平衡吊的动力学与运动学仿真.docx

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1、平衡吊的运动学与动力学仿真*指导教师：* *1绪论1.1平衡吊的概要平衡吊是的主要构造是平行四边形连杆机构的放大形态和螺母升降构造，通 过外力的作用下到达重物的上升和下降的目的，平衡吊可以满足重物随时停留在 需要的工作区域。比其他的吊装设备更具有优越性，它比一般吊装设备更加的灵 活，从而更加的精准，与机械手相比等其他吊装设备比，其构造更加得合理，性 能较好，广泛的使用于重工业的生产中，在机床厂中更是被用作吊装作业，在小 型企业装卸货物，例如码头的施工，集装箱的搬运，非常适合于作业区域窄，时 间间隔短的作业方式。其极大减少了人力使用，有效地节约了人力资源。平衡吊在市场上主要常见的有3种，机械式，

2、气动式，液压式，机械式，顾名思 义，通过外力的使用，使其到达升降的目的，主要在生产，搬运的的领域中常见， 后期，更是添加了电动装置，优化了他的配置，有效地提高了生产效率。气动式 平衡吊主要是对于气压的控制原理实现升降功能的我们成为气动式平衡吊，液压 式，主要是根据液压系统来设置的，在大多数重工业生产地使用广泛。现在主要 使用的为气动式平衡吊，主要省力，都是自动化进展的，按照平衡吊臂的类型还 可以将平衡吊分为通用和专用类型，他们各有各的特色，相对于大型的吊车来说， 其缺点是工作的行程围较小，区域局限化。平衡吊的种类及其特点：液压平衡吊的特点：液压平衡吊有3大类，有级，单级，无级变速的，他们通过

3、不同的油路控制来到达不同的工作地点；气动平衡吊的特点:体积不大，比一般的平衡吊具有灵活的特色；电动平衡吊：又称为机械式平衡吊，具有控制重物在任意指定地点的特点，一般 为定速转动；Cad(2D)+solidworks(3D)图纸整套免费获取，需要的加 QQ11624013871.2平衡吊的构造平衡吊主要有大小臂，起重臂，短臂，电机，立柱，丝杆螺母传动副构成的， 其中的几个臂件通过平行四边形连杆机构构成的。在外力的作用下起到升降重物 的作用。1.3平衡吊存在的缺陷以下是平很吊仍I日存在的一些缺陷，我们根据国外的吊装装置进展了比照， 后期需要集中地优化和处理，产品的质量稳定性一直是个广泛受关注的焦点

4、，国 的产品一直较国外的稳定系差距很大，极影响了使用的期限，出产的配件较少， 我国的平衡吊的吊钩局部仅为吊钩，虽然可佩手抓机构，由缺少配件极大了使得 生产灵活性受到了限制。平衡吊在安装的途径，设计的流程，可靠性能，外观和 细节中和国外有很大的差距，其系列还不够完善，规格和种类相对较少，在特定 的领域具有很大的局限性，在传动装置的设计方面不够理想，我国的标准型电动 平衡吊为定速的升降速度，极降低了零部件的使用寿命，并极影响了使用和平安 性。气动，液压式虽然有无级和有级的变速，到达稳定性，控制性却很低，我们 需要进一步的研究其控制性能，才能使其满足生产作业的需求。2平衡吊的设计以下局部主要是机构的

5、选择和计算，包括对于整个装置的受力分析，得到相 应的的数据，由得出的数据进展后续的SolidWorks建模与动力学与运动学的仿真 分析。2.1平衡吊的工作原理加图(a)(b)所示，吊钩处施加外力的作用可以带动物体使平行四边形连杆机 构做水平方向左右往复运动，而电动机带动丝杆螺母机构进展上下往复运动，再 由平行四边形连杆机构传递运动，进而控制吊钩处的物体上下运动，此外，平 行四边形连杆机构的上局部还可以通过立柱进展360度的旋转，通过外力的作用 下就可以使整个平衡吊装置处于一个较大围的立体工作区间，具有较高的工作效 率，为作业提供了较高的便利。平衡吊设计理念本就是在设计一个平衡机构，在不同的时间

6、地点他能随时保 持平衡。平衡吊的平行四边形杆件长度必须满足一定的比例要求，其平衡状态才 有可能完成。而这个最根本的条件是：平行四边形杆件满足杆长的比值一样，即:眺座图2, 电动平衡吊外观察物图图2J(h)电动平ih用外观冏图AD/AB=DF/DE=mm为平行四边形机构的比例因数。由上公式可得在平衡吊在工作区域的任意 位置，忽略连杆的自重，摩擦力，连杆的承载变形，其他的一些客观因素，可以 使其平衡状态得到实现。在竖直导机出杆件节点处上下的滑动，带动真个机构上 下运动，固定竖直方向的运动，在水平向添加外力，带动吊钩F运动，其运动距 离Kx=X/m,外力消失的条件下，电机带动螺旋机构向上或者向下运动

