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毕业设计论文
钦州学院
本科毕业论文(设计)
基于平面两自由度闭链机构的门座式起重机创新设计
院系物理与电子工程学院
专业机械工程及自动化__
(港口机械工程方向)
学生班级2011级3班______
姓名黄成护____________
学号1105403305________
指导教师单位物理与电子工程学院
指导教师姓名潘宇晨____________
指导教师职称副教授___________
2015年4月
基于平面两自由度闭链机构的门座式起重机创新设计
机械工程及自动化专业2011级黄成护
指导老师潘宇晨
摘要
门座式起重机是随着港口事业的发展而发展起来的,它是港口装卸作业的主要设备。
现今世界上的各大小港口主要使用的是液压式平面两自由度门座式起重机,它具低成本建设费用、通用性强、承载量大等优点。
这些优点让门座式起重机在港口货物装卸、吊运、堆码等作业中发挥了重要的作用。
但是,传统的门座式起重机的起重执行机构多为平面单自由度机构,只能实现平面内单一的动作,导致其在作业时难以输出柔性化的工作轨迹,故还必须配合回转机构和行走装置才能完成工作任务。
现有的门座式起重机均为液压驱动式或齿条螺杆式,还存在零部件加工装配要求高、维护保养成本高、寿命不长、漏油等缺点。
到现在为止,国际上还没有较好的方法解决这些问题,因此设计一种新型闭链机构的门座式起重机或许可以为解决这些问题提供一些新的方向。
本文在分析集门座式起重机的结构和工作原理的基础上,根据它的不足,对其进行了创新设计,设计出一种平面两自由度闭链机构的门座式起重机。
新型门机由两个电机联合驱动,取代传统门机的液压传动,所有电机均安装在机架上,因此大大降低了各构件的重量,具有运动惯量小、轨迹输出灵活等优点。
本设计研究平面两自由度闭链机构的门座式起重机的主要内容:
1、全面查阅相关资料文献,了解现有门座式起重机执行机构运动的类型、特性、规律;2、在对其输出轨迹要求、速度要求和力要求等全面研究的基础上,获得末端执行机构动作要求和作业时的机构拓扑结构要求;3、运用功能分析法得到机构输出运动的规律和特性,以及机构的目标拓扑结构要求等,系统研究新型机构的构型,归纳各种可能构型,提出合适作为此类起重机执行机构的构型,对新型机构结构进行设计,写出设计说明书,完成论文;4、运用所学软件,画出所设计的新构型相关零部件图、整体装配图,模拟仿真;5、在所设计的新门座式起重机的基础上,学习撰写相关的专利申请文件与国家专利。
关键词:
港口机械;门座式起重机;闭链式;自由度;UG;建模;装配
Thebasicofnovativedesignofaplanar2-DOFclosedchaintypenovel
Portalcrane
Level2011MechanicalEngineeringandAutomationprofessionalChenghuHuang
SupervisorYuchenPan
Abstract
Portalcraneisdevelopedwiththedevelopmentoftheportbusiness,itisamajorportofloadingandunloadingequipment.Now,alotofbigandsmallmainportintheworldareusinghydraulicplannar2-DOFnovelportalcrane.Portalcranehaslotsofadvantages,suchashigh-effectiveabilityofworking,low-costconstructioncost,universal,bigloadandsoon.Theseadvantageshavetheportalcranewidelyusedattheport,butithasitsdisadvantages.Thetraditionalportalcraneworkingintheconditionoflong-termworkunderhighpressurewilloilleakwhichisworld-classproblem,also,thereisahydraulicsystemmaintenancecosthighermalpractice.Untilnow,theseisagoodwaytosavetheseproblems,therefore,todesignanewtypeofPortalcraneforhandlingcontainermayprovidesanewwaytosolvetheseproblems.
BasedontheanalysisofthePortalcranestructureandworkingprinciple,accordingtothedeficiencyofit,itsinnovativedesign,thedesignofaplanartowdegreesoffreedomclosedchaintypePortalcrane,machinehastowdegreesoffreedom.ThenewtypeofPortalcraneisdrivenbythreemotorsjoint,replacingthetransmissionofthetraditionalhydraulic.Allmotorsaremountedontheframe,thusgreatlyreducingtheweightofeachcomponent,withsmallmovementinertia,trajectoryoutputandflexiblebenefitsandsoon.Themaincontentsofthedesignstudyingattheplanar2-DOFclosedchaintypenovelPortalcranearefollowing:
1.Fullingaccesstorelevantliterature,haveaknowofthesport’stype,characteristicandregularofthePortalcrane’sactuator.
