楊保健，張活俊，黃照輝

0 引言

隨著人們生活水平的提高，行李箱已成為人們旅行和居家的必備物品，而行李箱萬(wàn)向輪的靈活性是其質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一[1]。目前，大多數(shù)廠(chǎng)家對(duì)行李箱萬(wàn)向輪靈活性的檢測(cè)仍停留在人工檢測(cè)階段，檢測(cè)精度低，耗時(shí)長(zhǎng)，成本高，嚴(yán)重制約了行李箱的生產(chǎn)效率。基于此，論文基于MCD（Mechatronics conceptual design）系統(tǒng)，擬開(kāi)發(fā)一個(gè)箱包萬(wàn)向輪靈活性測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)行李箱的自動(dòng)化檢測(cè)。

1 萬(wàn)向輪運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

萬(wàn)向輪分平底萬(wàn)向、絲桿萬(wàn)向、光杠萬(wàn)向、中控醫(yī)療輪等類(lèi)型[2]。行李箱多采用的是平底萬(wàn)向輪。萬(wàn)向輪通過(guò)不銹鋼螺釘與行李箱底盤(pán)連接，并在垂直于不銹鋼螺釘?shù)钠矫鎯?nèi)繞不銹鋼螺釘所在軸實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，其中在萬(wàn)向輪與行李箱接觸的面上配有鋼柱墊圈，將滑動(dòng)摩擦優(yōu)化為滾動(dòng)摩擦，以增強(qiáng)萬(wàn)向輪的轉(zhuǎn)向靈活性，如圖1所示。在萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，在軸向主要受行李箱重力對(duì)萬(wàn)向輪軸肩的壓力N1和地面對(duì)萬(wàn)向輪的支撐力N2，N1為均布力，且N1=N2；而在垂直于軸的平面內(nèi)，主要受驅(qū)動(dòng)力F和摩擦力f，二力力矩平衡，即MF=Mf，如圖2所示。萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性主要受接觸面摩擦力f和偏心距e影響[3-4]，其中摩擦力f越小，偏心距e越大，則轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性越好。

圖1 萬(wàn)向輪實(shí)物圖[2]

圖2 轉(zhuǎn)軸受力分析

2 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

（1）萬(wàn)向輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)萬(wàn)向輪的輪寬及輪間距，設(shè)計(jì)了雙列多槽式滾筒導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，如圖3所示。初級(jí)滾筒為起初導(dǎo)向作用，槽間距較大，槽壁較薄，能夠適應(yīng)萬(wàn)向輪的入槽角度較大，約小于90°[5-6]，如圖3（b）所示。次級(jí)滾筒起精確導(dǎo)向作用，經(jīng)過(guò)該滾筒導(dǎo)向后，萬(wàn)向輪的朝向基本與流水線(xiàn)方向平行，且具有一定的初速度V0。此時(shí)已為萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向靈活性測(cè)試做好了輪姿態(tài)初始化。

根據(jù)某款行李箱的萬(wàn)向輪尺寸確定滾筒蓋板寬度、初級(jí)滾筒與次級(jí)滾筒軸距以及滾筒的直徑。最終確定的雙列多槽式滾筒導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如圖3（b）所示。

圖3 雙列多槽式滾筒導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

（2）平臺(tái)傾斜裝置

行李箱萬(wàn)向輪經(jīng)過(guò)雙列多槽式滾筒導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向后，將進(jìn)入滑行區(qū)域。在該區(qū)域，行李箱主要靠重力作用沿傾斜裝置的面板向下滑行。通過(guò)測(cè)量行李箱滑行時(shí)不超出滑道邊界的最大滑行距離來(lái)衡量其萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向靈活性。

整個(gè)平臺(tái)傾斜裝置由滾筒、電機(jī)、氣缸、電磁閥、滑板、支撐底座等組成，如圖4所示?；遄蠖伺c氣缸桿相連，依靠調(diào)節(jié)氣缸桿的伸縮量來(lái)控制滑板的傾斜角度。針對(duì)不同規(guī)格的行李箱，滑板的傾斜角不同，傾斜角一般在0°～16°之間。

圖4 平臺(tái)傾斜裝置

考慮到平臺(tái)傾斜裝置在工作時(shí)其主要的受力部件為滑臺(tái)和氣缸桿，對(duì)滑臺(tái)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

由ΣFx=0知：FN=FBx=-FDx

由 ΣMC(F)=0 知： FBy?x1-M=0

校核平板AB截面A的強(qiáng)度：

圖5 滑板軸力圖和彎矩圖

（3）關(guān)鍵部件有限元分析

考慮到平臺(tái)傾斜裝置中滑板厚度薄、荷重大、所受力沖擊大等特點(diǎn)，材料選取鋁合金6061，對(duì)滑板進(jìn)行了受力有限元仿真。圖6所示為滑板的Mises應(yīng)力等值線(xiàn)分布云圖，其中最大應(yīng)力位于滑板兩側(cè)開(kāi)口處，其值為σmax=25.725 MPa＜＜265 MPa。

對(duì)于滑板的總變形結(jié)果分布云圖如圖6所示，其中最大的變形值為U=0.265 48 mm，且發(fā)生在平臺(tái)的最右側(cè)的位置如圖7所示。平臺(tái)兩端與中間相比，其變形要大一些，基本上介于0.011 43～0.265 48 mm之間。綜上，滑板結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度要求。

圖6 滑板應(yīng)力分析云圖

圖7 滑板位移分析云圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在MCD系統(tǒng)中，將設(shè)計(jì)好的測(cè)試平臺(tái)三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)G模塊中，并根據(jù)測(cè)試過(guò)程編寫(xiě)PLC程序，在MCD虛擬環(huán)境下進(jìn)行整個(gè)動(dòng)作的模擬[7-8]。測(cè)試過(guò)程流程及仿真界面如圖8和圖9所示。

4 結(jié)論

在分析了萬(wàn)向輪運(yùn)動(dòng)受力情況的基礎(chǔ)上，基于MCD虛擬環(huán)境對(duì)行李箱萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向靈活性測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，具體對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、傾斜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)動(dòng)過(guò)程滿(mǎn)足要求，縮短了開(kāi)發(fā)周期，為測(cè)試平臺(tái)的開(kāi)發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。

圖8 邏輯流程圖

圖9 虛擬仿真界面

參考文獻(xiàn)：

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