7、距离Y, 吊重点F运动距离y,满足y=2Y/(ml)o以下证明上述的原理公式，以下的分析是在理想条件下进展的，忽略一切的 摩擦力，杆的重力，连杆承受载荷后所受的变形等因素。图2. 2机构运动简图以下分析图2.3的连杆机构杆件的受力情况，如下图杆ABD,DEF在受力分析 可得受到3个力的作用，由此可得为三力杆件，根据静力平衡原理，这三个力所受的合力为零，且三个力的作用线汇交与一点，而杆件BC,EC受到两个力的作用， 且为二力杆件DEF在点吊起物体，力的方向竖直向下，CE杆通过铰链E施加 给DEF的力P的方向和CE的方向一样，G力和P力相交于K点，Q力的方向经 过D点和K点，重力G的大小和方向，Q

8、力和？力的方向也知道，可知Q力和？ 力的大水。图2.3连杆机构受力图同理可得ABD同样受到三个力的作用，根据作用力与反作用力的原理，DEF 对ABD的作用力Q与。力的方向相反，且处于同一条直线上，如图2.3所示， 二力杆BC通过B点给ABD的作用力S沿着BC轴线方向，Q力和S力相交于J 点，第三个力为固定铰链A对于ABD杆的支持力R力，R力必须通过点，满 足以下受力分析图Q力的大小和方向，S力的方向，有作图法可得日力和、力 的大小和方向。图2.4为ABD杆的受力分析图平衡吊必须到达平衡状态的主要条件是R力必须只受到竖直方向的力，将 入8。杆和DEF杆的受力分析图综合到一起研究，以下是综合受力分

9、析图4。图2.5平衡吊的平行四边形连杆机构力的封闭图根据以上受力分析可得，当连杆装置满足过点做一条轴向线FK和6杆相 交于K,4，在连接K,D两点，并与86杆相交于点，但J点恰好过A点的轴向 线，可以满足R力竖直向下。机构需要满足以下的几何条件： KEF- ABJ , KDE- D 根据三角形相似此的原理可得以下比例公式：AB/BJ=KE/EF，KE/DE=DB/由以上公式联立可得:AB/BD=DE/EF经以上推倒可得3 ABC” CEF,可得 ACH CF又因为AC和CF有公共点C,可得A,C,F三点共线，AC=(m-1)CF;2.2,平衡吊的运动分析平衡吊的运动由横轴向，纵轴向组成，以下单

10、独对两个方向的装置的运动状 态进展分析2.2.1对装置横轴向状态的计算进展运动分析，当入点不动时，水平移动c,n,看点的运动轨迹是怎样变 化。如图2.5所示，过C点做一条水平直线MN,A点与点的投影在这条直线上 分别为，M,N两点。对C点进展平移，平移后为C点，点那么平移至F点，同 样得到入，F,C共线，点在MN上的投影为N点。在C点左右水平移动之前有：FEC” CBA, CE/AB=EF/BC=FC/CA=mlAFN” AMC, FC/CA=FN / AM= ml所以有 FN=m-1*AMC点移动后有: FEC” CBA，那么 CE/AB=EF7BC=FC/CA= mlFC/CA=FN/AM

11、=m-1, FN=m-1*AM所以可得：爪=村可证明当C点做水平方向移动时，C点也是沿着水平方向移动的， AFF ACC,得：FF=m*CC所以可得当点做水平方向匀速直线运动的时候，6点也随着点做匀速直线运 动，且点的速度是6点速度的m倍；2.2.2：对装置纵轴向状态的计算当入点运动时，点的运动轨迹，6点固定住，入点移动到入点的位置上， 由图可得F,C,A处于同一条直线上，过C点做一条水平线MN,可得FN1MN, CFE” ACB，CF/AC=EF/BC=m-1同理： F- CMA,/CM=CF/AC=m-1再对F点的位置变化进展分析，以上公式可以推导出 F CMA,即 NFIIMA,F点一直

12、在竖直方向上运动，由公式 F - CMA可得到FF/AA =m-1,即F点的竖直方向速度是入点速度的m-1倍，当入点做匀速运动的条件下， 点也是做匀速直线运动的，且点的位移是是入点位移的m-1倍。在以上的的计算中可以看出：再设计过程中m的取值直接影响到平衡吊的构造， 与平衡吊的建模有着密切的关系，一般的m的取值围为5到10之间，但m的取 值不易过大或者过小，过小会造成工作围较小，过大会导致各杆件受力不均匀， 出现倒伏的现象。该平衡吊的吊钩处悬挂重载荷，m的取值相对较小，取6,从 而使其构造更加的紧凑，符合其作业要求。2.3平衡吊的设计流程平衡吊设计主要步骤为，机构的选取，分析及选取适宜材料，加

