油缸驅(qū)動同步伸縮臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1 引言

擦窗機(jī)可說是從起重機(jī)械發(fā)展而來的，部分擦窗機(jī)實(shí)際是門座式起重機(jī)的小型化 ,但它又結(jié)合了其他許多實(shí)際運(yùn)用中的機(jī)械設(shè)備。2000年以后，由于我國城市化建設(shè)的發(fā)展很快，越來越多的城市注意到通過美化建筑來增添城市的美感，于是高層和超高層建筑如雨后春筍般充斥了各大中小城市，這也使得社會對擦窗機(jī)的需求得到進(jìn)一步提升。但是在傳統(tǒng)擦窗機(jī)的設(shè)計過程中面臨耗時長，工作力度大，重復(fù)性高等諸多設(shè)計困難，并且分析擦窗機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，擦窗機(jī)的各總成之間還是存在一定的關(guān)系，這就為擦窗機(jī)參數(shù)化的設(shè)計提供了可能。

2 臂的長度計算

參考俯仰式同步伸縮擦窗機(jī)臂的設(shè)計方法以及擦窗機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中需要滿足的一些功能，我們通過研究共總結(jié)了五種結(jié)構(gòu)形式，這五種結(jié)構(gòu)形式即滿足了擦窗機(jī)所有的設(shè)計要求：1.臂最長且充分利用；2.臂最長，優(yōu)先緊湊；3.臂前端緊湊且最輕；4.臂前端緊湊且優(yōu)先緊湊；5.臂兩端緊湊。

深化雙聯(lián)在“家”中。為人大代表聯(lián)系群眾和群眾約見代表提供預(yù)約和場所服務(wù)，架起代表聯(lián)系群眾的“連心橋”；發(fā)揮“泰安市人大代表履職網(wǎng)絡(luò)平臺”作用，實(shí)現(xiàn)代表與人民群眾的在線互動交流，拓展聯(lián)系群眾的廣度和深度。

2.1 伸縮臂最長且充分利用的長度計算

該方案極限狀態(tài)中各級臂完全按照搭接系數(shù)進(jìn)行擺放，各級臂無富余量，不過伸縮臂前后兩端不能保證緊湊狀態(tài)即Bi≥Bi、Ai≥Ai。該計算公式是由裁剪方式進(jìn)行確定。裁剪方式分為兩種：1、當(dāng)在分段裁剪區(qū)間內(nèi)，根據(jù)Bi和Ai的情況確定哪些臂可以進(jìn)行裁剪而不影響行程S，為了保證最大裁剪量，我們可以確定各級臂裁剪的優(yōu)先級(Ln-1>Ln-2>...>L1>Lz)，每一次循環(huán)都對某節(jié)臂裁剪了1mm，直到最大值等于用戶要求的Lmax時停止循環(huán)；2、當(dāng)在同時裁剪區(qū)間內(nèi)，這時裁剪改變行程S，各級臂裁剪量由搭接系數(shù)決定，裁剪后各級臂無富余量，臂充分利用。如圖1所示

教學(xué)設(shè)計一將教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為把握文章表現(xiàn)人物的藝術(shù)手法和品味文章形象、生動、酣暢淋漓的語言，這是將《貝多芬百年祭》視為“例文”，強(qiáng)調(diào)文本學(xué)習(xí)是對一個個詞句以及整篇文字所體現(xiàn)的詞法、句法、章法等共同的法則和共通的樣式的學(xué)習(xí)。

2.2 伸縮臂最長且優(yōu)先緊湊的長度計算

扎西次仁，1980年10月生，男，藏族，西藏日喀則人，碩士，西藏藏醫(yī)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)椴卣Z言文學(xué)。

2.3 伸縮臂前端緊湊且最輕的長度計算

將之前推導(dǎo)的長度計算公式在VS2010平臺C#環(huán)境下用程序?qū)崿F(xiàn)，對強(qiáng)度計算的頁面進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)不同工況下危險截面的校核以及臂輕量化設(shè)計，使用戶操作步驟更少，軟件使用起來更加方便智能化。

