（机械工程专业论文）多功能升降机的设计研究及在实际中的应用.pdf

大连理工大学专业学位论文 摘要 在2 0 0 5 年年底，我公司为一汽大众二厂焊装车间进行规划、设计、制造并安装f u t u r e b 6 ( 即m a g o t o n ) 底板生产线的任务，该生产线分为u b l 线下夹具、u b l 点定工位、 u b l 补焊线；u b 2 线下夹具、u b 2 点定工位、u b 2 补焊线。而有u b i 补焊线之u b 2 点定工位是采用垂直升降机、空中机械化传输直至由多功能升降机运送至u b 2 点定工 位。由于多功能升降机定为我公司采购或制造来提供，所以我公司经过研究决定由我参 照一汽大众现场设备进行设计。 在设计过程中应用了设计方法学的有关原理，从功能分析开始入手，对该设备总功 能进行了分析与分解，从而将现场使用和要求的功能分解为最小的功能元，再应用形态 矩阵法给出多种可行方案，采用系统工程评价法求得最佳方案。也论证了现场使用的方 案时最佳方案。本文所述的设计就是在此基础上进行的设计、论证及验算，同时由于采 用了不同于国外产品的运行轨道，为检验该轨道的承载能力，对该运行轨道及c 型吊挂 件进行了有限元分析，从而得出满足使用要求的结果。 该设备采用先进的s i e m e n s 公司s 7 4 0 0 型p l c 控制。并采用德国p h o e n i x 公司的 4 0 0 系列模块( i b ss 74 0 0e t hd s c i t ) ，通过国际流行现场总线控制方式之- - ( h t e r b m f i l e db u s ) 利用光纤通讯对设备进行控制。 该设备的电气控制系统是由我公司承包给德国h o 册锄公司，采用符合德国大众标 准配置及控制方案进行设计制造的；并设有p 锄e l - p c 和s w a c 面板与p l c 一起对设备 进行全自动、手动和强制手动操作，从而满足一汽大众的使用要求。 该设备已在一汽大众随整条底板线一起验收。截止到今年，我公司已为一汽大众生 产了4 台该设备。取得了可观的经济效益。 关键词：汽车；物流设备；多功能升降机( v a r i o l i f t ) 多功能升降机的设计研究及在实际中的应用 t h ev a r i o l i f td e s i g na n da p p l i c a t i o nr e a s e r c h a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fo t u a m o m o b i l em a n u f a c t u r i n g t h er e q u i r e m e n to fh i g h e f f i c i e n c y ，h i g h p r e c i s i o na n dh i g h - p o w e r e dp r o d u c tl i n eh a db e c o m et h eo n eo fi m p o r t a n t e l e m e n t sr e s t r i c t e dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do f a u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n g a sap a r to f p r o d u c t l i n e ，t h ee l e v a t o rf o rc a ri sp l a y i n ga l li m p o r t a n tr o l ei na u t o m o b i l ee n t e r p r i s e d u et ot h e t r a d i t i o n a ld e s i g n i n gm e t h o d sw h i c ha r eg e n e r a l l ya d o p t e dn o w a d a y s ，t h eq u a l i v yo ft h e e q u i p m e n tc a nn o tb ee n s u r e d a i m i n ga tt h i ss i t u a t i o n , i tn e e d sn e wd e s i g nm e t h o d s t oc r e a t e t h ep r o d u c t sf a s t t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h em o d e lo f t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo f t h ee l e v a t o r f o ru n d e rb o d yo ff u t u r eb 6c 楚w i t l lt h et r a d i t i o n a la p p r o a c ho fm o d e l i n ga n da n a l y