基于UG的翻轉工作臺動力分析及工程應用

陳水勝，鮑曉斌，華中平，楊林杰

（湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢430068）

液壓翻轉臺是在液壓系統驅動下，適應不同規格物件安全、平穩、有效的翻轉要求，實現物件空間位置或工位的改變，滿足工藝條件及輸送要求，通常將物件由臥式轉換成立式或將立式轉換成臥式的作業目標.液壓驅動以其體積小、驅動力大而廣泛應用于帶自卸功能的車輛、浮橋、艙門以及自動化生產線加工機械零件中［1］.

以如圖1所示模型的液壓翻轉工作臺為例，該翻轉臺采用活塞式雙作用單桿液壓缸的活塞桿驅動，承載物（需翻轉物件）固定在翻轉工作臺上，可以進行豎直位置和水平位置的變換.

圖1 液壓翻轉工作臺的極限位置

在翻轉過程中，由于重力的作用，工作臺翻轉時的驅動轉矩并不是恒定的，特別是在翻轉對象（工作臺及承載物）的重心沿著翻轉方向越過轉軸支點的豎直位置時，會因重力失穩造成沖擊，不利于工作，嚴重時還會導致安全事故.因此，對于此類液壓翻轉臺，必須對液壓缸的驅動力進行分析和計算，并提出合理的控制方法.

1 運用UG進行動力學分析

1.1 翻轉工作臺的力學分析

動力學仿真之前首先用傳統的力學知識計算液壓缸的受力情況，翻轉臺的力學模型如圖2所示.

圖2 液壓翻轉臺力學模型

翻轉工作臺的結構參數是經過優化設計得到的結果，其中x1＝1 730mm，y1＝100mm，x2＝350 mm，y2＝850mm，L1＝1 670mm，L3＝70mm，L4＝980mm，L5＝770mm，G1為翻轉臺所受重力4 900N，G2為貨物所受重力9 800N，θ為翻轉臺與豎直方向的夾角（0≤θ≤90°），L2為液壓缸到旋轉點的距離（隨θ的變化而變化）.

液壓缸所提供的力F對O點的力矩必須要平衡掉承載物與翻轉臺的重力對O點的力矩，才能保證翻轉臺工作時不會失穩.根據這一點建立平衡方程，計算出的液壓驅動力

上式表示了液壓驅動力隨θ角變化的方程，由上式可以得出：

1）翻轉臺由豎直位置運轉到水平位置的過程中，液壓缸所要提供的最大推力Fpush大小為15 179.6N，Fpush最大時θ為0°；

2）翻轉臺由水平位置運轉到豎直位置的過程中，液壓缸所要提供的最大拉力Fpull的大小為33 718N，此時θ為90°.

翻轉臺對O點的重力矩和承載物對O點的重力矩平衡的時候θ滿足：

代入數據求解得：θ＝53.5°.

依據以上的計算結果，初步選擇液壓缸直徑為80mm，活塞缸的直徑為56mm.

工作臺在液壓缸推力下翻轉時，無桿腔最大壓力為

工作臺在液壓缸拉力下翻轉時，有桿腔最大壓力為

為避免工作臺翻轉時因重力失穩造成沖擊，可以采用液壓力平衡翻轉物重力的方法加以控制，通常在液壓缸的回油路上設置一個背壓閥，用單向順序閥來實現.在該類翻轉臺結構中，此順序閥的開啟壓力應使液壓缸的背壓力能克服工作臺翻轉時的最大重力矩.由于液壓缸背壓力的存在，必然會導致液壓系統工作壓力增加.

根據以上計算分析可知，在液壓缸推時，有桿腔的背壓力為p2；在液壓缸拉時，無桿腔的背壓力為p1.因此，考慮系統的壓力損失，系統壓力應為液壓缸推、拉時的最大值.

當工作臺在液壓缸推力下翻轉時，系統工作壓力p最大為

當工作臺在液壓缸拉力下翻轉時，系統工作壓力p最大為

因此，考慮系統的壓力損失，系統壓力應設計在p＞19.1MPa.

由計算結果可知，液壓系統總的工作壓力較高，并且在液壓缸推和拉時，壓力差別很大.如果將計算結果直接應用于工程實際，勢必增加系統制造、使用和維護成本.可以考慮翻轉工作臺由雙缸驅動，以減少每個缸的工作壓力、降低能耗及降低系統成本；同時，雙缸驅動也能夠增加翻轉工作臺的穩定性.

1.2 翻轉工作臺的動力學分析

UG是一款大型綜合的CAD／CAM軟件，不僅能夠輕松實現各種復雜實體及造型的建構，而且可以對任何二維或三維機構進行復雜的運動和力學分析與仿真，從而驗證運動機構設計的合理性，對機構進行優化［2］.

