多自由度移动式液压升降平台的设计.pdf

2 0 1 1 年 1 0月 第 3 9卷 第 2 O期 机床与液压 MAC HI NE T0OL ＆ HYDRAU 『 L I CS 0C t ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 2 0 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 0 ． 0 2 3 多 自由度移动式液压升降平 台的设计 李曙生 ， 顾亚军 1 ．泰州职业技术学院机 电技术学院，江苏泰 州 2 2 5 3 0 0 ； 2 ．泰 州 I 市液压机械 工程技术研 究中心 ，江苏泰州 I 2 2 5 3 0 0 摘要为满足轨道车辆大惯量部件的高效精密装配要求，设计一种同时具有横向移动、纵向移动及旋转功能的多自由 度移动式液压升降平台。该平台利用液压油缸和推力轴承实现多层工作 台面的纵横向移动、旋转运动 、升降运动，并能自 行移动，具有多自由度运动特性，从而可以实现大惯量部件装配时的高效精密定位。 关键词升降平台；高效精密装配 ；多 自由度 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识 码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 0 0 6 l 一 4 De s i g n o f M u l t i - DoF Hy dr a ul i c Li fti ng Pl a t f o r m L I S h u s h e n g 一 ．G U Y a j u n 1 ． D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， T a i z h o u P o l y t e c h n i c C o l l e g e ， T a i z h o u J i a n g s u 2 2 5 3 0 0，C h i n a； 2 ． T a i z h o u C i t y H y d r a u l i c Me c h a n i c al E n g i n e e ri n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r ， T a i z h o u J i a n g s u 2 2 5 3 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T o me e t t h e d e ma n d o f h i g h p r e c i s i o n a s s e mb l y o f l a r g e i n e r t i a c o mp o n e n t s f o r r a i l v e h i c l e s ，a k i n d o f mu l t i DOF h y d r a u l i c l i ft i n g p l a t f o r m wa s d e s i g n e d wh i c h h a s f u n c t i o n s o f l a t e r a l mo v e me n t ，v e r t i c a l mo v e me n t a n d r o t a t i o n ．I n t h e p l a tf o r m ，h y - d r a u l i c c y l i n d e r a n d t h r u s t b e a ri n g we r e u s e d t o a c h i e v e mo v e ，r o t a t i o n，l i ft i n g mo t i o n o f mu l t i a s p e c t w o r k s u r f a c e ．T h e p l a tf o rm c a n mo v e b y i t s e l f ， w i t h m u l t i D O F mo t i o n c h a r a c t e ri s t i c s ．