基于TRIZ的零售柜自動貨門設計及運動學分析*

白金婷,潘存云,吳懋亮,孫玄鍇

(上海電力大學 能源與機械工程學院，上海 200090)

0 引 言

根據數據顯示，目前，每臺零售柜每天最大販賣量為1 000個，也就是表明取貨門每天會開閉將近2 000余次。高負荷的運作，會長期破壞取貨門機構的壽命，因此取貨門機構的設計及其強度計算極為重要[1-2]。

四桿機構是平面連桿機構中最簡單的機構，是研究多桿機構的基礎，廣泛應用于航空、包裝、醫學及汽車等多領域[3-4]。凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構件，采用凸輪連桿組合機構可有效規劃出貨門的運行路線，借助導槽代替凸輪達到輪廓曲線設計，實現預期運動軌跡的目的[5]。

本文基于TRIZ理論對貨門機構進行改善，運用復數矢量法和Solidworks Motion對該機構進行運動學分析。

1 基于TRIZ理論的取貨門設計

TRIZ是一種系統闡述發明創造和技術創新的新理論[6]。利用TRIZ創新理論，能夠系統地分析零售柜取貨門機構問題，準確地發現取貨門機構設計中需要解決的問題[7]。

1.1 功能、結構與材料分析

現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，極易被破壞。

現有貨門組件系統與矛盾分析如圖1所示。

圖1 組件系統與矛盾分析

圖1(b)所示為各組件矛盾分析，根據各組件之間相互作用的矛盾機理與主要功能的關系[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。孩童玩耍會破壞取貨門，且極易將雜物放入貨道，造成機器的損壞；工作人員需實時觀察阻止孩童破壞，浪費人力；

(3)中性功能。貨門的外觀設計。

通過分析，主要的矛盾在貨門本身，需要進行對貨門的傳動機構設計，實現貨門自動啟閉功能。

1.2 貨門機構設計要求

新型大容量零售柜如圖2所示。

圖2 智能大容量零售柜

該機構的設計要求如下：

取貨門能取送貨品的最大外形尺寸為：400 mm×300 mm×200 mm；內藏式垂直升降啟閉開關門；行程為：y<100 mm,z<400 mm；具有防夾手，自動保護功能；運動靈活，低噪聲；貨門單次啟閉時間t<2 s，驅動功率P<100 W；具有IP6級防水功能。

1.3 選用TRIZ發明原理

為提高貨門壽命，期望貨門實現自動啟閉功能。但在增強可靠性、機構適用性的同時，也會增加貨門機構裝置的不易操作性、運動機構的能量消耗和惡化運行速度。為解決這一問題，筆者采用TRIZ理論的矛盾沖突矩陣，改進現有門機構的結構。

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：為了某種功能的實現，對這一性能指標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種發明原理用于解決矛盾問題的基本方法[10]。對表1中的發明原理進行分析篩選，有價值的發明原則有：10預先作用原理、17空間維數變化原理、19周期性作用原理、28機械系統替代原理。

由機械系統替代原理，將貨門變為機械運動機構，便于操作；由維數改變原理，考慮將貨門機構的二維平面運動過渡到三維空間運動，采用貨門升降機構，從而使內藏式貨門上下移動方便取貨；由預先作用原理，考慮將補貨門四角設置導輪，使導輪沿導槽側板運動，可以實現補貨門按照預期的路線啟閉，防止補貨門卡槽發生故障；由周期性原理，考慮將啟閉貨門程序設置為周期性或脈動的，取貨時，執行開門程序，取貨完成，重力傳感器感應到貨物取出，執行關門程序。

1.4 方案設計

根據TRIZ矛盾分析和設計要求，為使貨門機構變成垂直升降內藏式結構，筆者利用平面連桿和導槽組合機構將貨門運行路線設計成預期的輪廓曲線。貨門機構主要零件為導槽側板、自動門、連桿、橫桿、滑塊、直線滑軌、導輪以及軸承座，其材料主要為Q235和鋁合金。當橫桿上移，自動門開啟；橫桿下移，自動門關閉。貨門連桿機構示意圖如圖3所示。

圖3 門連桿機構示意圖

2 運動機構原理設計

2.1 運動原理

步進電機驅動同步帶輪通過同步帶拖動橫桿，與橫桿連接的滑塊在滑軌上線性運動，同時，連桿帶動自動門，在導輪的作用下，沿著上下導槽滑動。連桿、導輪與導槽的共同作用保證自動門傳動平穩、運轉正常[11]。

2.2 數學描述

通過對自動取貨門機構分解出的平面連桿凸輪機構進行分析，確定機構的自由度和運動軌跡。

(1)自由度分析

由圖3所示的簡圖可知為平面四桿機構運動，由平面機構自由度計算公式：

F=3n-2PL-PH

(1)

式中：F—自由度；n—活動構件數；PL—低副數；PH—高副數。

通過式(1)計算出機構的自由度，以確定該機構是否有明確的相對運動[12]。該設計機構的活動構件有3個低副，2個高副；根據自由度公式計算，可得出該連桿導槽組合機構具有(F=3×3-2×3-1×2=1)1個自由度。因此，該機構自由度大于0，且與原動件數(滑塊1件)相等，具有明確的相對運動。