z e st h e m o d e li nv e r t i c a ld i r e c t i o nt om e e tt h en e e d so fd e s i g n , a n dam u l t i f t m c t i o ne l e v a t o ri s d e s i g n e d i nt h i sp a p e r ，f i r s t l y ，t h ec o r r e l a t i v et h e o r yo fm e t h o d o l o g yo fd e s i g ni sa p p l i e d , t h e w h o l l yf u n c t i o no fe l e v a t o ri sa n a l y z e da n dd e c o m p o s e d t h em i n i m a le l e m e n t so ff u n c t i o n a r ed e c o m p o s e db a s e do nt h ef i e l d w o r kf u n c t i o na n dr e q u i r e m e n tf u n c t i o n t h es h a p e d e s c r i p t i o nm a t r i xi sa d o p t e dt oc r e a t em a n yf e a s i b l es c h e m e s ，t h e n , t h eb e s ts c h e m ei s o b t a i n e db yu s i n gt h ee l e v a t i o nm e t h o do fs y s t e me n g i n e e r i n g t h ec o r r e s p o n d i n gd e s i g n , a r g u m e n ta n dc h e c k i n gc o m p u t a t i o n sa r ed o n eb yl a y i n g t h ef o u n d a t i o n s e c o n d l y ，a d i s s i m i l a rt r a n s m i s s i o nr a i lw i t ho v e r s e a se q u i p m e n ti sa d o p t e d , i no r d e rt od e t e c ti t s1 0 a d a b i l i t y f m i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft r a n s m i s s i o nr a i la n dct y p e1 1 0 0 ka g ec a r r i e dt h r o u g h t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e si tm e e tt h er e q u i r e m e n to fd e s i g n f i n a l l y s i e m e n ss 7 - 4 0 0 t y p ep l ci su s e dt or e a l i z ec o n t r 0 1 t h eb u so f p h o e n i x4 0 0s e r i e sm o d d e ( i b ss 74 0 0e t h d s c i - t ) i sa d o p t e dt oc o m m u n i c a t e t h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo fe l e v a t o r ，w h i c hi s a c c o r d i n gw i t ht h es t a n d a r do fv o l k s w a g e n , i sr e a l i z e db yh o r m a nc o m p a n yg e r m a n y t h e i n t e r f a c eo fp a n e l p ca n ds w ct o g e t h e rw i t hp l cf u l f i l la u t o m a t i c ，m a n u a la n df o r c i b l e m a n u a lo p e r a t i o nt oe q u i p m e n ti no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do ff a w - v o l k s w a g e n t h er e s u l t so ft h es t u d yi n d i c a t et h a tt h ed y n a m i c sm o d e la n dt h ea n a l y t i c a lm e t