白金婷,潘存云,吳懋亮,孫玄鍇

(上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，目前，每臺(tái)零售柜每天最大販賣量為1 000個(gè)，也就是表明取貨門每天會(huì)開閉將近2 000余次。高負(fù)荷的運(yùn)作，會(huì)長(zhǎng)期破壞取貨門機(jī)構(gòu)的壽命，因此取貨門機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度計(jì)算極為重要[1-2]。

四桿機(jī)構(gòu)是平面連桿機(jī)構(gòu)中最簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)，是研究多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于航空、包裝、醫(yī)學(xué)及汽車等多領(lǐng)域[3-4]。凸輪是一個(gè)具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，采用凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)可有效規(guī)劃出貨門的運(yùn)行路線，借助導(dǎo)槽代替凸輪達(dá)到輪廓曲線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)軌跡的目的[5]。

本文基于TRIZ理論對(duì)貨門機(jī)構(gòu)進(jìn)行改善，運(yùn)用復(fù)數(shù)矢量法和Solidworks Motion對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

1 基于TRIZ理論的取貨門設(shè)計(jì)

TRIZ是一種系統(tǒng)闡述發(fā)明創(chuàng)造和技術(shù)創(chuàng)新的新理論[6]。利用TRIZ創(chuàng)新理論，能夠系統(tǒng)地分析零售柜取貨門機(jī)構(gòu)問(wèn)題，準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)取貨門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要解決的問(wèn)題[7]。

1.1 功能、結(jié)構(gòu)與材料分析

現(xiàn)有零售柜貨門一般為手推式取貨門，該種取貨門多為塑料材質(zhì)，極易被破壞。

現(xiàn)有貨門組件系統(tǒng)與矛盾分析如圖1所示。

圖1 組件系統(tǒng)與矛盾分析

圖1(b)所示為各組件矛盾分析，根據(jù)各組件之間相互作用的矛盾機(jī)理與主要功能的關(guān)系[8-9]，功能分為3類：

(1)有用功能。貨門將貨道與外界分開，防止雜物進(jìn)入；工作人員檢查清理雜物，防止貨道阻塞；

(2)有害功能。孩童玩耍會(huì)破壞取貨門，且極易將雜物放入貨道，造成機(jī)器的損壞；工作人員需實(shí)時(shí)觀察阻止孩童破壞，浪費(fèi)人力；

(3)中性功能。貨門的外觀設(shè)計(jì)。

通過(guò)分析，主要的矛盾在貨門本身，需要進(jìn)行對(duì)貨門的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)貨門自動(dòng)啟閉功能。

1.2 貨門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

新型大容量零售柜如圖2所示。

圖2 智能大容量零售柜

該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求如下：

取貨門能取送貨品的最大外形尺寸為：400 mm×300 mm×200 mm；內(nèi)藏式垂直升降啟閉開關(guān)門；行程為：y<100 mm,z<400 mm；具有防夾手，自動(dòng)保護(hù)功能；運(yùn)動(dòng)靈活，低噪聲；貨門單次啟閉時(shí)間t<2 s，驅(qū)動(dòng)功率P<100 W；具有IP6級(jí)防水功能。

1.3 選用TRIZ發(fā)明原理

為提高貨門壽命，期望貨門實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉功能。但在增強(qiáng)可靠性、機(jī)構(gòu)適用性的同時(shí)，也會(huì)增加貨門機(jī)構(gòu)裝置的不易操作性、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的能量消耗和惡化運(yùn)行速度。為解決這一問(wèn)題，筆者采用TRIZ理論的矛盾沖突矩陣，改進(jìn)現(xiàn)有門機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。

貨門矛盾矩陣如表1所示。

表1 貨門矛盾矩陣

物理矛盾在于：為了某種功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)這一性能指標(biāo)提出了完全相反的要求。處理物理矛盾的核心思想是使矛盾雙方分離，TRIZ中有40種發(fā)明原理用于解決矛盾問(wèn)題的基本方法[10]。對(duì)表1中的發(fā)明原理進(jìn)行分析篩選，有價(jià)值的發(fā)明原則有：10預(yù)先作用原理、17空間維數(shù)變化原理、19周期性作用原理、28機(jī)械系統(tǒng)替代原理。

由機(jī)械系統(tǒng)替代原理，將貨門變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，便于操作；由維數(shù)改變?cè)?，考慮將貨門機(jī)構(gòu)的二維平面運(yùn)動(dòng)過(guò)渡到三維空間運(yùn)動(dòng)，采用貨門升降機(jī)構(gòu)，從而使內(nèi)藏式貨門上下移動(dòng)方便取貨；由預(yù)先作用原理，考慮將補(bǔ)貨門四角設(shè)置導(dǎo)輪，使導(dǎo)輪沿導(dǎo)槽側(cè)板運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)貨門按照預(yù)期的路線啟閉，防止補(bǔ)貨門卡槽發(fā)生故障；由周期性原理，考慮將啟閉貨門程序設(shè)置為周期性或脈動(dòng)的，取貨時(shí)，執(zhí)行開門程序，取貨完成，重力傳感器感應(yīng)到貨物取出，執(zhí)行關(guān)門程序。