2.Basingonitsrequirementofoutput,therequirementofspeedandrequirementofforethesecomprehensivestudying,getthemotionrequirementoftheendofactuatorandtherequirementofworkingMechanismoftopologicalstructure.
3.Applyingthefunctionanalysismethodgettheoutputsport’sregulationandcharacteristicaswellashistopologystructureoftargetrequirement,workingatthenewtypeofmechanismsystemically,inducingallpossibleconfigurations,comingupwiththeconfigurationwhichfitforthetypeofPortalcrane’sactuator,andthendesignthenewmechanism’sstructure,writedesignspecificationsandfinishthepaper.
4.Applyingthesoftwarewelearn,drawthenewmechanism’srelatedpartsdrawing,thewholeassemblydrawingandSimulationofdesignation.
5.Basingonthenewmechanismwecomeupwith,studycomposingthepatentapplicationdocumentsanddeclarerelevantnationalpatent.
Keywords:
PortMachinery;Portalcrane;Closedchainlinkage;Freedom;UG;Modeling;Assembly
1前言
现代港口物流的快速发展,推动港口机械设备及技术的不断更新,港口机械装卸速度和效率已成为制约港口经济发展的主要因素之一。
门座式起重机的问世很好的解决了港口作业速度和效率低这个问题,然而传统的门座式起重机都是液压传动的。
液压系统虽然有着通用性强、承载量大等优点,但是,液压系统存在着在长期高压条件下工作会出现漏油现象这一世界性难题,还有着液压系统维护成本高等弊端。
到现在为止,国际上还没有较好的方法解决这些问题,这难以满足日益严格的高速重载作业要求。
因此,设计一种新型平面两自由度闭链机构门座式起重机或许可以为解决这些问题提供一些新的参考方向。
1.1国内外研究现状与发展趋势
世界上尚存的最古老的起重机,在1878年8月于英国建成,即费尔贝恩蒸汽起重机(Fairbairnsteamcrane),它也是现代门座式起重机的雏形。
这台起重机坐落在英国布里斯托尔,它具有12米高的香蕉型的吊臂,回转半径长达11米,重量达120吨,载重量达35吨[1]。
1988年修复后,保藏于布里斯托尔工业博物馆中。
图1.1菲尔贝恩蒸汽起重机
门座式起重机的发展历程,大致可以分为三个阶段,如下图表所示。
时间
技术应用状况
1890年
横跨在窄码头上方的运行式半门座首次应用了幅度不可变的固定式可旋转臂架技术[2],这是门机历史上的第一次伟大变革,其成为早期的港口半门座式起重机。
1890-1937年
随着发展,码头的宽度逐渐的加大,门座起重机和半门座式起重机并列发展,并且广泛的使用水平变幅机构和俯仰臂架系统[3]。
1938-现今
港口门座式起重机得到快速发展,广泛使用回转机构与立柱体相连的转柱式,形成下部回转机构系统,大大缩减转动部分尾径,并且采用门座结构,使得多台起重机可以方便的对同一条船并列工作。
随着计算机技术的发展,利用计算机和数字技术结合,实现了全数字化控制驱动,可编程控制故障诊断及数据管理。
