（机械设计及理论专业论文）剪叉式液压升降台参数化设计及结构分析.pdf

中文摘要 剪叉式液压升降台从过去引进技术的合资生产到现在自主品牌的国产化，由于 设计计算方法不尽完善，导致产品过于笨重。产品的开发方面现代设计方法的应用 研究还远不够发展，传统的机构分析和设计方法已无法满足产品性能的提高。 本文通过分析，将剪叉式液压升降台按其结构划分成不同的组件模块，推导建 立各个模块求解计算的理论解析式，利用v is u a lc + + 6 o 进行编程，开发起升工作 装置设计、仿真与分析系统；并在s o l i d w o r k s 平台上进行二次开发，实现了该类产 品的虚拟制造技术。 论文着重阐述了以下几方面的内容： 1 、基于杆组分析法的理论计算 建立了用杆组分析法对起升机构运动分析和受力分析的杆组数学模型。编写有 源杆组的运动分析与受力分析子程序，不仅准确快捷、调用方便，而且对不同类型 的起升机构都具有通用性。 2 、建立液压升降台的数学模型 分析液压升降台的结构特征，依对称性按油缸推动剪叉数量将液压升降台分为 一油缸推动一副剪叉、一油缸推动两副剪叉和一油缸推动三副剪叉三种基本模块， 然后利用虚功原理推导出三种基本模块的理论计算公式。 3 、开发液压升降台辅助设计软件 在对液压升降台数学模型的充分分析基础上，以面向对象的v c + + 6 0 为开发工 具，编制一套界面友好，功能齐全应用于剪叉式液压升降台的计算机辅助设计软件。 4 、特征建模和参数化设计技术与实现方法的研究 论述特征建模的概念、特点及过程；参数化设计的特点、参数化模型；研究基 于s o l i d w o r k s 二次开发技术的参数化设计。 关键词：液压升降台；组件模块；面向对象；s o l i d w o r k s 二次开发 a b s t r c a t t h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo fs c i s s o r se l e v a t i n gp l a t f o r mi nt h ep a s ti s m a i n l y f r o mj o i n ti n v e s t m e n t i n t r u d u c t i o n ，t h o u g h t h e t e c h n o l o g y i s l o c a l i z a t i o nn o w , a st h er e c k o n i n go fd e s i g ni sn o tp e r f e c ta n di n p r o v e d ，l e a d t ot h ep r o d u c ti se x c e s s i v e l yh e a v ya n dc u m b e r s o m e i nt h et e r m so fp r o d u c e s o ft h ep r o d u c t ，t h ea p p l i c a t i o na n ds t u d yo fm o d e m d e s i g ni sf a i r l yl a c k a b l e a n dn o td e v e l o p e d ，t h ew o r s ei st r a d i t i o n a la n a l y s i sa n dd e s i g np r o c e d u r e s a l r e a d yh a v en ow a yt os a t i s f yt h ep r o p e r t i e so fp r o d u c t sr i s e t h et h e s i sd e a l sw i t ht h es c i s s o r se l e v a t i n gp l a t f o r mw h i c hd i v i d e di n s t r u c t u r eb yl a y e rt h r o u g ha n a l y s i s ，t h e n g i v e st h e o r e t i c a l d e v i v a f io no f a p p l i e df o r c ea c t i n go nd i f f e r e n c et y p e so fh y d r a u l i cl i f t i n gp l a t f o r m ，t h e f o r m u l ao fc o r r e s p o n d t y p ew o u l db ed e d u c e d b yt h eu s eo f v i s u a l c + + 6 0 ，al i f tw o r k i n gd e v i c es y s t e mi n c l u d i n gd e s i g n s i m u l a t ea n da n a l y s i s c a nb ew o r k e do u t t h e3 一dp a r a m e t e r