B y t h e p l a tf o rm ， l a r g e i n e r t i a p a rt s c a n b e p o s i t i o n e d p r e c i s e l y w h e n a s s e mb l i ng ． ． Ke ywor d sL i fti ng p l a tfo r m ；Hi g h p r e ci s i o n a s s e mb l y；Mul t i p l e de g r e e s o f f r e e do m 随着世界上 高速铁路 客运专线 、重载运输 专线 以 及城际列车、地铁、轻轨等不断开发 ，轨道车辆生产 进入 了一个飞速发展 的时代 。装配是轨道 车辆制 造过 程中的重要环节，装配工作 的成本 占总制造成本的 3 0 ％ ～ 5 0 ％。为了适应不断提升的装配精度和装配效 率，必须在轨道车辆高效精密装配大质量部件时采用 轨道车辆精密装配专用液压旋转平台，方能在微移范 围内将大质量部件装配至车体。 现有技术 中，各类液压升降平 台中的作业平 台只 能完成竖直方向的上下升降，无法完成水平面纵横向 移动及在 水平面 内的旋转运 动 ，这 在装配大 惯量 轨 道车辆车底部件和 电气设备 等部件 时非 常不 方便 ， 并使液压升降平台的应用场合受到制约。为此，必须 在原有常规液压升降平台的基础上增加相应的平面位 移及旋 转运动功能 ，以其 多 自由度 的灵活性适应轨道 车辆 的高效精 密装配需要。 轨道 车辆精 密装 配用移动式液压升降平 台首先解 决 了轨 道客车生产厂家对机车车底装配机件 、电气设 备等大型零件部件的工艺要求，同时该机构也适用于 其他同类场合领域的使用要求。该液压平台车本身是 移动轮及移 动和旋 转结 构互 相搭配让轨道车辆在组装 或维修时不再受限于轨道上移动，即使在平面地板上 也可以轻易地移动及 回转 ，进而提高生产及维修效 率 ，可以方便快捷地实现前进、退后或旋转等，操作 简单且方便 ，可让大惯量部件快速且精确定位。 1 平台主要技术指标 额定 起 重 能 力 1 0 0 0 0 k g ；起 升 高 度 2 0 0 0 m m；最低 高 度 9 0 0 m m；台 面 尺 寸 4 0 0 0 m m 2 0 0 0 m m；整机身 长 5 0 0 0 m m；整机 身 宽 2 0 0 0 m m；运行速度3 ． 6 k m ／ h ；浮动 台面纵、横向调整 范围 土 5 0 m m；浮动 台面旋 转 角度 1 0 。 定 位 角度误差 小 于 0 ． 2 5 。 ；工 作 电压 4 8 V D C；控制 电 压 2 4 V D C ；蓄电瓶容量 5 0 0 A h 。 2平台的组成及工作过程 2 ． 1 系统结 构 轨道车辆高效精密装配用移动式液压升降平台是 一 个机、电、液一体的组合 ，主要由剪叉式升降车 体 、浮动台面、转向及驱动装置、液压系统 、电控系 统等部分组成。常规平台受电源限制，行走距离和方 向有 限 ，另外平 台台面固定 不动。而轨道 车辆精 密装 收稿 日期 2 0 1 0 0 91 6 ． 作者简介 李曙生 1 9 7 2 一 ，工 学博 士 ，高级工程师 ，副教授 ，主要从事机械设计与制造研究 。Em a i l t z s s l i 1 6 3 ． c o m。 6 2 机床与液压 第 3 9卷 配用可旋转 式液压升降平 台以蓄 电瓶供 电 ，通 过液压 马达工作 实现行走运动 ，平 台上升 、下 降动作 通过升 降液 压油缸实现 。另外 平 台台面工 作 区还设 置横 移 、 纵移及旋转工作 3个动作区域；横移动作区通过横移 油缸工作直接推动平 台台面实现横向移动 5 0 m m； 纵移工作区由纵移油缸工作直接推动平台台面实现纵 向移动 5 0 m m；旋转工作 区利用油缸带动齿条旋 转 ，因齿条与 中心齿轮盘啮合从而使齿轮盘产生旋 转 ，通 过齿轮盘 的旋 转带 动浮 动平 台面 的 1 0 。 旋 转 动作 。 