h o d a d o p t e db yt h ep a p e rn o to n l ya c c o r dw i t h t h ep r a c t i c a l i t yo fe n g i n e e r i n g , p r o v i d et h e p r a c t i c a lw a y sf o rs p e c i a le l e v a t o rf o ru n d e rb o d yp r o d u c tl i n eo ff u t u r eb 6c a r ，b u ta l s o a c t u a l i z ep a r a m e t r i co p t i m i z eo ft r a n s m i s s i o nr a i la n dct y p eh o o lt h ea c h i e v e m e n to ft h i s p r o c e s sh a ss a t i s f i e dt h ed e m a n d so ft h ee n t e r p r i s ea n di m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e e l e v a t o r i i 大连理工大学专业学位论文 k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e ：l o g i s t i c se q u i p m e n t ；m u l t i f u n c t i o ne l e v a t o r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：望堑二丝日期： 大连理工大学工程硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教炳完全了解“大连理王大学硕士、谗士学位 论文版权使月规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借澜。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库送行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：芝! 圣塑塑 翩签名：玉 立年业月曰 大连理工大学专业学位论文 引言 自1 8 8 6 年德国工程师卡尔奔驰和戈特利勃戴姆勒分别发明了三轮和四轮汽油 机汽车以来，已经历了1 0 0 多年的历史，在这1 0 0 多年国外的汽车制造业尤其是轿车生 产已经由最初的手工生产、流水线大批量生产发展到自动化工业大生产。在这个过程中， 国外逐渐形成了完整的汽车生产装备及配套元器件制造业，包括汽车生产线上的往复杆 传输设备、辊床及升降辊床设备、移载机( 即o v e r h e a d ) 、升降机、旋转台、机器人抓 具及输送、输送链及输送带等产品均有专业化生产厂家进行研究和设计，并且制造精度、 质量、使用稳定性和寿命均优异各种应用设备。 由于科学技术的发展，使当今的汽车汽车生产线的规划、设计、制造变成了各种科 技产品及设备的高度集成，由此便形成了汽车生产线的集成制造。国外的各种设备制造 均有专业制造商，这就形成了社会化大生产，使设备的生产周期及可靠性得到了保证。 例如附录d 所示的就是由德国k u k a 公司集成制造的宝马和高尔夫汽车生产线部分照 片，它包含了众多的机器人抓取上料运送设备、垂直升降设备、往复杆传输设备、机器 人激光焊、机器人点焊、机器人涂胶、自行小车输送等众多的设备和系统，而这些设备 和系统是通过现场总线、p l c 及微机系统有机的联系在一起，从而形成整个的大的生产 线系统。 而目前我国汽车工业的发展正方兴未艾，这为我国的装备制造业提供了前所未有的 发展机遇，同时我们也面临了巨大的挑战。一个国家汽车工业发展的水平反映了国家装 备制造业的整体技术水平。目前不论是机械制造领域，还是控制技术领域我国均落后于 国外的先进水平。就制造领域，由于工艺手段及生产设备的落后，还由于一些专用设备 及元件无人研究和开发，使在国内有太多的元器件及设备无法采购到，只能依赖进口。 即使有相同的设备，由于制造工艺相对落后，使精度、稳定性和寿命等技术性能无法与 国外的抗衡，间接的许多厂家也要求使用进口设备和元器件。就控制领域，国外在汽车 生产中以大量应用各种现场总线系统，网络系统及微机控制系统，而在我国只有外资或 合资的汽车企业才能肴此应用，这也间接导致我国这方面的人才短缺，技术的落后。 由我国汽车装备制造业起步晚，对汽车厂的工艺规划、设计也比国外落后，为了提 高汽车厂的生产工艺及设备技术水平，只有大量的采用进口的元器件及设备，从而使我 国的相关企业生产成本高居不下，这在我公司为汽车厂进行规划、设计、集成制造中尤 其明显。 为了降低集成成本，也为了赶超世界先进水平，我们首先应该学习国外的先进工艺、 制造及控制技术，将这些先进的技术引进来进行消化吸收；然后我们应在仔细的分析、 多功能升降机的设计研究及在实际中的应用 研究和总结的基础进行相似的设计、制造及控制，将我们自己的设计队伍建立起来，培 养起来；最终达到有所创新发展的美好未来。