i z a t i o nm o d e l i n go fl i f tw o r k i n gd e v i c e a n da s s e m b l i n go ft h e mc a nb er e a l i z e dt h r o u g ht h ef u r t h e rd e v e l o p e do f s o l i d w b r k s 1 e l a b o r a t eo nt h es p e c i f i ct h e o r yo ft h ep o l eg r o u pt h e o r y c r e a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h el i n km e c h a n i s mf o rm o v e m e n t a n a l y s i su s i n gr o dg r o u pa n a l y s i s b u i l du pap r o g r a m m i n gt h a tc a nb eu s e d f o rt h em o t i o na n a l y s i sa n da c c e p t saf o r c et oa n a l y s i saf u n c t i o n a le l e m e n to f a c t i v ep o l eg r o u p ，t h ea d v a n c eo ft h ep r o g r a m m i n gi sn o to n l yr a p i d ，e a s yt o u e sb u ta l s oc a nb eu s e di nt h ed i f f e r e n tt y p e so f l i f t i n gm e c h a n i c s 2 c r e a tm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es c i s s o r se l e v a t i n gp l a t f o r m b yt h er e a s e r c h ，t h em a t h e m a t i cm o d e lb u i l d i n gt h eh y d r a u l i cp r e s s u r e c a g ea s s e m b l ya n a l y s e st h eh y d r a u l i cp r e s s u r ec a g ea s s e m b l ys t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c ，t h ej a r d r i v e ss c i s s o r sf o r k q u a n t i t y t od i v i d e h y d r a u l i c p r e s s u r ec a g ea s s e m b l yi n t oo n eh a v i n gt h ej a rd r i v i n gas e to fs c i s s o r sf o r k s ， o n eo i lt od r i v et w os u b s i d i a r ys c i s s o r sf o r ka c c o r d i n gt ot h es y m m e t r i c a l c h a r a c t e r i s t i ca c c o r d i n gt oo i la n do n eo i lja rp u s ht h i r dm a t es c i s s o r sf o r k t h r e ek i n df u n d a m e n t a lm o d u l e t h e nm a k eu s eo fv i r t u a lm e r i t o r i o u ss e r v i c e p r i n c i p l ei n f e ro u tt h r e ek i n df u n d a m e n t a lm o d u l et h e o r ys e c r e t l ys c h e m e a g a i n s tf o r m u l a 3 e x p l o i t a t i o na a i d e dd e s i g ns o f t w a r eo fs c i s s o re v e l a t i n gp l a t f o r m o nt h eb a s i so fp e r f e c ta n a l y s i so ft h es c is s o re l e v a t i n gp l a t f o r m ，b y m a k i n gu s eo f t h eo b j e c to r i e n t e dv c + + 6 0 w o