国外门座式起重机专业生产厂家约15家左右。
比较著名的生产厂家都集中在欧美地区,比如德国的利勃海尔和特雷克斯一德马格、美国的马尼托瓦克和日本的神钢等[4]。
他们生产的产品型号比较完善,技术先进,在市场占有率上举足轻重。
欧美厂家生产的门座式起重机整体上代表了国际一流水平,是门机制造厂中的领头羊。
它不但满足了大载量的需求,而且其结构设计新颖、安全性能可靠、设备稳定性高是其它国家无法媲美的,特别是全球定位系统在大吨位产品上应用,能够进行实时监控,具有广泛的代表性。
我国重工业的的快速发展,使得起重机设备取得了显著的成就,拥有国家质检总局颁发门机制造许可证的厂家现已有1616家,它们都拥有很高的起重机械制造水平。
尤其是在小吨位的起重机设计领域,我国已经处于世界一流水平,但在大型起重机的研发方面,我国和国外仍旧存在一些的差距。
从技术方面来说,我国研发大型门座式起重机的时间较短,在设计的水平上急需改进;从经验方面来讲,国内门座式起重机在可靠性和稳定性技术水平欠缺[5]。
只要我们加快在这两个方面的研究和积累的步伐,在未来十年内就能够逐渐缩小与国外门座式起重机的技术差距。
现今国内外的门座式起重机正朝着降低产品的生产成本、大型化,高速化和专用化发展,高速的作业效率使经济效益不断提升。
产品的自动化、智能化和数字化程度的不断提高,使操作人员的工作更加简易,而且还在机械产品的设计开发中还采用仿真与虚拟设计技术。
1.2研究的目的和意义
门座式起重机是随着港口事业的发展而发展起来的,它是港口装卸作业的主要设备。
现今世界上的各大小港口主要使用的是液压式平面两自由度四连杆机构的门座式起重机,它具有建设成本低廉、通用性强、承载量大等优点。
这些优点使得门座式起重机在港口码头得到广泛的应用,但是它也有着它自身的缺点。
传统门座式起重机在长期高压条件下工作会出现漏油现象这一世界性难题,还有着液压系统维护成本高等弊端。
到现在为止,国际上还没有较好的方法解决这些问题,因此设计一种新型闭链机构的门座式起重机或许可以为解决这些问题提供一些新的参考方向。
与传统的液压式门座式起重机对比,平面两自由度闭链机构的门座式起重机是由电机驱动、连杆传动这一创新设计,具有运动动作更加轻巧灵活、效率高,维护保养成本较低、工艺加工制造与装配要求不高等优点,有希望能够较好的为解决液压门座式起重机漏油这一大难题提供全新的参考方向。
1.3研究内容
研究目标:
通过分析现有门座式起重机工作原理的基础上,通过改变原来的液压传动机构,设计为由闭链机构传动方式来完成作业任务,完成它的三维实体建模与仿真。
研究平面两自由度闭链机构的门座式起重机的主要内容:
1、全面查阅相关资料文献,了解现有门座式起重机执行机构运动的类型、特性、规律;
2、分析和研究现有门座式起重机,在保证能实现原有功能的基础上,提出平面两自由度闭链机构的新门座式起重机;
3、运用功能分析法,根据得出的执行机构输出运动的规律和特性,以及执行机构的空间拓扑结构变化等等,系统研究平面两自由度闭链机构的门坐式起重机的构型综合,归纳各种可能构型,提出合适作为此类起重机执行机构的构型,对新型机构结构进行设计,写出设计说明书,完成论文;
4、运用所学UG.CAD软件,画出所设计的新构型相关零部件图、整体装配图,模拟仿真;
5、在做出平面两自由度闭链机构的门座式起重机设计基础上,为新构型门机撰写专利申请文件并申报相关国家专利。
2平面两自由度闭链机构的门座式起重机设计与分析
2.1设计方案
平面两自由度闭链机构的门座式起重机设计方案如下:
平面两自由度闭链机构的门座式起重机,包括吊臂、吊臂俯仰机构和吊臂悬伸机构,配重机构,吊臂下端于机架中部铰连,上端与固定人字架铰连形成臂架系统;吊臂悬伸机构包括悬伸摇杆和悬伸连杆,悬伸摇杆铰连于机架前部[6],悬伸连杆铰连吊臂与悬伸摇杆;吊臂俯仰机构包括俯仰四连杆机构和俯仰传动杆,俯仰四连杆机构包括于机架中前部铰连的前俯仰摇杆、于机架后部铰连的后俯仰摇杆和俯仰连杆,俯仰传动杆铰连吊臂与俯仰连杆的一个铰连点。