这样我们就可以赶上甚至超越国外，站在 该领域的世界| j 仃列。 在汽车生产线中一个很重要的内容就是物流运输，它的优劣将直接影响到生产线是 否拥阻。而物流运输中所使用设备的可行性将直接影响到生产线是否可行，生产节拍是 否能达到产能的要求。这对汽车生产时非常重要的。 本文所述的正是我公司在为一汽大众设计制造f u t u r eb 6 ( 即m a g o t o n ) 底板焊装线 时所遇到的一种物流传输设备。该产品国外已有，而在国内没有生产厂家，如果从国外 进口将花费高昂的资金，为了降低成本，也为了汽车装备制造行业技术水平的发展，起 到抛砖引玉的作用，从而带动整个行业相关技术人员为行业的发展做出努力。我们参照 一汽大众现有德国制造的有关设备，利用了设计方法学的功能分析的有关原理对该设备 进行了个功能分析，并利用系统评价方法论证了现场应用的该设备方案是最佳方案；在 参考了现代物流设备设计与选用、非标准机械设备设计手册、机械工程师手 册、特种胶带传动的设计与使用手册、起重运输机金属机构以及s e w 电机及 减速机样本和t m s 有关v a r i o l i f t 的技术描述对该设备进行设计分析和研究，同时还应 用了a n s y s 软件对设计使用的铝型材轨道和c 型钩进行了有限元分析，从而确定了所选 的铝型材轨道承载没有问题，所设计的7 个c 型钩吊架也满足要求。对电气自动化控制 方面本文也做了部分介绍。该设备从设计、制造、安装及现场使用的情况看达到了使用 目的。 随着我国汽车行业的发展，车型的更新换代会越来越快，这样就要求我们装备制造 和集成商要有快速的反应能力，要跟上主机厂的发展速度，并且所生产的设备很快就能 调试使用，这就为开发研制及集成制造各种类似设备创造了条件，同时也充满挑战。面 对挑战，我应该掌握更先进的数字化虚拟制造手段和方法。在设计的时期进行设备的动 态仿真和数字化工厂的生产仿真，以期达到更快速、更可靠的规划、设计制造无故障的 保证使用寿命的生产线，为我国汽车工业的发展作出应有的贡献。 大连理工大学专业学位论文 1产品规划 1 1 汽车生产线的物流设备介绍m 嘲 所谓物流就是物品从供应地向接受地的实物流动过程，并根据工作需要将运输、储 存、装卸、搬运、包装、流通加工、配送、信息处理等基本功能实施有机结合。 自从有了物料的流动，就逐渐产生了相应的物流机械设备，它是伴随着运输物流、 生产物流和仓储物流产生的，它是进行物资装卸搬运作业的物质基础。 物流机械设备的种类很多，可按功能和物流作业环节进行不同的分类；按功能可分 为起重机械、运输机械、装卸搬运机械、专用机械、自动化仓库设备等；按物流作业环 节可分为铁路装卸机械、港口装卸机械、仓储机械、汽车生产线的物流机械等。 在汽车生产线中所使用的输送设备有如下几大类：升降机运输设备、升降辊床及滑 撬运输设备、板式运输链、往复杆运输设备、皮带运输设备，空中悬链运输设备、机械 手、自行小车系统、a g v 自动车、机器人抓取以及电动葫芦加吊具运输设备等。如图 1 1 为一汽解放公司的随动升降机，它是应用于汽车生产调整线上与机运线进行输送的 主要设备。图1 2 为板式输送链，它是汽车装配线上应用较广的一种间断输送或连续输 送的的设备，可有单板链和双板链之分。图1 3 为升降辊床及滑撬运输设备，它有凸轮 摆杆式升降、电机驱动滚珠丝杠加剪刀叉式升降等方式，它是汽车生产线上工位之间自 动运送制件较常用的一种方式。图1 4 为往复杆输送设备，它也是是汽车生产线上工位 之间自动运送制件较常用的一种方式。图1 5 为机械手，它是工位和工位之间较为方便 灵活的上下件运送设备。 本文所述的多功能升降机( 如图1 6 即v a r i o l i f l 设备) 也是属于升降机，是一种升 降平移设备的一种，同样用途的设备还有移载机( 如图1 7 即o v e r h e a d ) 设备。 多功能升降机的设计研究及在实际中的应用 图1 1 一汽解放随动升降机 f i g 1 1 s e r v oe l e v a t o r o f j i e f a n g 。a u t o m o b i l e 图1 2 板式输送链 f i g 1 2 f l a tc o n v e y o rc h a i n 一4 大连理工大学专业学位论文 图1 3 升降辊床及滑撬运输设备 f i g 1 3e l e v a t o rr o l l e r b e da n ds i l d e 图1 4 往复杆输送设备 f i g 1 4 s h u t t l ec o n v e y i n ge q u i p m e n t s 一5 多功能升降机的设计研究及在实际中的应用 图1 5 机械手 f i g 1 5m a n i p u l a t o r 图i 6 多功能升降机 f i g 1 6v a r i o l i f i 一6 一 大连理工大学专业学位论文 图1 7 移载机 f i g 1 7 o v e r h e a d 1 2 汽车车身制造工艺介绍捌啪嘲 汽车车身按承载形式可分为非承载式和承载式两种；非承载式车身有独立的刚性车 架，载荷由车架承担，一般用在货车、客车和越野吉普上，也在少部分高级轿车使用： 承载式没有刚性车架，车身负载通过悬架装置加载到车轮上，大部分轿车属于此种车身 结构。 