r ko u tas e to f c o m p u t e r - a i d e d d e s i g ns o f t w r ei nt h eu s eo fs c i s s o r se l e v a t i n gp l a t f o r mw h o s ei n t e r f a c ei s a m i c a b l e f u n c t i o ni sa l li nr e a d i n e s s 4 r e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i cm o d e l i n g ，p a r a m e t e r i z e dd e s i g nt e c h n o l o g y a n di t si m p l e m e n t a t i o nm e t h o d i td i s c u s s e st h ec o n c e p t i o n ，c h a r a c t e r i s t i ca n dp r o c e d u r eo fc h a r a c t e r i s t i c m o d e l i n g ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fp a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，p a r a m e t e r i z e dm o d e l ， a n dp a r a m e t e r i z e dd e s i g no fs e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yb a s e do n s 0 1 i d w h r k s k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce l e v a t i n gp l a t f o r m ；c o m p o n e n tm o d e l ；o b j e c t o r i e n t e d ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k s 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 储弥望主举 啸碑：丝 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：! 錾芏举日期：丝望兰堡 导师签名：j 习性日期：j 垡望l 一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 剪叉式液压升降台主要应用于搬运、装卸等物流作业。广泛应用于仓库、机场、 车站、码头和工厂等地。国内对升降台的设计分析也有一些研究，但都是从不同侧 面进行的，且有不完善之处，存在一些缺陷，有些还缺乏整体性和系统性。 本文在对液压升降台的整体结构分析研究基础上，提出一个液压缸推动一副剪 叉，一个液压缸推动两副剪叉和一个液压缸推动三副剪叉的结构设计模块，而通过 这些模块的集成能方便构建不同起升高度要求的整机。针对这种模块设计计算模型 的理念，本文以v c + + 6 0 为支持平台，开发实现任意起升高度升降台机构运动分析， 构件载荷计算输出和刚强度设计的通用程序，最后调用三维绘图软件s o l i d w o r k s 实 现机构的三维建模，建立虚拟样机。目的在于减少升降台设计人员的工作量，缩短 研究和开发周期，降低产品成本，提高设计质量。 1 2 升降台计算机辅助设计研究历史和现状 国内的液压升降台的设计基本上属于一种经验设计或仿制国外生产。当要开发 一种新产品时，根据现有的技术资料，进行一些合理的简化和改进。目前国内c a d 在许多企业还停留在辅助制图的程度上，如二维图形的绘制、修改。关于起升机构 设计参数分析和在c a d 上自动设计的综合研究文献还较少。虽然有些设计软件也有 一定的分析设计能力，但适合升降台的专业设计分析软件还很少，远远不能满足设 计要求。 1 3 课题的提出 由于进行液压升降台设计时，传统的方法都是采用作图法或类比法，计算机只 是作为绘图、改图的工具，在设计上没有得到广泛的应用，使得设计耗费工时，设 计周期比较长，而且设计出来的产品比较笨重，机械性能又低，产品成本也高。造 成这种结果的原因是：传统机械设计是在有限的几个方案中比较和选择一个比较优 秀的方案进行设计的，这使得设计工作带有很大的盲目性和局限性。同时选择的方 案也没有一个十分精确的评价标准来衡量其优劣，设计处于一种摸索状态。这种设 计方法要经过设计一试制样机一再改进一再试制，往往要经过几轮的设计才能达到 一定的水平，这使得设计的周期拉得很长，同时也造成了人力、物力上的浪费，增 加了产品的设计和制造成本。而许多厂家对于产品的设计仍然停留在经验设计或仿 剪叉式液压升降台参数化设计及结构分析 制的水平上。