分析時，首先利用UG建立液壓翻轉臺各個部件的三維模型，采用雙缸驅動的配置，并將這些部件裝配起來，調整各部件的位置關系從而建立完整、真實的液壓翻轉臺模型.

然后，利用UG的運動和力學分析功能對該機構進行動力學分析：

1）對所有活動構件建立連桿，建立連桿時要設置每個構建的質量、質心、慣性矩等參數，這也是分析是否準確的關鍵步驟.

2）根據機構實際的運動規律，設置兩個連桿之間的運動副，包括旋轉副、滑動副等.

3）定義該機構的運動驅動，該構件是由液壓缸驅動的，選用STEP設置液壓缸的運動驅動函數.

4）設置解算方案的參數，時間為13s，步數為1 300步，重力加速度的大小和方向設置好以后就可以進行求解了.

最后，利用UG的圖表功能分析翻轉臺底板與豎直面夾角θ與液壓缸提供驅動力F的函數關系圖（圖3）.

圖3 液壓缸的驅動力F與翻轉臺翻轉角度θ關系圖

從圖中可以直觀看出雙缸驅動的每個缸的驅動力變化規律.

運用探測模式從圖中可以讀出幾個關鍵數據：液壓缸推力為610N，最大拉力為16 925N，當液壓缸提供力的大小為0時，!為54°.

由以上結果可以算出：

1）翻轉臺由豎直位置運轉到水平位置時，每個液壓缸無桿腔的最大壓力為1.51MPa，有桿腔最大背壓力為6.6MPa，系統壓力為4.9MPa；

2）翻轉臺由水平位置運轉到豎直位置時，每個液壓缸有桿腔的最大壓力為6.6MPa，無桿腔最大背壓力為1.51MPa，系統壓力為9.6MPa.

通過UG分析得到的結果與傳統力學計算結果基本一致，計算結果的準確性得到了驗證.雙缸配置比單缸配置的系統壓力減少了一半，穩定性也得到了提高.

2 控制方法的實現

在實際應用中，根據該液壓翻轉工作臺的工況條件，其翻轉動作采用“機—電—液一體化”技術，實現自動控制的工作要求.主要控制及實現方法如下：

1）在機械結構上，將兩臺液壓缸分別置于工作臺的兩側，以兩缸驅動方式降低系統壓力，并改善工作臺的受力狀態；同時，利用其與工作臺的剛性連接，實現兩缸動作的同步.

2）采用電磁換向閥控制液壓缸的動作，實現工作臺的翻轉功能.對工作臺的翻轉采用行程控制和機械定位，以提高其工作可靠性.

3）采用調壓回路調節系統工作壓力，以滿足不同翻轉負載轉矩的要求，提高工作臺的翻轉工作能力.

4）采用調速回路，調節工作臺翻轉運動速度，以滿足不同翻轉速度要求的翻轉對象要求，提高其工作穩定性.

5）設置平衡回路，以克服工作臺翻轉時的重力失穩現象，進一步提高系統的工作穩定性和可靠性，保證生產安全.在工作臺翻轉的重力失穩階段，利用行程控制，適時引入平衡機制，有利于進一步降低系統工作壓力，節省能源.

6）設置鎖緊回路，液壓鎖安裝在液壓缸附近，確保工作臺停止在工作位置時的位置準確性.

7）采用卸荷回路，當系統處于開機狀態、工作臺不需要實施翻轉動作時，液壓泵處于卸荷狀態，有利于節約能源.

對于此類液壓翻轉工作臺，采用上述“機—電—液”控制關鍵技術，有效地避免了翻轉時的重力失穩現象，工作過程平穩、安全可靠.其中，液壓驅動及控制是關鍵，所涉及液壓系統原理見圖4，主要包括換向、調壓、調速、平衡、鎖緊、同步、卸荷等功能回路［3］.

圖4 液壓原理圖

3 結束語

用UG的motion功能模塊對液壓翻轉臺進行動力學仿真，得到了實際工作狀態下液壓缸受力變化規律；并與傳統力學計算比較，結果準確.結合工程實際，提出了多缸液壓驅動及其控制方法，特別是采用了可控的背壓平衡回路，使翻轉臺的工作穩定性和可靠性更高，并有利于降低系統壓力，節約能源.

［1］ 曹玉寶.工件翻轉裝置液壓傳動系統設計［J］.機床與液壓，2011，39（4）：74－77.

［2］ 顧振兵，程 濤.外骨骼機器人液壓缸的設計［J］.機械與電子，2012，（7）：77－80.

［3］ 左建明.液壓與氣壓傳動［M］.南京：機械工程出版社，2010.