2.4 伸縮臂前端緊湊且優(yōu)先緊湊的長度計算

該方案極限狀態(tài)中在縮回狀態(tài)時各級臂保證前端緊湊(Bi=Bimin)，然后各級臂同時往前伸，當(dāng)其中一級臂滿足搭接系數(shù)時停止運(yùn)動。這時只有某一級臂滿足搭接系數(shù)，其余的臂都有富余。該方案計算公式是由裁剪方式進(jìn)行確定。裁剪方式：1.分段裁剪區(qū)間內(nèi)，這時Bi=Bimin，Ai≥Aimin，這時候裁剪只對Ai進(jìn)行裁剪，直到裁剪到Aimin停止。(為了保證兩端緊湊，各級臂的搭接系數(shù)≥Kmin)。2.共同裁剪區(qū)間內(nèi)，該狀態(tài)Bi=Bimin，Ai=Aimin。為了保證裁剪后伸縮臂兩端一直處于緊湊狀態(tài)，共同裁剪時每一次循環(huán)所有的臂都減少相同距離，直到最大值滿足用戶的要求。

參考起重機(jī)多級臂同步伸縮設(shè)計原理，規(guī)劃油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)的伸縮臂方案設(shè)計，先使用CAD簡圖來畫出同步伸縮臂的伸縮原理圖，并將同步伸縮臂上的鏈條傳動或者鋼絲繩傳動統(tǒng)一放在臂的上端。如圖2所示。

2.5 伸縮臂兩端緊湊的長度計算

該方案在極限狀態(tài)中縮回狀態(tài)時各級臂保證伸縮臂前后兩端都處于緊湊狀態(tài)(Bi=Bimin，Ai=Aimin)，然后各級臂同時往前伸，當(dāng)其中一級臂滿足搭接系數(shù)時停止運(yùn)動。這時只有某一級臂滿足搭接系數(shù)，其余的臂都有富余。該方案計算公式是由裁剪方式進(jìn)行確定。共同裁剪：該狀態(tài)Bi=Bimin，Ai=Aimin。為了保證裁剪后伸縮臂兩端一直處于緊湊狀態(tài)，共同裁剪時每一次循環(huán)所有的臂都減少相同距離，直到最大值滿足用戶的要求。

3 油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)臂的設(shè)計

3.1 同步伸縮臂設(shè)計原理

通過查找文獻(xiàn)，參考起重機(jī)伸縮臂設(shè)計方法，為油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)的設(shè)計做知識儲備。根據(jù)相關(guān)資料來推測油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)設(shè)計原理，然后參考教研室直臂式電機(jī)驅(qū)動和油缸驅(qū)動俯仰式擦窗機(jī)來設(shè)計相關(guān)零部件。

3.2 多級同步伸縮臂方案設(shè)計

鏡頭里，從東到北長達(dá)二十公里的鉤型陣地上炮火連天，一片狼藉。鬼子的轟炸機(jī)、偵察機(jī)在天上來來回回耕著田，肆無忌憚地盤旋、俯沖、拉起，老鴰屙屎一樣，把航空彈屙得遍地都是。飛機(jī)過后，烏黑的硝煙一朵朵盛開在破碎的大地上。

參考起重機(jī)二級臂同步伸縮設(shè)計原理，設(shè)計油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)驅(qū)動部分和鏈傳動或者鋼絲繩傳動部分的零部件結(jié)構(gòu)，完成對應(yīng)三維圖和二維圖。參考起重機(jī)三級臂同步伸縮設(shè)計原理，設(shè)計油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)驅(qū)動部分和鏈傳動或者鋼絲繩傳動部分的零部件結(jié)構(gòu)，完成對應(yīng)三維圖和二維圖。參考起重機(jī)四級臂同步伸縮設(shè)計原理，設(shè)計油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)驅(qū)動部分和鏈傳動或者鋼絲繩傳動部分的零部件結(jié)構(gòu)，完成對應(yīng)三維圖和二維圖。