仿制是以别人的产品作样本进行模仿生产，对产品的外观和一些小的 装置进行改进，它没有形成企业自身对产品的设计理念，因而也就谈不上产品创新。 本文研究的目的就是以剪叉式液压升降台为研究对象，寻找剪叉式液压升降台 剪臂机构之间的共性规律，运用杆组分析法和参数化设计方法对剪叉式液压升降台 的剪臂机构进行运动分析与受力分析，开发一种通用性强的机构运动分析与受力分 析方法，开辟研究分析多油缸、多副剪叉机构的新途径。不论液压升降台采用几个 油缸，几副剪叉，都可以依据杆组理论将这些杆组分解成各类杆组，从而对机构的 分析转化为对杆组的分析。从结构上看，杆组显然比由它组成的机构简单，所以杆 组理论使机构分析大为简化；更重要的是，杆组是一个自由度为零的基本运动单元， 该单元具有运动和力的确定性。这样可事先对各级杆组进行分析，当对具体机构分 析时，可依据分解顺序来调用此机构分解出来的杆组的现成解，从而使机构分析更 迅速和简单。 由于作用在机械上的力，不仅是影响机械的运动和动力性能的重要参数，而且 也是决定相应构件尺寸及机构形状等的重要依据，所以必须对液压升降台起升机构 进行受力分析。通过对液压升降台起升机构运动过程的分析后，确定对工作装置进 行静力学分析，这时仍可假定原动件油缸做等速运动，以便使问题简化。进行受力 分析的具体方法有图解法和解析法，前者形象直观、易于掌握，但精度不高，过程 繁琐；而后者建模复杂，求解困难，但相对精度高，随着计算机的发展，已被广泛 应用。 针对剪叉式液压升降台的研究现状，本文将运用虚位移原理，通过杆组分析法 建立液压升降台起升机构分析的数学模型，开辟研究液压升降台起升机构运动特性 的新途径，同时在液压升降台的不同起升作业工况下，对它的各个构件进行受力分 析；利用面向对象可视化开发工具v i s u a lc + + 6 o ，开发剪叉式液压升降台起升机构的 选型计算与运动仿真系统，实现其参数输入输出的可视化及起升机构运动特性的动 态显示；以三维s o l i d w o r k s 软件为平台进行二次开发，实现液压升降台剪臂等重要构 件三维参数化设计及总体的自动装配。本文的研究内容就是基于上述思路展开的。 1 4 课题的主要研究内容 本文对液压升降台起升机构进行了一下几个方面的研究： 1 、为了实现设计计算方法的通用化，对现有液压升降台的类型进行比较和归纳， 通过研究各种型式升降台结构的特性，总结找出它们构造上的共性规律并对其进行 2 第一章绪论 模块划分，以便建立实现整体设计分析的基本计算单元。 2 、针对上述建立的基本模块，在液压升降台整体约束条件下，应用虚位移原理 推导出起升油缸的受力公式，应用杆组分析法对起升机构进行运动和受力分析。 3 、利用面向对象i 驹v i s u a lc + 十6 0 开发可视化的液压升降台起升机构的参数化设 计与分析软件，利用所开发的软件可以对起升机构进行运动分析、受力分析、参数 设计及运动仿真。设计和分析的结果以数据进行输出。液压升降台起升机构的运动 仿真，不仅可以检验设计方案的合理性，而且可以检验机构各构件在运动过程中是 否发生干涉、机构参数设计是否合理，为液压升降台起升机构的设计提供了有效的 工具。 4 、运用c o m 技术的i u n k n o w n 接口，实现s o l i d w o r k s 平台上的二次开发，并将其 封装为一个c s o l i d w o r k s 类，通过调用该类中的成员函数可以实现升降台各零部件的 参数化特征建。 第二章剪叉式液压升降台数学模型的建立 第二章剪叉式液压升降台数学模型的建立 21 剪叉式液压升降台简介 剪叉式液压升降平台的结构形式多种多样，从低起升到高起升，组成剪叉臂杆 的数目多，油缸的布置形式多：移动方式有牵引式、自动式、助力式等。从组成方 式看，剪叉式液压升降台主要由底座、剪臂结构、工作平台三部分组成。 剪叉式液压升降台的底座一般有三种：一是适合很少移动的固定式底座，如图 21 所示。这种升降台稳定性好，一般起升高度较低，承载较大并工作在室内，主要 用于生产流水线高度差之间货物运送。根据使用要求，可以配置附属装置1 1 1 ，尽最大 限度的发挥升降台的功能，取得最佳的使用效果。 囤2 1 固定式底座 f i 9 2lf i x e d b a s e 二是拖动式底座如图2 2 所示。 这种底座有轮胎，可以进行拖动，方便户外操作。具有灵活方便的特点，但承 载一般不大。 三是车载式，如图2 3 所示。车载式是为提高升降台的机动性，将升降台固定在 电瓶搬运车或货车上，直接取汽车引擎动力。车载式的升降台移动方便，工作高度 空间也较大，能适应厂区内外的高空作业。广泛应用于宾馆、大厦、机场、车间、 仓库等场所的高空作业，也可作为临时性的高空照明、广告宣传等。 剪卫式液压升降台参数化设计及结构分析 图22 拖动式底座 f i 9 2 2 d r a g m o v i n g b a s e 2 2 升降台的模块划分 虽然剪叉式液压升降台的结构型 式多种多样，从低起升到高起升，组成 剪叉臂杆的数目多，油缸的布置形式多 嘲，但不论型式多复杂，从组成方式来 看，剪又式液压升降台主要由底座、起 升工作臂和工作平台三部分组成。而起 升工作臂总是升降台钢结构的主体，也 是关键的受力件。