如 图 1 所示 ，改进 结构 的剪 叉式 液压 升降平 台 ， 包括作业平 台、升 降机 构 、液 压 机 构 、电动 控 制 机 构 、底 盘 ，所述升降机构 中的最下 面臂架的两端下端 机械连接底盘 的两端 ，在底盘 的中央部位设 置液压机 构，举升油缸的活塞杆连接在作业平台的底面以下部 位 。 a 作 业平 台以 F结 构水 意 图 b 作 业平 台 F层及 中 层部 分 的结 构不 惹 图 c 去 除作 业平 台 中最 上层 的工 作 面板后 的 结构 不 意 图 1 一 下滚 轮2 一 固定 下 支耳卜外臂4 一举 升 油缸5 一 内臂6 一上 滚 轮卜固定上 支 耳8 一 液压 马 达9 一 旋 转油 缸1 O 一 纵 移油 缸l 1 一 横移 油 缸 l 2 ． 一 纵移平板‘ 平台下层l } 一 横移平板 平台中层 1 4 一上固定撰 l s 一齿轮 l 6 一齿条 l __钢球座 l 8 一弧形导轨 1 9 一 移连接臂 2 o 一底盘 2 l 一齿条运动限位装置 2 2 一纵移连接臂 2 3 一齿轮轴 2 4 一齿轮轴底座 2 5 一纵向限位挡块 2 6 一横 向限位挡块2 一运动导轨 图l 升降平台结构示意图 作业平 台由上 、中 、下 3层组成 ，其 中 ，中、下 齿 条 1 6 ，上述齿条 1 6在齿条运动 限位装 置 2 1 的限位 两层均为四周带有移动平板的框架结构，下层框架与 下始终与齿轮 1 5相啮合。 x形剪叉臂上端通过上滚轮 6连接，中、下两层的移 2 ． 2 工作原理 动平板 1 3 、1 2间安装有推力轴承 图中未标示 及 如图 1 所示，当安装于下层与中层间的油缸工作 运动导轨 2 7 。横移油缸 1 1 缸体固定于下层框架上 ， 时，活塞驱动中层与下层产生一个方向 横 向或纵 横移油缸 1 1的活塞与中层框架相连接。中层框架上 向的水平运动；当安装于上层与中层问的油缸工 固定安 装有纵移油缸 1 0 。纵移油缸 1 0与横移 油缸 1 1 作 时 ，活塞 驱动 上层 与 下层 又 产生 另一 个 方 向 纵 的安装 方 向相垂直 。纵 移油 缸 1 0的活塞 与上层 框架 向或横 向 的水 平 运 动 ，如 此 ，作 为工 作 面 的 最上 连接。同样，中、上两层的移动平板 1 3 、1 4间安装 层既可在常规的垂直方向升降又能相对于最下层实现 有推力轴承 图中未标示 及运动导轨。当纵移油 前后及左右的水平运动。这极大地给很多装卸作业带 缸 1 0工作时，其活塞驱动中层框架产生横向水平运 来方便，拓宽了液压升降平台的应用场合 ，方便地实 动 ；同样 ，中层框架与上层框架相邻 层的最大横 向允 现了设计 目标 。其 中 ，旋转 大 齿轮 上 端 与工 作 台连 许位移处 ，固定有纵向限位挡块 2 5 。安装于下层与 接，中间与齿轮转轴配合 ；齿轮转轴固定在转轴底座 中层间的油缸 ，该油缸的缸体与下层和中层中的任意 上；横移平板由横移连接臂连接一起动作，纵移平板 一 层相连接，油缸的活塞与下层和中层中的另外一层 由纵移连接臂连接一起动作。液压升降平台工作时， 相连接；安装于中层与上层间的另一油缸，该油缸的 主要有如下 4种动作 缸体与中层和上层中的任意一层相连接，油缸的活塞 1 行走及车轮转 向动作。行走机构驱动采用 与中层和上层中的另外一层相连接；上述两油缸均以 两只液压马达驱动，液压马达直接安装在驱动轮上 ， 液压马达 为动力 源 ，两 油缸的活塞呈垂直方 向。 对角安装 ，即在平 台 4只承载轮对 角安装 2只驱动马 旋转油缸 9的缸 体 固定 安 装 于上 层 面板 图 中 达 ，使 4只承载轮 2只为 主动轮 ，2只为从动 轮 ，从 未标示 的底 面上 ，上 层 面板 的底 面 中心处 固定 安 而驱动平 台实现纵 向行走 及横向行走。采用双 出杆液 装有齿轮轴 2 3 ，齿轮轴 2 3的外侧有通过齿轮轴底座 压油缸实现转向驱动，双出杆两端部连接两根驱动齿 2 4固定安装 于中层 框架的齿轮 1 5 ，齿轮 1 5可 相对齿 条 ，齿条通过 限位 机构带 动旋转齿轮 。