汽车车身按有无骨架可分为无骨架和有骨架形式；无骨架车身是由薄板冲压件、装 焊的车身构件及车身覆盖件采用焊接、胶接等方法进行连接，多用于轿车、旅行车、货 车驾驶室、微型车等；有骨架车身多用于大客车、中巴车等上，它是由异型材经冲压和 弯曲、装焊成车身骨架、涨拉并焊接或铆接车身蒙皮而形成白车身。 总而言之汽车车身的制造有4 大工艺：方别是冲压工艺、装焊工艺、涂装工艺以及 装配工艺。 本文所述设备是应用于轿车生产的，对轿车车身来说其4 大工艺就是车身覆盖件冲 压工艺、车身覆盖件装焊工艺、车身壳体的涂装工艺以及车身的装配工艺。 轿车车身大约有4 0 0 多件冲压件焊接而成，其冲压件大致可分为机舱盖部分、行李 箱盖部分、前后车门部分，后背门部分、翼子板部分、前围板部分、地板部分、侧围部 分等几大部分冲压件。 多功能升降机的设计研究及在实际中的应用 轿车车身的装焊工艺与一般的机械加工工艺不同，车身几乎全部由冲压仵焊接而 成，是将冲压零件组装、焊接成符合产品设计要求的白车身。轿车车身装焊过程先是将 冲压零件装焊成小总成，再由小总成装焊成总成( 如地板总成、发动机舱总成、左右侧 围总成、后围总成、顶盖总成、左右前门总成、左右后门总成、发动机舱盖总成、行李 箱盖总成、左右翼子板总成等) ，最后再由各大总成装焊成白车身。 涂装工艺是为了对车身起到防腐保护、装饰及标志作用，某些特殊涂料还能起到隔 热、防震消声的作用。他要经过前处理工艺、底漆工艺、车底防护工艺、中涂工艺及面 漆工艺等。 装配工艺是制造工艺过程的最后一个环节，可分为部装和总装两大类，其成品成为 分总成、总成和整车。轿车车身装配的成品是整车，属于总装。它是由内饰装配线、变 速器分装线、底盘装配线、车轮分装线、外饰装配线及检测线组成。 1 3 多功能升降机的功能和用途 在汽车生产中为达到生产自动化程度较高以及解决生产中因故障产生不致使停线 目的，经常设计有缓冲设备。空中机械化传输线正是为满足这样缓冲而设计的，它可以 由物流规划设计出流向及所需缓冲数量。由于汽车生产一般是在地面上进行的，而实施 物流的机运线又设在空中，这就要求汽车生产中要将地面上生产的制件抓起升降运送到 空中机运线上，再由机运线运送到其他工位，并再次应用升降装置运回地面进行继续生 产直至完成产品。如图l o 是在一汽大众f u t u r eb 6 轿车生产线中实际应用的多功能升降 机，在实际生产中底板一总成经过底板一点定，用p i c ku p 抓取放到机运线辊床及滑橇 上，通过机运线和带辊床的升降机运至底板- * b 焊线，经过补焊后的底板一通过带辊床 的升降机再次运到空中机运线上，并由空中机械化辊床及滑橇运送到底板二点定工位上 空，再由多功能升降机( v a r i o l i f i ) 从空中用抓具抓取到底板二点定工位，点定完成后 再由多功能升降机( v a r i o l i f t ) 用抓具运回到空中机械化辊床及滑橇上，在规划这个工 艺过程中运用了多功能升降机设备。设计该设备的目的就是为了将一汽大众f u t u r eb 6 下部一总成从空中自动化运输的辊床上卸下放到下部二点定夹具上由机器确认进行点 定，等点定完成后再由多功能升降机( v a r i o l i f i ) 将下部二吊起放回到空中自动化运输 辊床上。整个过程全部依靠传感器、i n t e r b u s 现场总线及p l c 编程来自动控制。它有纵 向运动，升降运动，并且采用了绝对值编码器使纵向移动位置、升降高度位置可准确定 位。 大连理工大学专业学位论文 1 4 可行性分析 图1 8 多功能升降机 f i g 1 8 v a r i o l i f t 1 4 1 产品设计的必要性 随着我国汽车工业的发展，我们引进了大量国外的先进工艺和设备，虽然我们引进 了这些设备和工艺，但其核心技术仍然掌握在少数外国公司手中，如果我们继续应用这 些设备，继续从国外进口，势必造成重复引进，这既不利于我们自身技术实力的进步和 发展，同时也造成成本过高。 本文所讲的v a r i o l i f t 正是在我公司实施的m a g t o n 底板生产线的过程中遇到的这样 的设备，如果进口成本很高，且工期较长，也不利于我们汽车工业长期发展的要求。由 于m a g t o n ( 即发f u t u r eb 6 ) 底板线是我公司为一汽大众规划设计的焊装生产线，而一 汽大众s a g a t a r 和c a d d y 生产线上有该种设备。故我们完全可以借鉴现场现有的设备进 行设计，这样也为日后同样设备的设计制造提供了依据，同时也为我公司在汽车装备行 业中增加了新的产品。 1 4 2 预期达到的水平 该设备是轿车生产中的一个较重要设备，可以通过s w c 面板和s p s 编程进行手动 操作，也可以通过s p s 编程处理进行自动操作，此时它的运行完全与工位上其他设备( 如 工位中的焊接机器人、夹具等) 以及空中机械化运输系统联动并互锁；在调试过程中我 们应用手动操作，在调试完成后转入使用状态时是完全自动进行抓取与放件。