而且参照图21 、2 3 等通过分析将升降台按油缸推动剪叉 数量进行分层，即一油缸推动一副剪叉 分为一层，一油缸推动两副剪叉或一油 图23 车栽式底座 f i g2 3 v e h i c l e l o a d e db a s e 图24 一油缸推动一副剪又模块 f i g2 4 m o d e ls m r c o f a h v d r a u l i c p r e s s u r e j a rd r i v eas e t o f s c i s s o r s f o r k s 缸推动三副剪叉也可以分为一层。这样分层后就可以将多层液压升降台按层进行模 块划分，可以简化数学模型的建立及公式推导的方便性。如图2 4 所示的单侧剪叉臂 杆按油缸层可看成由一个油缸推一副剪叉的结构；图2 5 为一个油缸推两副剪叉单层 的结构：圈2 6 为一个油缸推- - n 剪叉单层的结构，这三种单层型式是最简单的，各 圈 第二章剪叉式液医升降台数学模型的建立 种大起升高度复杂的型式都可以在此基础上增加剪又及油缸数量而得到。因此通过 归纳各种形式的液压升降台，依对称性按油缸推动剪叉数量可划分为三种基本构件 组，即油缸推一副剪又( 一般都只有单层) 为一个构件组；一油缸推两副剪叉( 单 层或多层) 为一个构件组：一油缸推三副剪叉( 单层或多层) 为一个构件组，这便 形成了液压升降台结构设计计算的三种核心模块单元。在后面的模型建立及分析过 程中，统一将上述三种构件组分别简称为一叉机构、二叉机构和三叉机构。 图2 5 一油缸推动两副剪又模块 f i 9 2 5 m o d e ls t r u c t u r eo fa h y d r a u l i c p r e s s u r ej a rd r i v et w os e to fs c i s s o r sf o r k s 图2 6 一油缸推动三副剪又模块 f i g2 6m o d e ls t r u c t u r eo f a h y d r a u l i cp r e s s u r ej a rd r i v et h r e e s e to fs c i s s o r ef o r k s 2 3 升降台数学模型分析 剪叉式液压升降台的设计主要难点在于正确计算一个油缸所需的最大推力3 1 。本 论文中通过计算各个运动点的虚位移，利用虚位移原理求解油缸的推力。通过对升 降台进行模块划分并加以分析后，需推导出三种模块油缸的推力公式。 在公式的推导工程中，统一选用与底座的固定铰接为坐标原点，x 轴正向朝右， y 轴正向朝上建立直角坐标系。 2 3 1 虚位移原理【4 】 虚位移原理用功的概念分析系统的平衡问题，是研究静力学平衡问题的一种方 法。虚位移是指在某瞬时，质点系在约束允许的条件下，可能实现的某种假想的极 微小的位移，它可以是线位移，也可以是角位移。虚位移用符号6 表示。虚位移原 7 剪叉式液压升降台参数化设计及结构分析 理是对于具有理想约束的质点系，作用于质点系的所有主动力在任何虚位移中所作 虚功的和为零时才能保持其平衡。 用虚位移求解力的平衡关键是建立各虚位移之间的关系，常用的有三种方法： 1 、用作图法求解出各处的虚位移，直接按几何关系确定各有关虚位移之间的关 系 2 、建立坐标系，选定一合适的自变量，写出各有关点的坐标，对各坐标进行变 分运算，确定各虚位移之间的关系 3 、按运动学方法，假设某处产生虚速度，计算各有关点的虚速度。最后对运动 方程进行求导 用虚位移原理求解机构受力时，首先解除约束而代以约束力，把结构变为机构， 把约束力当作主动力，即可用虚位移原理求解。 2 3 2 单杆的运动分析r 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 1 0 因单杆和i i 级杆组在实际工程中应用最广泛，在此简要介绍单杆和i i 级杆组 数学模型的建立及分析方法。 如图2 7 ( a ) 所示，为一构件a b 。若已知该构件上a 的位置厶( ，y 4 ) 、速度t 、 n ，加速度t 、比，构件的位置角0 、角速度百、角加速度分，则可求出构件m 上 任一点b 的位置( ，y 8 ) 、速度如、儿和加速度、如。 ( a ) 单构件运动分析模型( b ) 级杆组运动分析模型 图2 7 单构件和级杆组运动分析模型 f i g2 7m o t i o na n a l y s i sm o d e lo fs i n g l ec o m p o n e n ta n di ip o l eg r o u p s 1 ) 位置分析： 第一二章剪叉式液乐升降台数学模型的建立 x 8 = 叫x a 川+ l ic o 吣s 0 1 y bl ls l n c 2 ， 2 j 彳+甘lj 2 ) 速度分析 将式( 2 1 ) 对时f i 求一次导数，可得b 点的速度方程为： x b2 i r a - l i 。o i s i n 0 12 戈爿一q ( y 月一少一 ( 2 2 ) 夕日= 夕月十臼1c o s 0 1 = j c ，爿+ q ( x b - x a ) j 3 ) 加速度分析 将式( 2 2 ) 分别对时间求一次导数，可得b 点的加速度方程为： 。