1.4 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)TRIZ矛盾分析和設(shè)計(jì)要求，為使貨門機(jī)構(gòu)變成垂直升降內(nèi)藏式結(jié)構(gòu)，筆者利用平面連桿和導(dǎo)槽組合機(jī)構(gòu)將貨門運(yùn)行路線設(shè)計(jì)成預(yù)期的輪廓曲線。貨門機(jī)構(gòu)主要零件為導(dǎo)槽側(cè)板、自動(dòng)門、連桿、橫桿、滑塊、直線滑軌、導(dǎo)輪以及軸承座，其材料主要為Q235和鋁合金。當(dāng)橫桿上移，自動(dòng)門開啟；橫桿下移，自動(dòng)門關(guān)閉。貨門連桿機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 門連桿機(jī)構(gòu)示意圖

2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)原理

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪通過(guò)同步帶拖動(dòng)橫桿，與橫桿連接的滑塊在滑軌上線性運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，連桿帶動(dòng)自動(dòng)門，在導(dǎo)輪的作用下，沿著上下導(dǎo)槽滑動(dòng)。連桿、導(dǎo)輪與導(dǎo)槽的共同作用保證自動(dòng)門傳動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)轉(zhuǎn)正常[11]。

2.2 數(shù)學(xué)描述

通過(guò)對(duì)自動(dòng)取貨門機(jī)構(gòu)分解出的平面連桿凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，確定機(jī)構(gòu)的自由度和運(yùn)動(dòng)軌跡。

(1)自由度分析

由圖3所示的簡(jiǎn)圖可知為平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，由平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式：

F=3n-2PL-PH

(1)

式中：F—自由度；n—活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；PL—低副數(shù)；PH—高副數(shù)。

通過(guò)式(1)計(jì)算出機(jī)構(gòu)的自由度，以確定該機(jī)構(gòu)是否有明確的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[12]。該設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件有3個(gè)低副，2個(gè)高副；根據(jù)自由度公式計(jì)算，可得出該連桿導(dǎo)槽組合機(jī)構(gòu)具有(F=3×3-2×3-1×2=1)1個(gè)自由度。因此，該機(jī)構(gòu)自由度大于0，且與原動(dòng)件數(shù)(滑塊1件)相等，具有明確的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

(2)軌跡分析

為防止自動(dòng)門導(dǎo)輪在上下導(dǎo)槽運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)卡槽現(xiàn)象，故而筆者將導(dǎo)槽的第一段設(shè)計(jì)為兩條斜率不同的直線段，上導(dǎo)槽為與水平方向30°的斜線，下導(dǎo)槽為與水平方向45°的斜線。自動(dòng)門將與豎直方向形成φ角，且φ角的值不會(huì)很大。連桿與豎直方向成θ角，自動(dòng)門與豎直方向成φ角。門開過(guò)程中，θ角逐漸變小至恒定，φ角從0°先變大后變小至0°。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置分析如圖4所示。

圖4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置分析

圖4(a)所示為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分部簡(jiǎn)圖，可觀察到門開過(guò)程的5種情況。

3 瞬態(tài)位置理論分析

由于導(dǎo)槽分別由兩條直線段和一條曲線段構(gòu)成，且上下導(dǎo)槽的第一段直線段斜率不同，導(dǎo)輪的運(yùn)動(dòng)分析劃分為幾種不同情況。為簡(jiǎn)化模型，機(jī)構(gòu)可分為兩部分分析，并建立如圖4所示機(jī)構(gòu)位置分析的直角坐標(biāo)系。圖4(b)所示為機(jī)構(gòu)位置分析，第一部分為直線滑塊、連桿與上導(dǎo)槽運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；第二部分為上下導(dǎo)槽與自動(dòng)門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

利用復(fù)數(shù)矢量法作為該平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的方法[13]，設(shè)各構(gòu)件的已知尺寸及圖1中原動(dòng)件1的速度v，導(dǎo)槽的方程和各位置其切線與水平方向角β2，則可已知方位角θ與角速度ω隨時(shí)間t變化情況。需對(duì)其位置、速度和加速度進(jìn)行分析，將各構(gòu)件表示為桿向量。

同樣用復(fù)數(shù)矢量法與已知關(guān)系亦可求得φ和P點(diǎn)關(guān)于t的位置關(guān)系。具體結(jié)果分析如下：

(2)

