2 2 系统关键技术、功能分析及设计思想 提升系统由长江国际a 、b 两塔楼，两塔楼侧的安装导轨、两侧的运行小车、 两侧的自适应接手和大型桁主架组成。两塔楼为系统提升提供支撑，作用力主要 作用于塔楼的两根立柱和改造的楼梁板上；安装导轨为系统提升导向、承重；运 行小车提供驱动；自适应接手采用柔性对接，可以实现球铰副转动和轴向移动； 桁架为l e d 灯条的安装提供平台。 6 重庆大学硕士学位论文2 大桁架提升系统分析 2 2 1 系统关键技术分析 本项目主要关键有：总体分析、l e d 关键技术分析、建筑结构静力分析、建 筑结构动态分析、抗震抗风分析、提升系统创新方案及其控制等。需进行全面准 确、系统综合的分析，提升系统的结构创新，电控系统的关键技术研究。如图2 3 所示。 针对以上关键技术中的流程分析和结构创新中工艺设计，提炼出系统的装配 序列规划，为系统的全面设计提供技术支撑。对已经设计好的结构方案要进行序 列规划得出结果，分析序列装配的合理性、可行性、经济性等因素又可以反作用 于结构方案设计，如此往返实现优化。 长江国际l e d 软屏升降系统 广jtl 1 i 系统分析l i 结构创新i l 电繇绞i 上上 萄淞一博向l 一精度e l i 较屏_ 结构l 电控i i牵引l 位姿l 定位，一l 传递传动i 限位i 羁飘 一丞夔 舄扁 保护 瓢口眄口n1 压 图2 3 提升系统关键技术研究 f i g 2 3k e yt e c h n o l o g yr e s e a r c ho ft h el i f t i n gm e c h a n i s m 2 2 2 系统功能分析 功能定义：产品的功能就是对一个产品的输入与期望输出之间的那些清晰和 可重现关系的描述，它独立于任何特殊的形式之外。 主要功能是指满足用户需求的最重要功能；次要功能为满足用户要求的除主 要功能之外的次重要功能；辅助主要功能实现的功能为辅助功能；子功能是产品 功能的组成部分。通常情况下，一个综合功能必须分解为可识别、相应于子任务 的子功能。 根据l e d 屏的夜晚提升、白天降落的要求，提升系统需满足如下功能： 牵引：提供l e d 显示系统提升及行走的动力。 导向：限定l e d 显示系统运动的轨迹路线。 定位：确定l e d 显示系统提升到位的位置。 自适应：释放l e d 桁架两端与塔楼间3 个角度和1 个位移自由度，使得两 塔楼独立运动。 重庆大学硕士学位论文 2 大桁架提升系统分析 承重：提供l e d 显示系统在降落储存状态的静态和动态支撑。 对以上子功能进行进一步的功能分解，并和相应的系统机构相对应来形成系 统的功能分解图如图2 4 所示。 匝囤 牵引弯道牵引 竖直牵引 电机+ 锥齿轮机构 电机十直齿轮机构 正面导向h 导孰+ i e 面导向轮( 4 组) 侧面导向h 导孰+ 信面导囱轮( 2 组) 电机制动嚣 查! 墨里h 墨重呈垫：墨重丝 o _ _ 一一 竖直承重h 电机制动器糊动 自适应机构 图2 4 系统功能分析 f i g 2 4f u n c t i o na n a l y s i so fm e c h a n i s m 2 2 3 设计思想 设备位于长江南岸，风速较大，十年一遇( 1 0 m 高处风速2 0 m s ) 风载荷为 3 4k n m 2 ，五十年一遇( 1 0 m 高处风速2 5 m s ) 风载荷达5 4k n m 2 ，若按整屏受 风载其载荷分别为1 4 1 4 4k n 和2 2 4 6 4k n 。由此可见，无论垂直载荷还是水平载荷， 尤其水平风载对两侧塔楼的影响是破坏性的。因此，对l e d 活动显示屏的布置形 式、提升方式、储存空间均提出众多难题。 由此，本项目提出“分段承载、桁架附屏、独立提升、刚柔结合、l 行走、载 荷最小、十年设计百年校核”的设计指导思想。 “分段承载”，4 0 0 0 多平方的l e d 屏整体受力太大，故将整个l e d 屏沿高度 方向划分为2 0 个独立的承载单元，可分散受力，降低承载。 “桁架附屏”，l e d 屏刚度太小，故将l e d 屏附着在具有一定刚度强度的桁架 上，l e d 屏伴随桁架提升行走。 “独立提升”，总体提升所有桁架单元负荷大、时间长，故每个桁架单元两端安 装独立的行走系统，节约总体运行时间。 黑黑 一兰兰静 重庆大学硕士学位论文2 大桁架提升系统分析 “刚柔结合”，两塔楼由中间桁架将其联接形成一体而破坏其独立性，故将桁架 与l e d 刚性联接、提升系统与塔楼刚性联接、桁架与提升系统为柔性联接，且上 下桁架间采用弹性机构限位。 “载荷最小”，桁架、行走小车与塔楼的联接点距离立柱越近越好，使得整个系 统对两塔楼的附加力、力矩最小。 “l 行走”，l e d 显示时在塔楼立柱的垂直轨道放置，存储检修时沿弧形轨道 行走在门厅双层水平轨道存储检修。 “十年设计百年校核”，提升系统户外使用，两塔楼间1 0 0 多米高处风载变化大、 方向不确定，而风载对机械结构强度刚度影响最大，故采用十年一遇风载设计机 械系统、百年一遇风载校核构件强度刚度。 2 3 系统结构设计 针对系统功能模块结构，按照所要求的设计思想对具体的系统机械结构进行 设计。对系统的总体布局、具体子系统模块进行设计介绍。 2 3 1 系统总体布局设计 如图2 5 所示，对提升系统的横向布局进行设计。左边塔楼是a 塔楼，右边 是b 塔楼，整个系统相对a 、b 塔楼承重立柱的中心面完全对称布置。导轨竖直 部分和弧形导轨的一端焊接在塔楼承重立柱连接板上，导轨横向部分和弧形导轨 的另一端部焊接在横向改造梁上的连接板上，承重导轨焊接到楼层连接板上。2 0 个独立的运动提升系统均匀的布置在横向导轨和承重导轨上，系统间距1 3 0 0 m m 。 图2 5 系统横向布局 f i g 2 5h o r i z o n t a ll a y o u to ft h es y s t e m 9 重庆大学硕士学位论文2 大桁架提升系统分析 图2 6 是提升系统纵向布局设计，也是最终l e d 屏显示的布局方案，2 0 个独 立的提升系统均匀的布置在竖直导轨上，间距为5 2 0 0 m m 。图2 7 对局部进行放大 显示，为了防止桁架上升过程中大幅度摇摆，在桁架之间的两边端部各设计安装 一个防摆机构。上升运行过程中桁架之间保持5 3 0 0 m m 左右的运行距离，待运行到 位后再缓慢靠拢到位。 图2 6 系统纵向布局 f i g 2 6v e r t i c a ll a y o u to ft h es y s t e m 2 3 2 系统子结构模块设计 l 形导轨设计 图2 8 弧形导轨平面图 f i g 2 8p l a n ef i g u r eo ft h e a r c s h a p e dg u i d e 图2 7 纵向布局局部放大图 f i g 2 7m i c r o s c o p eo f v e r t i c a ll a y o u t 图2 9 “l ”形导轨总体轮廓图 f i g 2 9t h eo v e r a l lo u t l i n eo ft h e l t y p eg u i d e 1 0 重庆大学硕士学位论文2 大桁架提升系统分析 如图2 9 是“l ”形导轨的总体轮廓图，9 0 弧形导轨中心线的半径是 2 2 8 1 6 1 m m ，竖直导轨总高1 0 1 3 7 8 m m ，水平导轨长度3 2 3 9 6 m m ，导轨宽度7 7 2 m m 。 总体竖直导轨由2 8 节3 5 8 1 4 2 m m 及1 节1 0 9 8 2 4 m m 长的导轨段组成，总体水平 导轨由9 节3 5 8 1 4 2 m m 长的分段组成。如图2 1 0 是弧形导轨段的正视平面图，最 小内半径r 1 = 1 9 8 5 6 1 m m ，最大外半径r 2 = 2 6 6 7 6 1 m m ，和水平导轨的连接段多出 1 6 8 m m 长的直线段。 