(2)軌跡分析

為防止自動門導輪在上下導槽運動過程中出現卡槽現象，故而筆者將導槽的第一段設計為兩條斜率不同的直線段，上導槽為與水平方向30°的斜線，下導槽為與水平方向45°的斜線。自動門將與豎直方向形成φ角，且φ角的值不會很大。連桿與豎直方向成θ角，自動門與豎直方向成φ角。門開過程中，θ角逐漸變小至恒定，φ角從0°先變大后變小至0°。機構運動位置分析如圖4所示。

圖4 機構運動位置分析

圖4(a)所示為機構運動分部簡圖，可觀察到門開過程的5種情況。

3 瞬態位置理論分析

由于導槽分別由兩條直線段和一條曲線段構成，且上下導槽的第一段直線段斜率不同，導輪的運動分析劃分為幾種不同情況。為簡化模型，機構可分為兩部分分析，并建立如圖4所示機構位置分析的直角坐標系。圖4(b)所示為機構位置分析，第一部分為直線滑塊、連桿與上導槽運動機構；第二部分為上下導槽與自動門運動機構。

利用復數矢量法作為該平面機構運動分析的方法[13]，設各構件的已知尺寸及圖1中原動件1的速度v，導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隨時間t變化情況。需對其位置、速度和加速度進行分析，將各構件表示為桿向量。

同樣用復數矢量法與已知關系亦可求得φ和P點關于t的位置關系。具體結果分析如下：

(2)

易知θ∈(24.624°,46.7°)。

(3)

③導輪在上導槽的豎直運動，此時xm=100，θ=7.985°。

(2)第二部分運動過程為5種情況，依次為：

①上下導輪都在導槽做直線運動，此時θ∈(24.624°,46.7°)，上導輪為式(2)，下導輪為：

(4)

下導槽直線方程yp=xp-470.5，可得：

②上導輪曲線運動，下導輪直線運動，此時θ∈(17.925°,24.624°)，上導輪坐標為式(3)，下導輪為：

(5)

下導槽直線方程為yp=xp-470.5,可得：

③上下導輪都在導槽做曲線運動，此時θ∈(7.985°,17.925°)，上導輪坐標為式(3)，下導輪坐標為：

(6)

④上導輪做豎直運動，下導輪曲線運動，此時θ=7.985°，xm=100，由下式可知：

(7)

⑤上下導輪都做豎直運動，此時θ=7.985°，φ=0，ym以速度v持續上升至最高點。

從上述分析可得出，φ最大值僅為3.672°，自動門在開啟過程中不會造成大幅度的傾斜和卡槽現象。自動門閉合過程與上述開啟過程正好相反，不再重復分析。自動門開啟與閉合為一個周期，在傳達取貨指令時，自動門將重復該運動。

4 基于Motion仿真分析

Solidworks Motion是一款虛擬原型機仿真軟件[14]。

4.1 仿真模型建立

裝配自動門機構零部件，并設置其相關機構的配合關系，激活Motion插件，定義原動件的線性馬達，以已知的速度曲線圖沿y軸正方向作指定規律運動。算例類型設置為基本運動，模擬時間為2 s，點擊開始按鈕，觀察裝配體運動關系。主動件輸入速度曲線如圖5所示。

圖5 主動件輸入速度曲線

4.2 求解運動參數

將算例類型設置為Motion，進行仿真計算，計算完成后，在結果中定義想要求解的參數，從而得到各角度、速度、加速度等相關關系。

θ、φ和從動件速度、加速度曲線如圖6所示。

圖6 θ、φ和從動件速度、加速度曲線

圖6(a)所示為θ與φ與t關系，可觀察到求解結果與理論分析大致相同，驗證了Motion分析的正確性。機構運動過程只需要1.13 s，滿足設計要求，保證了開啟自動門的短時間高效性。定義求解參數，可以求得從動件兩端點M、P的速度、加速度關于t的關系。

以上仿真結果是在該門連桿機構各個構件已知的情況下得出的，從該機構的運動仿真結果可分析出，從動件速度變化平穩，加速度曲線較為平滑；兩端M、P點的y方向速度、加速度幾乎一致，x方向的偏差是由導槽直線段的斜率不同導致，因此防止了卡槽現象。

自動取貨門機構運動學性能較好，與理論分析結果相吻合，說明了分析結果的正確性。

5 結束語

基于TRIZ理論，筆者完成了對取貨門的導槽連桿組合機構傳動設計；分析了其數學描述，避免了貨門運動過程發生卡槽現象；通過理論分析連桿運動過程中θ的變化，得到連桿角度φ變化；通過Motion仿真分析，驗證了設計計算結果的正確性。

該機構用在智能大容量零售柜自動取貨門上，具有運行時間短、不易被破壞、操作方便、運動平穩和噪音較小等優點。