13、以计算，根 据材料及其机构的配合确定最前方案，检验是否适宜。1 .连杆机构的设计一整理根本布局图一计算各局部铰链所受的力一杆件的材料 的选择一截面尺寸与杆件长度的选择一再进展校核验算一确定杆的配重及质心 的位置2. 丝杆螺母的设计一对螺母受力分析及其计算一螺母的设计一螺母的校核一选 择适宜的外力3. 将两个设计流程联合起来，所得到的数据进展SOLIDWORKS建模2.3.1平行四边形连杆机构的设计以以下图示是机构的作业简化图，由图示可以清楚地求出作业的工作区域， 吊钩处的最大和最小移动距离，整个连杆机构的运动状态可以精准的看出来，包 括各杆件在上下左右移动时候的角度变化趋势，对以下建立模型时提

14、供了直观的 运动体系，方便了建模时的尺寸的计算出错等。下外下内S W图2.6作业方框图根据查阅的资料得出一般IT平衡吊的工作区域为：s=1800,z=1500,吊钩在悬挂重 物的条件下上升的速度为6米每秒，根据力学平衡的原理分析：A,C,F三点共线，AF/AC=FF/CC=m=6;当入点固定的情况下，重物点水平方向上移动，那么6点也会沿着水平方向上 移动，重物点F的距离和6点呈现m倍的关系，水平移动的距离S=1800mm，理 论上可在水平导向槽里移动300mm的距离；同理，当6点固定不动时，重物F在上升或下降的移动中，入点也会随着F的机 迹移动，方向一样大小不等，他们的关系呈现为F是A的m-1

15、倍，即竖直移动 的距离z=1500mm，理论上竖直导向槽的距离为300mm。令K=0，由以下经历公 式H0=L0=1/2/(s+r)2+r2+z2-m2/(m-1)令H0为最小H杆长，L0为最小I杆长，初步取H0=L0=1650，为杆H最小值，实际尺寸H应大于H0,最后确定最终布局图；忽略自身的重力的情况下，对各个铰链受力分析，确定各杆件的截面尺寸；图2.7平行四边形连杆机构简图通过以上图示可以测出4个极限位置的时候，a, B的角度值如下表格所示: 表2对a和B角度值的大水对应的各个点的极限位置aB上-755上外4535下-30-19下外40-25表2根据所查阅的文献资札当所受的载荷为1T是，

16、各铰链计算公式:I-IV铰链，IVIII、V铰链的计算公式：R=sina-m-G /cos(a-B) a角的士和公式中的士保持一致I II 铰链计算公式：G/(m-1)2(sina) +cosa+msinatan(a-B) 2II VI铰链计算公式：R=(m - 1)GV-Ill, IV铰链计算公式:R=N=mG以上公式中的a, B角的正负值的判断，根据以上纵横方向的界限划分，a, B 所在的方向确定他们的正负值。位置a BF1F2F3F4F5F6F7(Kg) (Kg) (Kg)(Kg) (Kg)(Kg)(Kg)上-7 5313006030211040005010上外43 3535004950

17、3040下-30 -20250048002336下外 37 -25602095006430计算各截面处所受的弯矩，杆臂的危点B,E，立柱的弯矩计算公式为：ME=GLEF sina, MB=(m-1)GLABcosB, ML=LGL是立柱距吊钩的水平尺寸，将以上表格的数据代入公式可得下表:弯矩的单位 为 100x10 3|mm位置MgM8Mt上1.829.05.5上外10.212.019.6下7.514.05.5下外9.013.819.6表3由以上的计算所得到的数据，杆件的横截面可以初步确定，选择适宜的长度和宽 度，并添加适宜的外形设计，选择适合的截面的高度和宽度，厚度，最后在进展 校核，查阅文

18、献得校核公式：K(N/16H+M/4H2)0.8/(F/P)W的取值围是1.2到2.5之间，选择适宜的值，这里取2, P 取9,有：d20.8/(F/P)=38.2查阅机械手册，选择取公称直径为d=48mm,螺距P=8mm，中径d2=44mm,螺 杆大径为49mm,螺杆，螺母的水径分别为39mm,40mm。可求得螺母高度Hwd2=88mm,圈数n=H/L=11圈2.4.3计算螺纹牙的强度螺纹牙在工作的情况下容易受到挤压变形和剪切压力，而一般螺母的强度相 比螺杆要低，只要检验螺母螺牙的强度即可：螺纹牙的校核公式根据其危险截面挤剪切和挤弯曲条件：i=Q/nDbu=4.735螺牙截面弯曲强度条件：6