簟一复( j ，b y 月) 一百，2 ( x 口一x 一) l ( 2 3 ) 夕b = 虬+ 日。( x b 一) 一0 1 2 ( y s - y 爿) j 2 3 3ii 级杆组的运动分析 如图2 7 ( b ) 所示的i i 级杆组，若已知运动副a 、c 的位置么( _ ，y 一) 、r c ( x c ，比) ， 速度丸、力、砖、弦，加速度囊、或、毙，杆长、乞，可求内副b 的位置 七( ，y 占) 、速度、儿和加速度、晓，以及构件1 、2 的位置角b 、0 2 ，角速度 舀。、幺，角加速度反、以。 1 ) 位置分析 由图2 7 ( b ) 可知两外副a 、c 的位置之间的距离为： d2 ( x c x 一) 2 + ( y c y 4 ) 2 ( 2 4 ) 若d f l + 1 2 或d s i n w , o = 0 由此可以求出油缸的推力f 。 当n = l 时，为一液压缸推动两副剪叉； 当n = 2 时，为两液压缸推动四副剪叉。 2 5 2 两叉机构运动及受力分析 结合前面连杆机构杆组分析法，可以对升降台进行具体的机构分析。该机构无 虚约束和局部自由度，可以拆分为基本杆组如图2 1 3 所示。 1 、各点的位置分析 升降台上任意一点在任一时刻的坐标值都是油缸举升角度的函数。按下面的顺 序确定已知点的位置： 1 ) 根据已知参数确定a 、h i ，j i ，gi ，l i 等点的坐标( x 九y a ) ，( x h i y h i ) ( x j i y j i ) ， ( x g i y o i ) 2 ) 由a ，j i ，i i 各点的位置、升降台的初始安装角及所求点与举升角之间的关系， 可以调用杆组位置分析程序计算其余点的坐标。 x h i = ao l e o sq + h o l c o sq y h i = ( 4 i - 3 、ao l s i nq h o i s i n q x j i - - xh j h j c o s ( 2 q )y j i = y h i h j s i n ( 2 一q ) x o i = ( a ol - - 0 2 g ) c o s q y s i = ( 2 i - - 1 ) a c s i nq + ( a o l - - 0 2 g ) s i n q 剪又式液乐升降台参数化设计及结构分析 m a 4 图2 1 3 机构分析图 f i g2 13d i a g r a mo fc o m p o n e n t sa n a l y s i s 图2 1 4 机构受力图 f i g2 14d i a g r a mo fa c c e p tf o r c eo i lc o m p o n e n t b b 2 、各铰点力计算 在计算各铰点力时，考虑到所求的为静态平衡时的受力，本文做了以下简化： 不考虑惯性力的影响：不考虑偏载；不考虑油缸的重量；一层剪叉的重力作用点在 该层的对称中心点。在计算一油缸推动两副剪叉时，由于受力最大铰点为最下面一 副剪叉，在分析时也只以最下面一副剪叉为例给予说明。通过计算得到的油缸推力， 对各个构件分别列出力和力矩平衡方程，求解就可以得到各铰点的力。同时做了下 面的假设：各点受力方向向右、向上为正，向下、向左为负，如求得的值为正，则 与假定的方向相同，反之则相反。最下面一层剪叉受力图如图2 1 4 ： 对整体作受力分析： 一一 尸 a y2 ，毋2 了 r 对最下层列出力的平衡方程并对o l 点取矩可以求得： 第二章剪义式液乐卉降台数孚：模。7 rr j 。0 , 5 建立 f o ，。= 丘_ 己一= j f a j 其中f c 、f c y 可以通过对上层列出力的平衡方程，并对d 点及0 2 取矩联立求 得。 2 6 三叉机构数学模型建立 2 6 1 油缸推力计算 m e c y a x 图2 1 5 一油缸推动三4 , 1 勇叉 f i g2 15ah y d r a u l i cp r e s s u r ej a rd r i v et h r e es e to fs c i s s o r sf o r k s 一油缸推动三副剪叉数学模型需要计算铰点位置较多，所以在公式推导时采用 统一的标识。如图2 1 5 所示：下端耳环分别标记为、j j ，上端耳环分别标记为k 、 p ( 其中i 是液压缸的数量) ，下端耳环的长度为，上端耳环长度为乞，以a 点为 坐标原点，a b 为x 轴，a c 为y 轴建立直角坐标系，p 代表上平台单侧负重，拆去 油缸，以油缸的推力f 作用于以、p 各销轴处，然后用虚位移法求一个油缸所需的 推力： l ：掣c o s a + 6 c 。s a o ：掣s i n 口_ 6 s i n a 以：掣 c o s a + 6 c o s t z - - 佃s ( t p 。- a ) ：掣s i n a _ 6 s i n a 一州n ( 盱a ) 剪叉式液压升降台参数化设计及结构分析 k = ( 告一口) , c o s a k , r = ( 3 i - 1 ) l s i n a + l ：一口) s i n 口 厂 只= ( 妄一口) c o s a + 1 2 c o s ( p 2 + 口) 名= ( 3 f 一1 ) l s i n a + ( 詈一口) s i n a + 1 2 s i n ( q 0 2 + a ) 屯。