该设备是 多功能升降机的设计研究及在实际中的应用 参照国外先进设备进行设计的，设计、制造完成后应基本达到或接近国外的水平，同时 在国内也是首次进行设计制造，使该设备在国内处于领先地位。 1 4 3 关键问题 ( 1 ) 如图1 9 、图1 】0 为纵向运动的铝型材轨道，由于国内外铝型材规格的不同， 导致在选取铝型材轨道时必须在国内选取相近似的铝型材。 ( 2 1 由于f u t u r eb 6 生产节拍的要求，工艺上只能给2 个3 5 s 的最长时间，所以只能 考虑在7 0 s 的时间内从等待位置运行到抓件位置、抓完件后再返回到原等待位置。然后 机器人开始工作时，该设备返回到等待位置时不停止继续向上运动，然后纵向运动。 图1 9 原铝型材截面 f i g 1 9 c r o s ss e c t i o n so f a l u m i n i u mp r o f i l e 大连理工大学专业学位论文 图1 1 0 现铝型材截面 f i g 1 1 0 c r o s ss e c t i o n so f a l u m i n i u mp r o f i l e 图1 1 1 铝型材截面对比图 f i g 1 1 0 c r o s ss e c t i o n sc o m p a r i s o no f a l u m i n i u mp r o f i l e 多功能升降机的设计研究及在实际中的应用 2 方案分析 2 1 设计条件 ( 1 ) 厂房高度9 m ，辊床高度5 7 m ，车系零点距地面1 5 m 高。 ( 2 ) 总升高距离为4 6 6 0 m ，纵向运动距离2 8 m 。 ( 3 ) 完成一个循环的时间7 0 s 。 ( 4 ) 要求完全自动化操作，停止位置准确重复精度高。 ( 5 ) 使用最大承载2 5 0 k g 。 2 2 总功能分析 功能是对某一产品的特定工作能力的抽象描述。是将系统看作内部未知的“黑箱”， 只对系统中输入的能量、物料、信息与输出的、能量、物料、信息关系进行比较分析， 从而突出表达系统的核心问题，即系统的总功能。 如图2 1 是多功能升降机的“黑箱”示意图，方框内部是要设计的的系统，方框左侧 是输入的三要素，右侧是输出的三要素。下方是周围环境对设备的影响，上方是设备对 周边环境的影响。 图2 1 多功能升降机“黑箱”示意图 f i g 2 1 c h a r to f b l a c k - b o xm e t h o d 大连理工大学专业学位论文 2 3 总功能分解 2 3 1 总功能分解的根据 该设备由6 部分组成：动力系统、传动系统、升降系统、行走系统、控制系统、支 撑系统。 其技术过程是：原动机、传动、执行机构( 升降、行走) 、控制这些吊装在厂房上 的支撑部件等。 如图2 2 虚线框内表示的是该设备内部的结构。 图2 2 多功能升降机技术分解流程图 f i g 2 2 f l o wc h a r to f t e c h n i c a lp r o c e s s 2 3 2 总功能的分解 总功能分解可以分解为分功能，分功能可继续分解直至功能元。 由此可以构成功 能树，如图2 3 为多功能升降机的功能树分解图。 多功能升降机的设计研究及在实际中的应用 图2 3 多功能升降机总功能分解图 f i g 2 3 r e s o l u t i o nc h a r to f g e n e r a lf u n c t i o n 2 3 3 建立功能结构图嘲 至此我们可以建立功能结构图如图2 4 1 4 大连理工大学专业学位论文 一1 5 - 多功能升降机的设计研究及在实际中的麻用 控制信恳 叫启动、停止1 上 自动、手动、强制手动 j 虺戟俅扩1 1 j 升降ff 纵移i 上上 3 1 或u b 2 总成 一变频调速l i u b i 或u b 2 一升降l i 纵移 i 成 7 l7 l 驱动的能量 呙l 升降l 一鲫i转换 li j “、l 1 纵移ii 纵移广 运行状态 息 。酬篡 ，辅助 i t t t ttt t 1 支撑及联接 i 图2 4 多功能升降机功能结构图 f i g 2 4f u n c t i o n a ls t r u c t u r ed i a g r a mo f m u l t i f u n c t i o ne l e v a t o r 2 3 ，3 寻找原理解法和原理解组合鲫脚 由以上功能结构图，我们可以做出以下的功能原理矩阵。见表2 1 由此可知系统及可能方案数： 总 信 大连理工大学专业学位论文 2 3 3 方案的评价与选择”1 根据现场实际使用情况我们应选用先进的、实用的、和维修方便的，所以应改选用 方案一：a l 、b 1 、c 1 、d 1 、e 1 、f l 方案- - ：a i 、b 1 、c 1 、d 1 、e 3 、f 1 下面我们就这两种方案用系统方法进行评价。