易知θ∈(24.624°,46.7°)。

(3)

③導(dǎo)輪在上導(dǎo)槽的豎直運(yùn)動(dòng)，此時(shí)xm=100，θ=7.985°。

(2)第二部分運(yùn)動(dòng)過(guò)程為5種情況，依次為：

①上下導(dǎo)輪都在導(dǎo)槽做直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)θ∈(24.624°,46.7°)，上導(dǎo)輪為式(2)，下導(dǎo)輪為：

(4)

下導(dǎo)槽直線方程yp=xp-470.5，可得：

②上導(dǎo)輪曲線運(yùn)動(dòng)，下導(dǎo)輪直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)θ∈(17.925°,24.624°)，上導(dǎo)輪坐標(biāo)為式(3)，下導(dǎo)輪為：

(5)

下導(dǎo)槽直線方程為yp=xp-470.5,可得：

③上下導(dǎo)輪都在導(dǎo)槽做曲線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)θ∈(7.985°,17.925°)，上導(dǎo)輪坐標(biāo)為式(3)，下導(dǎo)輪坐標(biāo)為：

(6)

④上導(dǎo)輪做豎直運(yùn)動(dòng)，下導(dǎo)輪曲線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)θ=7.985°，xm=100，由下式可知：

(7)

⑤上下導(dǎo)輪都做豎直運(yùn)動(dòng)，此時(shí)θ=7.985°，φ=0，ym以速度v持續(xù)上升至最高點(diǎn)。

從上述分析可得出，φ最大值僅為3.672°，自動(dòng)門在開啟過(guò)程中不會(huì)造成大幅度的傾斜和卡槽現(xiàn)象。自動(dòng)門閉合過(guò)程與上述開啟過(guò)程正好相反，不再重復(fù)分析。自動(dòng)門開啟與閉合為一個(gè)周期，在傳達(dá)取貨指令時(shí)，自動(dòng)門將重復(fù)該運(yùn)動(dòng)。

4 基于Motion仿真分析

Solidworks Motion是一款虛擬原型機(jī)仿真軟件[14]。

4.1 仿真模型建立

裝配自動(dòng)門機(jī)構(gòu)零部件，并設(shè)置其相關(guān)機(jī)構(gòu)的配合關(guān)系，激活Motion插件，定義原動(dòng)件的線性馬達(dá)，以已知的速度曲線圖沿y軸正方向作指定規(guī)律運(yùn)動(dòng)。算例類型設(shè)置為基本運(yùn)動(dòng)，模擬時(shí)間為2 s，點(diǎn)擊開始按鈕，觀察裝配體運(yùn)動(dòng)關(guān)系。主動(dòng)件輸入速度曲線如圖5所示。

圖5 主動(dòng)件輸入速度曲線

4.2 求解運(yùn)動(dòng)參數(shù)

將算例類型設(shè)置為Motion，進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算完成后，在結(jié)果中定義想要求解的參數(shù)，從而得到各角度、速度、加速度等相關(guān)關(guān)系。

θ、φ和從動(dòng)件速度、加速度曲線如圖6所示。

圖6 θ、φ和從動(dòng)件速度、加速度曲線

圖6(a)所示為θ與φ與t關(guān)系，可觀察到求解結(jié)果與理論分析大致相同，驗(yàn)證了Motion分析的正確性。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程只需要1.13 s，滿足設(shè)計(jì)要求，保證了開啟自動(dòng)門的短時(shí)間高效性。定義求解參數(shù)，可以求得從動(dòng)件兩端點(diǎn)M、P的速度、加速度關(guān)于t的關(guān)系。

以上仿真結(jié)果是在該門連桿機(jī)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件已知的情況下得出的，從該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果可分析出，從動(dòng)件速度變化平穩(wěn)，加速度曲線較為平滑；兩端M、P點(diǎn)的y方向速度、加速度幾乎一致，x方向的偏差是由導(dǎo)槽直線段的斜率不同導(dǎo)致，因此防止了卡槽現(xiàn)象。

自動(dòng)取貨門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)性能較好，與理論分析結(jié)果相吻合，說(shuō)明了分析結(jié)果的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于TRIZ理論，筆者完成了對(duì)取貨門的導(dǎo)槽連桿組合機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)；分析了其數(shù)學(xué)描述，避免了貨門運(yùn)動(dòng)過(guò)程發(fā)生卡槽現(xiàn)象；通過(guò)理論分析連桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中θ的變化，得到連桿角度φ變化；通過(guò)Motion仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的正確性。

該機(jī)構(gòu)用在智能大容量零售柜自動(dòng)取貨門上，具有運(yùn)行時(shí)間短、不易被破壞、操作方便、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和噪音較小等優(yōu)點(diǎn)。