3.3 通用零部件裝配

目前，園區(qū)完成了智慧大交通規(guī)劃（2015—2030年），實(shí)現(xiàn)了交通大數(shù)據(jù)整合，這將更好地推進(jìn)園區(qū)與城市的空間融合，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)城融合方面更上一層臺階。

4 伸縮擦窗機(jī)臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)臂的設(shè)計方案結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算得到各級臂質(zhì)心位置及質(zhì)量；由用戶輸入的擦窗機(jī)工作載荷等參數(shù)，初選一級臂截面尺寸，并由套接方式確定其余各級臂截面尺寸，對伸縮臂上各危險截面進(jìn)行校核，得到危險截面處應(yīng)力值大小及富余率；對伸縮臂進(jìn)行輕量化設(shè)計，以滿足用戶期望的富余率。根據(jù)擦窗機(jī)伸縮臂設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，伸縮臂危險截面產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)遵循一定的設(shè)計規(guī)范，通過強(qiáng)度理論計算后，我們進(jìn)一步可以檢驗(yàn)擦窗機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸是否符合設(shè)計要求，以滿足設(shè)計的需要。

油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)臂上的驅(qū)動部分和傳動部分零部件已經(jīng)設(shè)計完成，接下將借鑒俯仰式同步伸縮擦窗機(jī)和直臂式擦窗機(jī)臂的結(jié)構(gòu)，將他們的通用零部件安裝在油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)臂上，完成對應(yīng)的裝配體。

4.1 確定臂的質(zhì)心位置和質(zhì)量

計算質(zhì)心處的質(zhì)量時將一節(jié)伸縮臂分為臂頭、中間方管及臂尾三部分，則質(zhì)心處的質(zhì)量可等效為臂頭質(zhì)量、臂尾質(zhì)量及方管質(zhì)量之和，通過三部分分別對立住回轉(zhuǎn)中心取矩之和與質(zhì)心處質(zhì)量對立柱回轉(zhuǎn)中心取矩相等可推出該級臂的質(zhì)心位置。

4.2 計算伸縮臂的危險截面在不同工況下的載荷

根據(jù)油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)臂的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與其工作所受載荷的形式可知，擦窗機(jī)處于全伸狀態(tài)時所受的載荷最大，其危險截面為伸縮臂搭接處截面，該處也是最易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置。危險截面處所受的載荷主要為： 懸掛總載荷(吊籃總載荷及吊鉤總載荷)、卷揚(yáng)機(jī)通過鋼絲繩作用于總懸掛載荷，對伸縮臂截面均產(chǎn)生了軸向力，該力為壓應(yīng)力；風(fēng)載荷、慣性載荷、吊籃總載荷、吊鉤總載荷、臂頭等相對于伸縮臂搭接處截面產(chǎn)生多個彎矩。針對不同的載荷工況，強(qiáng)度計算校核公式中的載荷系數(shù)也不同。其載荷工況分為以下四種：1)載荷工況1：正常工作(例如額定載重量下下，允許風(fēng)速)；2)載荷工況2a：偶然發(fā)生情況(例如靜載和動載試驗(yàn)，超載檢測裝置動作)3)載荷工況2b：偶然發(fā)生情況(例如暴風(fēng))4)載荷工況3：極限情況(例如后備裝置動作)。

在進(jìn)行葡萄促成栽培的過程中，需要根據(jù)棚內(nèi)情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓喔取Ｔ谶@個過程中應(yīng)用節(jié)水滴灌技術(shù)，不單可以解決干旱問題，同時還可以隨水施肥，更好的均勻灌水和施肥，從而為果農(nóng)節(jié)約時間和成本。在葡萄坐果之后，果農(nóng)還需要通過結(jié)合膨大肥進(jìn)行充分的灌溉，更好的保證幼果的生長和發(fā)育，采收前的15d左右也需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃盅a(bǔ)充，從而防止出現(xiàn)果實(shí)開裂的現(xiàn)象。