见表2 2 、表2 3 表2 2 两种方案评价指标初步评定 f i g 2 2 p r e l i m i n a r ye v a l u a t i o no f t h et w os c h e m e s 多功能升降机的设计研究及在实际中的应用 依据方案评价指标相互关系，建立评价模型为 h a = 式中：u i = s i + s 2 u 1 = s 3 + s 4 u 1 = s 5 + s 6 + s 7 + s 8 + s 9 u 1 = s 1 0 + s 1 1 + s 1 2 u 1 = s 1 3 + s 1 4 + s 1 5 我们为表2 2 指标分为四个等级，分别用l 、0 7 5 、o 5 、o 2 5 来表示，这样就可以 利用系统工程评价法两种方案的h 值。表2 3 为两种方案的评价体系、评价值和计算结 果。 表2 3 两种方案的评价体系、评价值和计算结果 f i g 2 3p r e l i m i n a r ye v a l u a t i o no f t h et w os c h e m e s 大连理工大学专业学位论文 方案一的h = 6 2 3 4 方案二的h = 9 2 7 所以选取大h 值得，选方案二。 多功能升降机的设计研究及在实际中的应用 3 多功能升降机的设计分析 3 1 初步设计 多功能升降机主要由纵向运动装置、钢丝绳升降装置、运行轨道及悬挂系统、控制 系统的部分组成。 ( 1 ) 纵向驱动装置主要作用是使该设备沿轨道纵向移动，移动距离2 8 m 。采用了电 机减速机带动圆弧齿形皮带，电机减速机是安装在固定不动的驱动架体上，齿形带两端 固定在升降主梁上带动整个升降系统做纵向移动，有两个涨紧轮及弹簧将齿形带涨紧， 并用两套运行轮系悬挂于运行铝轨道上，轮系中有承载轮和导向轮。这样安装比较方便。 同时为了保证运行的平稳性，还设计有一个平衡杆装置。在两端还设有止动挡架。 ( 2 ) 钢丝绳升降装置主要是使沿高度方向上升和下降，运行距离4 6 6 m 。采用了电 机减速机带动有左右螺旋槽的卷筒，其上装有左右螺旋钢丝绳各一根，这两钢丝绳上设 有平衡装置使两根所受拉力保持一致，同时也保证了安全可靠性。由于钢丝绳是柔性的， 为保证其上升下降的稳定性和安全性设计了连杆装置进行平衡，保证升降时不随意摆 动。 ( 3 ) 运行轨道及悬挂系统主要是用来保证纵向运动时导向及承载，也是整个设备与房 屋钢架连接的装置，是设备的支撑单元。运行轨道采用铝合金型材轨道截面为2 2 0 x 7 0 的工字截面，铝轨吊挂采用大c 形吊挂连接件，该连接件可调整水平。同时为保证平衡 杆的运行还设有平衡杆的悬挂角钢轨道及三角吊挂架，这样可增加整个设备的运行平稳 性。 ( 4 ) 气动系统由气源处理元件及一个双电控两位五通阀控制升降系统中的两个锁止 气缸，此气缸是起到升降停止时的一种安全保护作用。 ( 5 ) 电控系统是整个设备的神经中枢，由于整个工位统一控制的需要，该控制系统 含在工位控制内，采用的是s i m e n s 的p l c 进行编程控制；为了保证纵向运行、升降的 安全可靠，设有图尔克的接近开关和欧彻那安全开关；为了保证运行位置的准确，还选 用了带绝对值编码器的电机减速机：在控制系统中按厂家标准要求还设有s w c 面板和 p a n e lp c ，可以在这上面进行操作并显示运行状态。 3 2 布局设计 ( 1 ) 整个设备要求置于空中，安装在厂房要求搭建的钢结构上，在空中设有维修平 台。 大连理工大学专业学位论文 ( 2 ) 整个设备的c 形连接板要安装在下平面高度在8 5 m 的h 钢上。升降装置下降 到最低位置时，抓具连接板处距地面1 9 9 5 m ，上升至全部收起时，抓具连接板处距地面 6 4 7 5 m 。为留出余量理论上升降距离最大可达5 3 m ( 3 ) 整个设备纵向运行到两端终点时，挡头距止挡距离0 1 m ，纵向移动范围2 9 m 。 实际上正常运行只需要2 8 m 。 以上这些都是根据现场实际情况及厂家需求制定的。 3 3 参数的确定 ( 1 ) 生产节拍 一汽大众该生产线是按3 班2 2 5 小时，产能每天2 0 0 台设计的，设备开动率8 5 。 故生产节拍t = ( 2 2 5 x 6 0 x 6 0 x 8 5 ) 2 0 0 = 3 4 4 3 s 痢 由于工艺上的要求，需要为产能提高留出余量等要求，给多功能升降机留出的从原 始位置下降、纵移、下降、抓件、上升、纵移、上升、纵移、下降、卸件、上升、纵移、 等待( 滑撬运动) 、纵移、下降、抓件、上升、纵移、下降、纵移、下降、卸件、上升、 纵移、上升至原始位置的整个过程时间是7 0 s 其余时间多功能升降机是等待机器人进行 焊接的时间。 ( 2 ) 外形尺寸 长1 2 2 6 0 n m a 宽3 8 0 4 r m 高6 7 6 0 m m ( 3 ) 运动参数 运动参数见表3 1 表3 1 各执行机构运动参数 f i g 3 1 k i n e m a t i cp a r a m e t e r so f v a r i o u sp e r f o r m i n gu n i t 3 4 技术要求 如图i 8 所示要求该多功能升降机在节拍时间内将u b i 件由机运线辊床上抓取经过 纵移、下降、抓取、上升、纵移、下降、纵移、下降过程绕过机运线钢结构，放置在 u b 2 点定工位上。