图2 1 0 直导轨段爆炸图 f i g 2 10e x p l o s i o nf i g u r eo ft h es t r a i g h tg u i d e 1 、内六角圆柱头螺钉m 3 0 x 8 0 及弹垫和平垫，共计5 0 套2 、角钢1 3 、槽钢2 5 c14 、导轨底板5 、直齿条6 、槽钢2 5 c27 、角钢2 如图2 1 0 所示是直导轨段的爆炸图，它由导轨底板、槽钢等零部件组成。导 轨底板厚3 0 m m ，两端开了4 个差不多大小的椭圆形孔，用以焊接到承重立柱或者 改造梁上的连接板上，底板上的突出条可对直齿条进行限位。两条角钢对称的焊 接到槽钢上，用以承重和导向限位等。用内六角圆柱头螺钉，抗拉强度好，便于 安装维护等。 承重导轨设计 图2 1 1 承重导轨结构图 f i g 2 11s t r u c t u r eo fl o a d b e a r i n gg u i d e l l 重庆大学硕士学位论文 2 大桁架提升系统分析 承重导轨保证了提升系统在水平静止和运动状态的应力释放，a 、b 两塔楼完 全对称布置，为桁架提升系统的放置提供结构的支撑。如图2 1 1 所示，承重导轨 由9 段导轨直道段、2 8 块焊接板及导轨弯道过度段组成。导轨直道段通过焊接板 和楼层横梁上的连接板均匀地焊接在一起，确保其稳定性和强度要求。过度段对 行走小车在弧形导轨上的运行轨迹具有导向和限位的作用，其截面和承重导轨直 道段的界面相同，确保平稳过渡。 行走小车设计 图2 1 2 行走小车结构图 f i g 2 12s t r u c t u r eo fw a l k i n gm e c h i n e 1 、承重轮组12 、承重轮组23 、水平导向轮14 、水平导向轮25 、竖直导向轮1 6 、轴承端盖17 、圆柱直齿轮8 、水平导向轮39 、水平导向轮41 0 、竖直导向轮2 1 1 、轴承端盖21 2 、变速器1 3 、电机1 4 、竖直导向轮组31 5 、水平导向轮组5 1 6 、水平导向轮61 7 、轴装配1 8 、圆柱锥齿轮1 9 、行走小车机架2 0 、水平导向轮组7 2 1 、水平导向轮组82 2 、竖直导向轮组42 3 、承重轮组3 2 4 、承重轮组4 图2 1 2 清楚的表示了行走小车结构组成，在轴装配两端承端盖下方还隐藏了 两个相同规格的圆锥滚子轴承，通过端盖和机架上的圆孔把圆锥滚子轴承卡紧， 保证轴装配及其之上的圆柱直齿和圆锥齿轮灵活转动。圆柱直齿和圆锥齿轮的固 定和定位靠轴上的套筒和定位销完成。 承重轮组合水平导向轮组结构相同，分别把承重轮组和竖直导向轮组结构细 化分解如图2 1 3 和2 1 4 。承重轮中7 、8 、9 部件是在轮组整体转配完成后装到行 走小车时再装，同样竖直导向轮组中1 5 、1 6 、1 7 三零件也是如此。竖直导向轮轮 架轴上开定位键孔，键用螺钉连接。 4 3 2 l o 9 8 7 6 一o 4 3 2 2 9 9 2 l l 1 1 l l l l 2 3 4 5 6 7 8 9 比h 娩 重庆大学硕士学位论文 2 大桁架提升系统分析 图2 1 3 承重轮组结构图图2 1 4 竖直导向轮组结构图 f i g 2 13s 缸1 l c t l 肛eo fl o a d - b e a r i n gw h e e lf i g 2 14s 缸。u c t i l r eo fv e r t i c a lg u i d ew h e e l l 、轴2 、双列角接触球轴承1 、轮子2 、孔用弹性挡圈3 、圆锥滚子轴承1 3 、承重轮4 、孔用弹性挡圈4 、套筒15 、轴6 、圆螺母7 、止动垫圈 5 、套筒6 、垫圈17 、垫圈28 、套筒29 、轴承2l o 轮架1 i 、垫圈l 1 2 、 8 、圆螺母1 9 、圆螺母2叠簧外圈1 3 、叠簧1 4 、垫圈21 5 、垫圈3 1 6 、圆螺母11 7 圆螺母2 大型桁架设计 一 桁架整体结构如图所示，桁架主体由圆钢管焊接而成，整个桁架外包形状为 长方体。桁架左右两侧的接手与行走小车上的自适应联接器联接，前面安装l e d 显示屏。桁架内宽约为8 4 0 m m ，其内安装人行过道、上下爬梯、控制柜等。