： 一坚孚堕幽a _ 6 s i n 口一f 1 s i n ( q , ，一a ) 】6 。 屯哕：i 皇掣c o s a - - 6 , , c o s 5 + z 。c 。s ( 妒。一a ) 】6 。 6 尸。： 一( 妻一口) s i n a 一7 2 s i n ( 妒：+ a ) 】允 6 尸： ( 3 i - 1 ) l c o s a + ( i l 一口) c o s 5 + 乞c 。s ( 妒：+ a ) 】屯 = 3 i l s i n a 5 = 3 i l c o s 5 6 a 在尸点处：y 方向微位移与x 方向微位移之间的夹角为屈，以点处y 方向微 位移与x 方向微位移之间的夹角为l f ，：则 ( 3 i - 1 ) l c o s 5 + ( 詈- a ) c o s a + 2 c o s ( t p 2 + a ) t a n j ，= 1 生一= 一( 詈- a ) s i n a 一1 2 s i n ( q ) 2 + a ) ( 6 i _ - 5 ) xl c o s 5 - - b c o s 5 + 厶c 。s ( 自0 1 - - a ) 叫。蔓李忑忑而j 列虚功方程： 一尸6 。+ ，e c o s f l , 6 p 。+ f s i i l 卢，酢一，c o s y 眩一f s i n l f ，= o 由此可以求出油缸的推力f 。 当n = l 时为一油缸推动三副剪叉； 当n = 2 时为两油缸推动六副剪叉。 2 6 2 三叉机构运动及受力分析 结合前面连杆机构杆组分析法，可以对升降台进行具体的机构分析。该机构无 虚约束和局部自由度，可以拆分为基本杆组如图2 1 6 所示： 1 、各点位置分析 2 0 第二章剪叉式液压升降台数学模型的建立 升降台上任意一点在任一时刻坐标值都是油缸举升角度的函数。按下面的顺序 确定各点的位置： 1 ) 根据己知参数确定a ，i i ，j i ，k i ，p i 点的坐标( x 九y a ) ，( x i 。y i i ) ，( x j i y j i ) ， ( x k i y k i ) ，( x p i y p i ) x 1 i = ( 6 i - - 5 ) a o lc o s 0 【+ oli c o s a y i i - ( 6 i 一5 ) a o1s i n a + oli s i n a x j i = ( 6 i - 5 ) a o l c o s a + o l l c o s a - - i j c o s ( q 0 1 - a ) y j i = ( 6 i - - 5 ) a os s i n a + o l i s i n a - - i j s i n ( c p l 一0 【1 x k i = ( a o i a1 c o s g y k j ( 3 i 一1 ) a d s i n a + ( a 0 1 一a ) s i n a x p i = ( a oi a 、c o s a + k p c o s ( a + ( p 2 ) y p i = ( 3i 1 ) a d s i n a + ( a ol a ) s i n g + k p s i n ( a + p 2 ) 2 ) 己知a ，j i ，p j 的位置，升降台的初始安装角及所求点与举升角之间的关系， 可以调用杆组位置分析程序计算其余点的坐标。 2 、各铰点力计算 在计算各铰点力时，考虑到所求的为静态平衡时的受力，本文做了以下简化： 不考虑惯性力的影响；不考虑偏载；不考虑油缸的重量；一层剪叉的重力作用简化 至该层的对称中心。在计算一油缸推动三副剪叉时，由于受力最大铰点为最下面一 副剪又，在分析时也只以最下面一副剪叉为例给予说明，其他各层的铰点受力可以 通过类似方法求得。 利用油缸推力公式可以得到油缸的推力，对各构件分别列出力和力矩平衡方程， 求解就可以得到各铰点的力。同时作了下面的假设：各点受力方向以向上、向右为 正，向下、向左为负，如求得的值为正，则与假定的方向相同，反之则相反。最下 面一层剪叉受力图如图2 1 7 ： a 图2 1 6 机构分析 f i g2 16c o m p o n e n ta n a l y s i s 2 l 剪义式液压升降台参数化设计及结构分析 对整体作受力分析： p f a y2 2 三 对最下层列出力的平衡方程并对c 点，o l 点取矩可求得： f o 。= 吆 f o , y = f d y f a y 其中f 隗、f o y 可由上层的力平衡方程及转矩方程联立求解得到。 4 图2 1 7 机构受力分析 f i g2 17a c c e p tf o r c ea n a l y s i so nc o m p o n e n t b 2 7 小结 本章首先通过对升降台分析，找出各种类型升降台之间的共性规律，将其划分 为三种基本模块，并应用虚位移原理推导了各个模块的油缸推力的计算公式，然后 应用有源杆组的分析方法对升降台中的机构进行力学分析及运动分析。 