4.3 伸縮臂的危險截面強(qiáng)度校核

病房里三張床，有兩張是空的。只有牛皮糖一個人坐在床上，雙手抱膝，仰頭在看鑲在墻上壁柜里的電視。電視里播的是一檔美食節(jié)目，他看得流口水。

4.4 伸縮臂上的零部件選型

用戶根據(jù)各級臂的截面尺寸選取臂上的零部件，例如角鋼、浮動滾輪、減速機(jī)型號等。并選取各級臂材料及初始偏移量。

通過一級臂的截面尺寸與伸縮臂的套接方式初選各級伸縮臂截面尺寸。由用戶選取的一級臂方管材料得到許用應(yīng)力[σ]，將一級臂備選截面尺寸代入危險截面強(qiáng)度校核公式，得到各工況下滿足強(qiáng)度要求的最小截面尺寸，為保證一級臂在四種工況下的強(qiáng)度均滿足要求，則一級臂截面的設(shè)計結(jié)果為四種工況下最大的截面尺寸，最終用戶也可以自定義修改一級臂截面尺寸的設(shè)計結(jié)果；得到一級臂截面尺寸后，用戶選擇伸縮臂的套接方式即可確定下各級臂的截面尺寸。

該方案在極限狀態(tài)中各級臂完全按照搭接系數(shù)進(jìn)行擺放，各級臂無富余量，不過伸縮臂前后兩端不能保證緊湊即Bi≥Bi、Ai≥Ai。該方案計算公式是由裁剪方式進(jìn)行確定。裁剪方式分為兩個階段：1、分段裁剪，在極限狀態(tài)中Bi≥Bi、Ai≥Ai，在裁剪過程中不考慮搭接系數(shù)，把多余的Bi和Ai裁剪掉；2、共同裁剪，該狀態(tài)Bi=Bimin，Ai=Aimin，為了保證裁剪后伸縮臂兩端一直處于緊湊狀態(tài)，共同裁剪時每一次循環(huán)所有的臂都減少相同距離，直到最大值滿足用戶的要求停止。

4.5 伸縮臂危險截面強(qiáng)度校核

對各級臂危險截面進(jìn)行強(qiáng)度校核，得到四種工況下該截面的應(yīng)力值σ及富余率k( k=(σ-[σ])/[σ] )。

5 臂的參數(shù)化設(shè)計

通過查閱參數(shù)化設(shè)計相關(guān)文獻(xiàn)資料，確定VS2010平臺并使用C#環(huán)境對SolidWorks的進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)將C#中計算得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)傳遞到SolidWorks中，用尺寸驅(qū)動方法繪制出擦窗機(jī)工作臂的三維參數(shù)化圖形，如圖3所示。

5.1 長度計算編程

將之前推導(dǎo)的長度計算公式在VS2010平臺C#環(huán)境下用程序?qū)崿F(xiàn)，對長度計算的頁面進(jìn)行優(yōu)化，使用戶操作步驟更少，軟件使用起來更加方便智能化。

5.2 強(qiáng)度校核編程

該方案中在縮回狀態(tài)時各級臂保證前端緊湊(Bi=Bimin)，各級臂同時往前伸，當(dāng)其中一級臂滿足搭接系數(shù)時停止運(yùn)動，這時只有某一級臂滿足搭接系數(shù)，其余的臂都有富余，然后把富余量全部裁減掉，臂最輕。該方案計算公式是由裁剪方式進(jìn)行確定。裁剪方式：1.分段裁剪區(qū)間內(nèi)，Bi=Bimin，Ai≥Aimin，這時候裁剪只對Ai進(jìn)行裁剪，直到裁剪到Ai=Aimin停止。(為了保證兩端緊湊，各級臂的搭接系數(shù)≥Ki)。2.共同裁剪區(qū)間內(nèi)，該狀態(tài)Bi=Bimin，Ai=Aimin。為了保證裁剪后伸縮臂兩端一直處于緊湊狀態(tài)，共同裁剪時每一次循環(huán)所有的臂都減少相同距離，直到最大值滿足用戶的要求停止。