19、=6FL/nDb2u其中b为其根部厚度，b=0.65p,L是弯曲力臂，其大水由公式L=( D-D2)/2算得：以上各数据可以算出6=14.5图3.2在去掉竖直方向的移动副后，改为旋转副，分别得出水平轴及其吊钩处的位 移，速度曲线图，图3.2,可看出各零件的位移是时间成正比的，速度保持不变。NODE. 1Analjis: LasLRunTine (sec)Jj|flT_1 ElensnljEFra.Mac -JCINT_2ElemEnt_Fcroe.Hag -JGINT_3.El6mEnt_Fro.Uag JOINTJ ElementjGFK.Mag .：JJ.ElamenljDraa.Uac

20、-J2INT_&.EmErrt_Fcrce.Mag -JjIflUEIensnlJCFra.Mac J3INT_?EImEnt_FGrce.Mag JOINTJ2 Elemenijwce.Llag -JOINT_13.Elenient_Fons.Uag JOINT U.EIenwnt Fora.Uag任也54DEJ53.DE-J52.5E-J52DEW-1MD5T(w 0.03匚口ImmE-wtD1?D5-1fi 15:1=05Data Math图3.3图3.4图3.5图3.3和图3.4主要是对动力学的分析，主要为个旋转副及其移动副之间的 摩擦力的变化，图3.5为各个力矩之间的变化的曲线图，可

21、看随着时间的变化呈 现不规律的趋势，证明零件之间的受力不均匀。3.4.2竖直分析oc nMQDEL_1-fl Th-.U. IO2D.0-一.rW. 1.IPI.cluCLi.T-PART 10 CM PDSition.Y ,-0.1-PART 11 ClPositiun.Y -一 ” A0 05 .rmi_i ；.LM_ueiDcn.T-h c n _ r-1 D.UI A-C.&-d.0； E 1 U.U -U.1 匚& c n -ji一广:!i-0.15 3g 00.L I-025r n -_.uT.3-inn _ n勺匚-1 U.U t0 00.005D.010.D150.02Anah

22、sis: Last_RurIlFRefsecJ2017-05-161527:17Data Math图3.6在去掉水平方向的移动副后，改为旋转副，分别得出竖直轴及其吊钩处的位 移，速度曲线图，图3.6,可看出各零件的位移是时间成正比的，速度保持不变。MODEL 1.JCI W_1. Elernent_Fcra.M a g -JCI NT_2. EI&rnent_Fc roe. M ag -JOI NT_c .Een ent_F c nee. hl a g .JOINT_3.E ernent_Fcrce.Mag ,JOINT_5.E emen-_Fcrae.Mag -JOHr_6.0emert_F

23、crce Mag JCIMT 7.Element Fence.Mag图3.7.JCINT三 Elam 叩 L一削 um.Mag0.01:0.D22017-05-161527：图3.8双0! E EDSi匚图3.9从图3.7,3.8,3.9亦可看随着时间的变化呈现不规律的趋势，零件之间的受力 不均匀。3.4.3综合方向分析7 耶J 七 J d iF?IE图4.1LlUUtL IAnalysis: Last_SunJ0INT_3.EI&m? tjonc&.lag -JOINT_7.H&m5rit_Fonce.Ma: r.JOINTJ.EI eme t_Fonce.Ma c JQINT.b.ElEm

24、anLFonce.Mag ，h : -.JGINT_3.Q erne nl-Force.Ma g ,JOIMTJ.ElEmntjOFce.lao .JOirrj.tBmntJonce.Mag .JOINT_3.Elemer!t_Fonc&.Mag -UOTICN 1.Element Force.Ma;图4.2图4.3结论在综合方向可知满足在水平和竖直方向是均满足运动学的曲线的，在各个约 束副之间的力的变化是不均匀的，符合动力学特征致在完成毕业设计的过程中我遇到了很多的问题，通过袁伟萍教师和同学们的 帮助，我最后还是很顺利的完成了我的论文，在这个炎热的夏天我即将迎来大学 的毕业，所以这次的论文使

25、我们最后的一个在校的任务，我还是很用心的，毕竟 这也是我对大学四年的总结，最后我要真诚的感我的指导教师袁伟萍，您对我们 的帮助我们永远铭记，同时也要我的同学们，和你们一起讨论的时刻真的很充实。参考文献1 昌明.三维打印机ZPrinter310系统Z向升降台的构造设计J.机械管理开发, 2008(4):19-21.2 军健.某紧凑快速自动化传送装置的动力学与控制D.理工大学,2008.3 吴宝伟陆素梅.物体受力图受力分析一课教学难点的突破J.职 业,2014(33):105-105.4 思危.基于摩擦齿轮的体积显示系统研究D.大学,2014.5 闫爱和.平衡吊的运动分析及平衡方法J.重型机械学院学报,2000(4):43-48.6 王波.复杂机械系统动力学建模研究及在汽车上的应用D.华中科技大学， 2005.