旋转齿轮安装 轮轴 2 3作相对自由转动 ，旋转油缸 9的活塞连接有 在旋转轴上端 ，旋转轴下端以便安装驱动马达及驱动 第2 0期 李曙生 等多自由度移动式液压升降平台的设计 6 3 轮 ，另一旋转 轴 下端 安装 从 动轮 。液 压 油缸 来 回往 复直线运动 ，带动齿 条直线运动 ，齿条带 动齿轮作旋 转运动，齿轮带动旋转轴作旋转运动，旋转轴带动行 走轮实现 9 0 。 转向，从而使平台整体实现纵向运动、 横 向运动及 9 0 。 内任意方 向的转 向。 2 举升动 作 。举 升 油缸 工作 ，带 动连 接臂 和 内外臂 向上运动 ，内外臂通 过滚 轮的滚动 推动工作 台 向上运动。 3 平移动作。横移油缸做横 向移动时，带动 横移平 板 、旋 转大齿 轮和上 工作 台一起移 动 ；纵移油 缸做纵 向移动时 ，带 动纵移平板 、横移平板 、旋转大 齿轮和上工作台一起做纵向移动。 4 旋转动作。旋转油缸推动齿条运动，齿条 推动旋转大齿轮做旋转运动 ，并带动上工作台一起做 旋转运动 ，平 移部分不跟随旋转。当旋转 油缸 9工作 时，旋转油缸通过活塞驱动齿条 1 6运动，由于齿轮 1 5固定不动 ，与旋转油缸缸体 及齿轮轴 2 3 相 固定地 相对于齿轮 1 5产生旋转运动。 2 ． 3 液 压 系统 平 台采用液压传动来实现平台的纵移 、横移 和升 降，原理如图2所示 。如图 2 a 所示，通过控 制 电磁 阀和节流阀 ，实现油缸的移 动调节 ，从而实现 升降油缸和车轮转向油缸的有效控制；通过控制叠加 式节流 阀和电磁阀 ，可以有效控制 车轮驱 动马达 ，实 现车轮的纵 向行 走及 横 向行走 。如 图 2 b 所 示 ， 通过控制电磁阀和节流阀 ，实现横 向移动 、纵 向移动 和旋转油缸的移动调节 ，从 而实现平 台面板 的多 自由 度运动。 a 液压升降平台的升降油缸、车轮转向油缸、车轮移动马达等液压回路 b 平 台面板 实现 纵 移 、横 移和 旋转 运动 所 需液 压 回路 图 2 液压系统原理 图 l 变 量柱塞泵 2 压 力表 3 板 式溢流阀 4 基板 5 一电磁换 向阀 6 一电磁换 向阀 7 叠加式节流阀 8 一 叠加式液控单向阀 9 升 降油缸 1 O 转向油缸 l l 一液压马达 l 2 一管式单 向阀 1 3 吸油滤清器 1 4 一油箱 1 5 - - 滤油装置 1 6 - --电机 l 7 一 油泵 l 8 一旋转油缸 l 9 一节流 阀 2 0 -- 电磁 阀 2 l 横 向移位油缸 2 2 一纵向移位油缸 2 卜 单向阀 2 4 _溢流 阀 6 4 机床与液压 第 3 9卷 2 ． 4控 制 系统 如 图 3所 示 ，控 用 MI T S UB I S HI F X I N 。 一⋯一⋯一一I 篁 ． 6 0 M R可编程逻辑控制 皇 笪三 里 坠 器 P L C进行控制 。P L C 图 3 控制系统 可编 程 控 制 器 和 集 控 操作装置 、状态监测装置组成逻辑控 制及状 态监测 系 统，完成整个平台系统工况操作和供电控制及故障监 测、显示、报警。 。 。 当要 使平 台 行 走 转 向 、纵 向 移 动 、横 向 移 动 、 平台面旋转时，运动到指定位移 时，P L C首先给定 位移 给定值 ，并 由测量 系统 读取 当前 平 台位 移 实测 值 。P L C把实 测 值 与 给 定 值 进 行 比 较 ，得 出 差 值 ， 并进行 运算 后送到 D ／ A电路形成 控制信 号 ，此 信号 输入到比例放大器并变换为脉宽调制信号 ，直接对 电磁换 向阀和流量控制 阀进行控制 ，从而控制液压 缸伸缩，推动平台移动和旋转相应位移。当位移达 到给定值时，差值信号为零 ，系统完成给定值的跟 踪控 制过 程 。 3结论 作者 以剪叉式 液压 升降平 台为基础 ，对 上工作 台 进行 了创 新 ，以液压 泵站 为 动力 源 ，基 于 P L C可 编 程控制器采用电液比例闭环控制系统对旋转平台的顺 时针和逆 时针 的往复旋转运动进行控制 ，分别设置横 移油缸 、纵移油缸 、旋转油缸及横 向导轨 、纵 向导轨 和旋转齿轮 、齿条运动机构 ，3只油缸分 别驱动平 台 台面 、横移 、纵移 、旋转运动 ，整个 运动 机构分别 由 液压泵站 、连接油管 、油缸 、滚柱轨道 、齿 条 、齿轮 等组成 ，从而实现浮动平 台台面横 向 、纵 向 5 0 m m 移动 ，微调 整 1 m m ／ 次 ，并 实 现 1 0 。 