第二章剪叉式液医升降台程亭设计 第三章剪叉式液压升降台程序设计 3 1 程序设计概述 本论文开发的应用程序是基于杆组的可视化的剪叉式液压升降台设计与分析软 件。它简单实用，用户使月时，只要按照提示输入原始的已知数据并按相应的按钮， 就能实现其运动仿真，并可根据仿真简图随时修改机构参数，经过运动分析后，按 相应的按钮可以对分析结果进行保存，并查看分析结果，若对结果不满意，可对参 数进行手动调整。 本软件利用v i s u a lc + + 6 o 在w i n d o w sx p 平台上开发。v i s u a lc + + 6 0 是当今流 行的面向对象开发工具中功能强大、使用方便、灵活的开发工具之一，它是由c + + 编程语言进行对象特征扩展后形成的，具有类、属性、继承、虚拟、多态、重载等 各种面向对象的特征，语言结构简单，代码可读性强。它包括了综合的微软基础类 库( m f cl i b r a r y ) ，这使得开发w i n d o w s 应用程序变得简单和高效；提供了复杂的 资源编辑器和许多w i n d o w s 应用程序组成元素；还有一个功能强大的i d e ( i m e g r a t e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e m 集成开发环境) d e v e l o p e rs t u d i o ，可以在编写c + + 程 序时对程序的结构进行可视化管理，能够进行各种应用程序的快速开发，具有极高 的开发效率。此外，一个完全集成的d e b u g 工具能从各个角度来检查程序运行中的 微小细节。系统采用面向对象程序设计方法和分层设计的思想。分层设计便于软件 扩充，对每一层的扩充和修改都不影响其它各层的正常运行。 软件开发的目标是在规定的投资预算和时间内，开发出满足用户需求和性能的 软件。目前最有代表性的方法主要有：结构化分析与设计技术、j a c k s o n 软件设计技 术、快速原型设计技术、面向对象的分析与设计技术。 面向对象技术【l l 】是一个非常适用而强有力的软件开发方法，它具有许多特色： 是方法的唯一性，即方法是对软件开发过程所有阶段进行综合考虑而得到的；二 是从生存期的一个阶段到下一个阶段的高度连续性，即在一个阶段所用到的部分与 下一个阶段所使用的部分是衔接的，所使用的技术经过生存期每一个阶段后不改变： 三是把面向对象分析( o o a ) 、面向对象设计( o o d ) 和面向对象程序设计( o o p ) 集成到生存期的相应阶段。 3 2 面向对象程序设计【1 2 , 1 3 , 1 4 】 面向对象程序设计是对结构化程序设计的继承和发展，它吸收了结构化程序设 剪又式液压升降台参数化设计及结构分析 计的全部优点，同时又考虑到现实世界与计算机求解空间的关系，认为现实世界是 由一系列彼此相关并且能够相互通信的实体组成，这些实体就是面向对象方法中的 对象，而一些对象的共性的抽象描述，就是面向对象方法中的核心类。面向对 象的程序设计方法就是运用面向对象的观点来描述现实问题，然后用计算机语言来 描述并处理该问题。这种描述和处理是通过类与对象实现的，是对现实问题的高度 概括、分类和抽象。每个对象都具有自己的数据和相应的函数，整个程序是由一系 列相互作用的对象来构成，对象之间的作用是通过发送消息来实现。这样的程序， 数据和操作很好的封装在对象中，数据的访问权限也可以得到有效的控制，数据结 构和格式的改变只是局限于拥有该数据的对象和类中，因此修改也较为方便。同时， 通过由现有的类进行派生，可以得到更多具有特殊功能的新类，对更为复杂的问题 进行描述，达到对现有源代码的最大限度的重用，实现面向对象的程序设计。 现在，面向对象程序设计方法得到了越来越广泛的应用，其基本思想可表述如 下： 对象= 算法十数据结构 程序= 对象十对象十对象十 面向对象的程序设计方法强调了数据与算法的一体性，认为程序应该是若干具 有自己数据结构( 属性) 、自己算法( 方法) 的对象实体的一种组合过程，这个过 程中，对象是程序的核心。 3 3 升降台程序设计方法和过程 3 3 1 升降台程序设计方法 面向对象的仿真程序设计解决的是把系统仿真方案用程序语言实现的问题，不 同的系统，有不同的设计方法，相同的系统，也有不同的设计方法。在面向对象的 程序设计中，也同样存在各种各样的具体设计思路和过程，但是，优秀的程序设计， 就是权衡了各种因素，从而使得设计从方案到实现能够获得最大的好处，比如可能 缩短设计时间、减少代码、易于修改、容易扩充等等。 经过不断的探索，人们总结出一些面向对象程序设计的准则，本文的仿真软件 系统和仿真模型的设计中也尽量遵循了这些准则。 准则l ：模块化 模块化要求数据与操作的捆绑，面向对象方法很自然的具有这个特性，这符合 把系统分解成模块的设计原理。一个好的模块要求内部强内聚，即模块内的各个元 第二章剪义式液乐升降台毪亨设计 素之间、数据与操作彼此结合紧密，功能专一；还要求对外弱偶合，即模块的内部 实现过程与其它模块相关程度尽量低，提高模块的独立