桁架 为l e d 显示屏的载体，通过小车提供的动力带动l e d 显示屏提升、降落。 图2 1 5 桁架结构图 f i g 2 15s 廿u c n h eo f t r u s s a 、b 塔楼两承载立柱导轨安装面间距离4 1 6 0 0 m m ，为了保证导轨的安装精 度导轨安装面与立柱间预留8 0 m m 间隙，自适应联接器接手端部距离导轨安装面 1 6 8 4 m m ，桁架长度3 8 0 0 0 m m 。l e d 显示屏的高度为5 2 0 0 m m ，为保证桁架与桁架 2 3 4 5 6 7 8 9他m埔m i 二 重庆大学硕士学位论文2 大桁架提升系统分析 间的安全距离，取桁架的高度为5 0 0 0 m m 。单块桁架的尺寸为3 8 0 0 0 m m x 5 0 0 0 m m 。 桁架所受主要载荷包括结构自重、l e d 显示屏重量、水平风载荷的作用及其载荷。 自适应连接器设计 长江国际由a 、b 塔楼和群楼三栋楼组成，这三栋楼相互之间是独立的，当受 到风载等外部载荷时具有独立的相对运动，根据相关资料，当风载为1 0 年一遇时， a 、b 塔楼在1 3 0 米高处时相对运动可达至u + 7 0 m m 。如果用桁架刚性的连接a 、b 塔楼，将可能对塔楼造成破坏性的结果，因此在桁架两端设置自适应联接器是很 有必要地。 为了保证l e d 显示屏的播放效果，l e d 屏的左右像素不能错位，因此l e d 屏两端不能同时串动，因此自适应联接器a 具有x 向移动和a 、y 转动的自由 度，而自适应联接器b 只具有a 、y 转动的自由度。 自适应联接器的外观简图如图2 1 8 所示，左端是自适应联接器与行走小车的 连接接口，右端是与桁架接手的连接接口。与小车的对接采取的方式是当自适应 联接器调到安装位置后直接用螺钉卡住，安装简单。自适应联接器与桁架的对接 如图所示，与桁架的接口采用的是通长孔，在安装时可以较好的适应现场的误差， 将自适应联接器的x 向调整调回零点时用螺栓连接好。 与 y 向调整 图2 1 6 自适应外管简图 f i g 2 16s i m p l i f i e do u t w a r da p p e a r a n c eo ft h ea d a p t i v e 2 4 本章小结 本章首先结合项目背景介绍了系统使用的特殊复杂作业环境，再对系统关键 技术、功能模块进行了简单分析，确定了整个系统开发的设计思想，最后以此为 基础对系统总体布局、子系统部件模块进行了详细的设计介绍。 1 4 重庆大学硕士学位论文3 装配模型 3 装配模型 上一章通过介绍分析得出了大型行街提升系统的三维结构模型，其中的主要 部件构成等。而本文的研究重点是如何把这些零部件有序、有效地装配组合起来， 就需要对系统的装配信息模型进行分析确定。 装配模型涉及到产品能装配序列生成的整个过程，并完整、清晰地表达装配 层次和装配信息。简单、明了的装配模型课降低整个装配序列规划的复杂程度， 为后续的装配序列生成、评价及仿真做技术准备。本章现对目前的几种装配模型 表示方法做简要分析，结合项目产品本身特点确定自己的装配模型表示。 3 1 装配模型综述 b o u l j a u l t 提出二维拓扑结构装配模型，图3 1 所示某简单装配体的b o u 巧a u l t 模型。其表达式如下： g = ( e ，v ) ( 3 1 ) 其中，g 表示装配体，e 表示装配体中各零件实体，v 表示各零件之间的装配联 接关系。在很多装配体中，零件之间的连接关系有多种。但在此关联图模型中全 部都表示成无向弧线。可见，b o u l j a u l t 提出的关联图是一种最简单的无向图，但 装配模型的信息表示不完善。 图3 1b o u r j a u l t 装配模型 f i g 3 1b o u r j a u l ta s s e m b l ym o d e l h o m e n d em e l l o 和s a n d e r s o n 将b o u r j a u