旋 转 ，动作 平 稳可靠 。实现横 向、纵 向移动是 由油缸直接推动 ，实 现旋转是利用油缸带动齿条 ，因齿条与齿轮盘 的啮合 从而使齿轮盘产生旋转 ，通过齿轮盘 的旋转带动浮动 平 台面 的旋转 。新功能 的实现首先解决 了轨道客车生 产 厂家对机 车车底装 配机件 、电气设备等零部件 的工 艺要求 ，同时该机构也适用于其他同类场合领域的使 用要求 工作效率高 ，劳动强度低 、适用性强 、安全 可靠 。 参考文献 【 1 】孙东明， 董为民， 李珊． 对称驱动的重载剪式升降平台的 设计[ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 0 6 6 2 3 2 4 ． 【 2 】 唐朝明． 剪叉式液压升降平台的设计[ J ] ． 机车车辆工 艺 ， 1 9 9 5 3 2 9 3 1 ． 【 3 】 雷天觉． 液压工程手册[ M] ． 北京 机械工业 出版社， 1 99 0． 【 4 】 成大先． 机械设计手册 [ M] ． 北京 化学工业出版社， 1 99 3． 【 5 】 徐小东． 液压与气动应用技术[ M] ． 北京 电子工业出版 社 ， 2 0 1 0 ． 【 6 】 齐蓉 ， 肖维荣． 可编程控制器技术 [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 上接第 6 0页 2 精度好。基于微机原理和双泵液压系统产 生 的标 准 压 力 ，设 定 压 力 分 别 为 1 0 、2 0 、3 O 、4 0 、 5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 、1 2 0 、1 4 0 k N ，测 量结 果 利用 A c c e s s 进行 自动记 录 ，产生 压力值 如表 1 所示 。 表 1 设定压 力点测 量结果 k N 设定值 测量值 设定值 测量值 1 0 1 0． 01 70 69 ． 99 2 0 2 0． 01 8 0 79 ． 98 3 0 2 9． 9 8 90 90 ． 01 4 0 4 0． 01 1 o 0 99． 98 5 0 5 9． 98 1 2 O 1 1 9． 9 9 6 0 6 0． 0 2 l 4 0 1 3 9 ．9 7 表 1数据 表 明 各设 定 压 力点 的 相对 误差 均 在 3 - 0 ． 2 ％之 内，达到 了压力校 准的精 度要 求。 5 结论 作者设计 了一种基于双泵液压系统 的标准压力发 生器 。利 用伺服 电机带 动双 泵产 生 压力 ，通 过 调 节 双泵 的速度 ，并 利用单 片 机控 制器 对标 准 压力 进 行 闭环反 馈 控 制 ，最 终 实 现 标 准 压 力 输 出。结 果 表 明 相对 误 差 均 在 3-0 ． 2 ％ 之 内 ，达 到 了压 力 校 准 的精度要 求 。 参考文献 【 1 】 孙延祚． 测量仪器仪表的重要性及我国的现状和发展对 策[ J ] ． 中国计量 ， 2 0 0 9 1 1 5 85 9 ． 【 2 】国家技术监督局计量司量值传递处． 中华人民共和国国 家计量检定规程汇编 压力 和真空 [ M] ． 北京 中国计量 出版社 ， 1 9 9 2 ． 【 3 】伍萍辉， 王迎旭， 周向红． 参数在线 自 校正模糊控制的标 准压力发生系统[ J ] ． 计量技术 ， 2 0 0 2 8 1 8 2 0 ． 【 4 】张虹， 刘燕 ， 陈宏磐， 等． 压力表检定的发展概况[ J ] ． 计 量技术 ， 1 9 9 9 8 2 6 2 8 ． 【 5 】何存兴． 液压传动与气压传动[ M] ． 武汉 华中科技大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 6 】L T A R M 2 1 0 X用户手册[ M] ． 2 0 0 9 ．