配重机构包括配重装置、配重连接架、固定三角架。
固定三脚架置于机架上,于配重装置铰连,配重连接架前段于吊臂铰连后端于配重装置铰连。
本发明在吊臂俯仰机构和吊臂悬伸机构的联合驱动下,实现对集装箱的夹装、举升、搬运等作业,具有大动力输出、高强的可靠性、运动惯量小、轨迹输出灵活、精度高等优点。
平面两自由度闭链机构的门座式起重机的创新设计整机部件组成如图2.1所示,包括吊臂,吊臂俯仰机构,吊臂悬伸机构和配重机构。
图2.1平面两自由度闭链机构的门座式起重机结构示意图
平面两自由度闭链机构门座式起重机,包括基于机架(10)设置的吊臂
(1)、吊臂俯仰机构和吊臂悬伸机构,配重机构。
其特征在于:
所述吊臂
(1)下端于机架铰连,上端于固定人字
(2)架铰连形成臂架系统;所述吊臂悬伸机构设于吊臂
(1)两侧,包括于吊臂
(1)两侧对称设置的悬伸摇杆(9)和悬伸连杆(8),所述悬伸摇杆(9)的下端铰连于机架(10)前部,所述悬伸连杆(8)的上端铰连吊臂
(1),悬伸摇杆(9)的上端与悬伸连杆(8)的下端铰连;所述吊臂俯仰机构设于吊臂
(1)后方,包括于吊臂
(1)两侧对称设置的俯仰四连杆机构和俯仰传动杆(3),所述俯仰四连杆机构包括于机架(10)后部铰连的前俯仰摇杆(5)、后俯仰摇杆(11)和分别与前俯仰遥杆(5)、后俯仰摇杆(11)铰连的俯仰连杆(4),所述俯仰传动杆(3)的前端铰连固定人字架
(2),俯仰传动杆(3)、的后端与俯仰连杆(11)的一个铰连点形成复合铰链。
所述配重机构包括配重装置(6)、配重连接架(7)、固定三角架(12),所述固定三脚架(12)置于机架(10)上,于配重装置(6)铰连,所述配重连接架(7)前段于吊臂
(1)铰连,后端于配重装置(6)铰连。
所述悬伸摇杆共同的驱动机构为设于机架(10)上的悬伸伺服电机;所述前俯仰摇杆共同的驱动机构为设于车架(10)上的俯仰伺服电机。
2.2设计方案特点
平面两自由度闭链机构的门座式起重机,与现今正在使用中的门座式起重机有所不同,其区别在于所述吊臂上的俯仰机构和悬伸机构,所述吊臂于机架的前端铰连,所述吊臂悬伸机构设于吊臂两侧,包括于吊臂两侧对称设置的悬伸摇杆和悬伸连杆,所述悬伸摇杆的下端铰连于机架前部,所述悬伸连杆的上端铰连吊臂,悬伸摇杆的上端与悬伸连杆的下端铰连;所述吊臂俯仰机构设于吊臂后方,包括于吊臂两侧对称设置的俯仰四连杆机构和俯仰传动杆,所述俯仰四连杆机构包括于机架后部铰连的前、后俯仰摇杆和分别与前、后俯仰摇杆铰连的俯仰连杆,所述俯仰传动杆的前端铰连固定架,俯仰传动杆、的后端与俯仰连杆的一个铰连点形成复合铰链;所述悬伸摇杆共同的驱动机构为设于机架上的悬伸伺服电机;所述前俯仰摇杆共同的驱动机构为设于车架上的俯仰伺服电机。
在上述的结构中,所述吊臂悬伸机构和吊臂俯仰机构通过悬伸遥杆、俯仰遥杆的共同配合联动来实现货物或集装箱的吊运与装卸等。
2.3平面两自由度闭链机构的门座式起重机的工作方式
平面两自由度闭链机构门座式起重机采用伺服电机来取代传统的液压式动力的策略,即所述悬伸电机采用大功率伺服电机,所述俯仰电机采用大功率伺服电,吊索电机采用小功率伺服电机。
如下图所示,平面两自由度闭链机构的门座式起重机的吊臂处于伸展状态,准备把码头货船上的集装箱吊运上岸,此时悬伸遥杆和俯仰遥杆在伺服电机的驱动下联动转动合适的位置,使吊臂前伸,固定人字架张开。
图2.2工作伸展状态
如下图所示,门座式起重机的悬伸遥杆逆时针转动,通过悬伸连杆,使吊臂逆时针转动,俯仰遥杆顺时针转,使俯仰传动杆与固定人字架的角度减小,门座式起重机便会把货船上的集装箱吊运到码头上。
图2.3工作收缩状态
如下图所示,门座式起重机的悬伸遥杆顺时针转动,通过悬伸连杆,使吊臂顺时针转动,俯仰遥杆逆时针转[7],使俯仰传动杆与固定人字架的角度增大,门座式起重机伸张,再次把吊钩放到货船上,回到初始工作状态。
图2.4工作初始状态
2.4自由度计算
对于平面机构,自由度计算公式为:
F=3n—2Pl—Ph
其中:
n为可运动构件的数目;Pl为低副的数目;Ph为高副的数目[8]。
对于本新型门座式起重机机构,如图1所示可运动杆件的数目n=8,低副数目pl=11,高副Ph=0,所以得:
F=3×8—2×11—0=2
3平面两自由度闭链机构的门座式起重机实体模型的建模
3.1三维建模
如图3.1所示为悬伸摇杆的三维建模设计过程,首先是绘制草图,绘制完草图以后,单击UG左上角的完成草图。
图3.1杆件的草图绘制
悬伸遥杆的草图建立完成后,,进入拉伸建模阶段。
在草图的拉伸之前要确认拉伸的矢量。
选择ZC轴作为矢量做拉伸方向,设置杆件的拉伸参数,预览零件,观察拉伸是否与预想中的一致。
之后,单击确定就完成零件建模。
其余杆件也可用此方法绘制,如图3.2所示悬伸摇杆三维特征效果。
图3.2杆件的草图拉伸
杆件的三维建模完成之后,然后开始对起重机的吊臂臂进行建模,首先在草图环境
中完成草图的基本绘制,单击完成草图之后,使用UG的拉伸功能对草图进行拉伸,如图3.3所示。
图3.3吊臂的拉伸参数设置
完成吊臂的大体轮廓建模之后,于是便可以进行细节绘制,建立基准平面然后进入草图环境进行草图绘制,单击完成草图,然后使用拉伸功能拉伸草图,如图3.4,设置好拉伸参数后单击确定。
图3.4细节特征拉伸
在拉伸建模完成之后,再次使用拉伸命令,选择之前的草图,设置好拉伸参数,布尔逻辑运算选择求差,如图3.5。
图3.5布尔求差
平面两自由度闭链机构的门座式起重机的吊臂三维建模完成后,接下来开始固定人字架的建模,绘制人字架的底盘草图,并且设置好参数进行拉伸命令完成拉伸。
完成固定人字架的底盘后,然后以底盘宽长度的中心为基准点建立基准平面,然后以基准平面为绘制平面进行上端人字架的草图绘制,之后将绘制好的草图进行拉伸命令,设置拉伸参数,然后点击确定,如图3.6所示。
图3.6人字架的建模
上端的人字架完成后,再进行人字架加强筋的绘制建模,选择固定人字架的一点,建立基准平面,以基准平面绘制草图,拉伸建模。
完成人字架加强筋的三维建模后,接下来便进行连杆铰连处的细节处理,滑轮铰连处的处理和通口的细节处理,建模方法与上原理大致相同,最后平面两自由度闭链式的门座式起重机固定人字架的三维建模效果如下图所示。
图3.7三维固定人字架三维模型
对于平面两自由度闭链机构的门座式起重机的配重机构的三维建模,首先进行配重连接架的建模,在草图环境下绘制草图。
单击完成草图,然后使用拉伸命令,然后确定拉伸矢量,选择ZC-YC方向作为拉伸的正方向,设置好拉伸参数,单击确定,于是得到配重连接架的雏形。
在完成前一部分的建模后,接下来对其进行细节特征的建模。
单击任务环境中的草图,选择配重连接架的一面作为草图平面,绘制如下草图,并且对草图进行拉伸命令,设置好各个拉伸参数,单击确定。
完成配重三脚架的后端铰连接头的建模后,再进行前端铰连接头的绘制与建模,方法与后部铰连接头大致一样,成形后的前端三脚架如图3.9所示。
图3.9配重连接架三维模型
配重机构的后部配重装置的建模,先进入草图环境绘制基本草图,草图绘制结束后,用拉伸命令,选择绘制好的草图,设置好拉伸参数,然后点确定。
完成拉伸后,进行配重装置的细节特征建摸,选择配重装置的上平面为绘制平面进入草图环境,绘制草图,单击完成草图,然后使用拉伸命令进行细节特征的处理,布尔逻辑选择求差,单击确定完成配重装置的建模,如3.10所示。
图3.10配重装置成形
对于复杂的部件,可以由数次建立拉伸命令完成特征的建模。
选择不相同的基准平面作为绘制平面,结合草绘,多次操作,建立各种不同的特征。
如本设计中机架三维模型的设计,首先绘制草图,草图绘制结束后,利用拉伸命令,矢量方向选择ZC-YC为拉伸方向,计算好拉伸参数,单击确定,如图3-11。
图3.11机架的拉伸建模
完成机架的整体建模后,进入草图环境对机架的细节特征进行绘制及拉伸。
完成吊臂铰连接头的细节处理后,然后对接头处进行打孔,用键梢铰连吊
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