然后在机器人进行焊接前，多功能升降机要升起、纵移、上升至不干 涉的初始位置；在机器人将u b 2 焊接完成后，机器人回到h o m e 位置时，多功能升降机 多功能升降机的设计研究及在实际中的应用 再由初始位置下降、纵移、下降将制件抓取，经过上升、纵移、上升、纵移、下降后将 焊好的制件放置在辊床上；最后抬起、纵移等待下一个循环。 要求运行平稳，最高纵向运行速度4 0 m m i n ，最高升降速度4 0 m m i n 。 3 5 工作状况分析 在运行中该设备将在图3 1 所示的位置上承受2 5 0 k g 的载荷，运行时由p l c 控制 自动按图3 1 红圈所示的几个点位置运动，进而完成整个或手动工作。 f 图3 1 多功能升降机运行状态图 f i g 3 1m o v i n gs t a t u sd i a g r a mo f m u l t i f u n e t i o ne l e v a t o r 3 6 水平纵向移动机构的设计 水平纵向移动机构采用两组轮系悬挂在铝合金轨道上，该轮系于升降主体横梁安装 在一起。驱动靠安装在驱动架体上的s e w 电机减速机带动齿形带移动，电机是固定不 动的，齿形带两端固定在升降主体横梁上，齿形带还有两个涨紧轮来增加驱动带轮的包 角，从而带动升降装置水平运动。如图3 2 电机轴上直接安装齿形带轮，有两套涨紧轮 用轴承安装在驱动架体上。 大连理工大学专业学位论文 图3 2 驱动装置 f i g 3 2d r i v i n gu n i t 3 6 1 电机的选择嘲 见图3 3 所示，取整个升降机及纵向行走轮系为研究对象。则整个机构受四个力作 用，分别是重力g ，铝合金轨道给轮的支撑力( 即轮压) f l 和f 2 ，外负载力f w 。 由c a t i a 设计估测出如图所示中心位置去f l 处轮中心及轮宽中为三维坐标原点，则 重心坐标为x = - 1 6 7 3 ，6 1 m m ，y = 1 9 1 7 9 5 m m ，z = 2 0 9 3 m m 。重量g - = - 1 5 9 6 5 6 n 。上升2 1 9 m 后重心坐标为x = 1 2 3 8 6 4 m m ，y = 2 1 0 7 3 6 m m ，z = 2 0 9 3 m m 。上升4 6 6 m 后重心坐标为 x = - 7 4 4 2 9 m m ，y = 2 1 7 1 6 5 m m ，z - 2 0 9 3 m m 。由于z 方向尺寸较小计算时可不考虑，只 按平面力系计算。 由图中力系分析知： f y = 0f l + v 2 = f w + g ( 3 - 1 ) 【m = 0 o f , = b g + ( b + d ) f w ( 3 _ 2 ) 由式( 3 - 1 ) 、( 3 2 ) 得： e ：b c + b + d l cc e = 里g 塑l 多功能升降机的设计研究及在实际中的应用 图3 3 纵向移动轮压分析 f i g 3 3 p r e s s u r ea n a l y s i so f l o n g i t u d i n a lm o b i l ew h e e l 在图示位置时a = 1 9 1 7 9 5 m m ，b = 1 5 8 2 0 5 m m ，c = 3 5 0 0 m m ，d = 2 7 9 5 7 9 m m ，此时 f 1 = 1 0 3 4 3 7 n ，f 2 = 8 1 2 1 9 n ；当上升2 1 8 m 后a = 2 1 0 7 3 6 r a m ，b = 1 3 9 2 0 5 ，c = 3 5 0 0 m m ， d = 2 9 8 5 2 m m ，此时f 1 - - 9 4 7 9 7 n ，f 2 = 8 9 8 5 9 n ；当上升4 6 6 m 后a = 1 2 7 1 6 5 m m ， b = 1 3 2 8 3 5 m m ，c = 3 5 0 0 m m ，d = 3 0 4 9 2 9 m m ，此时f 1 - - 9 1 8 6 4 n ，f 2 = 9 2 7 9 2 n 。由此可以 看出在图示位置( 即升降机构在最低位置时) 有最大的轮压f 1 ，当升降机构处在最上 位置时f 2 有最大的轮压。 由于在室内运行考虑到运行时的动负荷系数 f d = k 。e( 3 3 ) 一2 4 大连理工大学专业学位论文 k d 动载荷系数， f d 轮压动载荷 由式( 3 - 3 ) 得图示位置： 取k a = 1 4 f j e = 1 0 3 4 3 7 x 1 4 2 1 4 4 8 1 2 ( n ) f 2 d = 8 1 2 1 9 x 1 4 = 1 1 3 7 0 7 ( n 1 取聚氨酯轮与铝轨滚动摩擦臂为k = 0 5 m m ，轴承的滚动摩擦系数为肛= o 0 1 5 。考虑 到轨道侧向导向可能的阻力系数c = 1 5 l 2 ( f 1 d + f 2 d ) ( d + 2 k ) o 2k d ( g + f ) ( d + 2 k ) 舌( 3 - 4 ) n 车轮直径( m m ) b 轮轴直径( m m ) f s 广- i 垂行静阻力( n ) 由( 3 - 4 ) 得：f n = 2 0 4 5 2 n 考虑到阻力及机构运行效率，初选电机： e ，：上旦( 3 - 5 ) 1 5 1