5.3 伸縮擦窗機(jī)臂零部件分類

對現(xiàn)有的擦窗機(jī)圖紙統(tǒng)計之后，我們可以把伸縮臂分為部件庫和零件庫，其中部件庫分類為：一級臂、中間臂、主臂和配重臂。零件庫分類為：通用零件、獨(dú)立伸縮零件和標(biāo)準(zhǔn)件。通過分類以后，我們就可以按照不同的形式進(jìn)行參數(shù)化。

5.4 通用零件尺寸分析處理

通用零件顧名思義就是油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)、俯仰式擦窗機(jī)和直臂式擦窗機(jī)共有的零件。統(tǒng)計出來通用零件后，對零件的功能和尺寸進(jìn)行分析，找出零件尺寸隨著工作臂截面尺寸變化的變化規(guī)律，如果這種規(guī)律可用方程式表示出來，此時就需要將三維建模是的方程式編輯到C#程序中進(jìn)行驅(qū)動；如果無法用方程式表示出來，此時就需要將工作臂不同截面尺寸下對應(yīng)的該零件尺寸進(jìn)行統(tǒng)計，這樣一來，就會出現(xiàn)很多零件結(jié)構(gòu)尺寸的數(shù)據(jù)，此時就需要使用數(shù)據(jù)庫，將這些數(shù)據(jù)存儲起來。

5.5 獨(dú)立伸縮零件尺寸分析處理

獨(dú)立伸縮零件就是指只存在直臂伸縮式擦窗機(jī)中的零件。這部分零件都是根據(jù)直臂伸縮式擦窗機(jī)的結(jié)構(gòu)確定的，我們同樣也需要對這部分零件的尺寸進(jìn)行分析，找出零件尺寸隨著工作臂截面尺寸變化的變化規(guī)律，如果這種規(guī)律可用方程式表示出來，此時就需要將三維建模是的方程式編輯到C#程序中進(jìn)行驅(qū)動；如果無法用方程式表示出來，此時就需要將工作臂不同截面尺寸下對應(yīng)的該零件尺寸進(jìn)行統(tǒng)計，這樣一來，就會出現(xiàn)很多零件結(jié)構(gòu)尺寸的數(shù)據(jù)，此時就需要使用數(shù)據(jù)庫，將這些數(shù)據(jù)存儲起來。

5.6 標(biāo)準(zhǔn)零件尺寸分析處理

標(biāo)準(zhǔn)零件是指標(biāo)準(zhǔn)件是指結(jié)構(gòu)、尺寸、畫法、標(biāo)記等各個方面已經(jīng)完全標(biāo)準(zhǔn)化，并由專業(yè)廠生產(chǎn)的常用的零(部)件，如螺紋件、鍵、銷、滾動軸承等等。我們需要統(tǒng)計出來擦窗機(jī)中所用到的標(biāo)準(zhǔn)件，制作標(biāo)準(zhǔn)零件庫放在一起。標(biāo)準(zhǔn)零件不需要參數(shù)化，在參數(shù)化繪制三維圖時，這些零部件只需要提前繪制好，即需要建立標(biāo)準(zhǔn)零件庫，在繪制裝配圖時，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件即可。

5.7 完成伸縮擦窗機(jī)零部件庫

部件庫分類為：一級臂、中間臂、主臂和配重臂。部件庫的參數(shù)化有兩種方法，第一種方法：每一種臂有幾種截面類型就做幾種部件模型，根據(jù)用戶的選擇調(diào)出指定的模型。第二種方法：對于每一種臂只需要做一種部件模型，根據(jù)用戶的選擇，參數(shù)化模型中相關(guān)的零件尺寸進(jìn)而得到我們想要的部件。第一種方法制作簡單但部件庫占用內(nèi)存較大；第二種方法完全需要編程操作，因此對編程量大但是可以節(jié)省一定的空間。綜合兩種方法分析，當(dāng)擦窗機(jī)機(jī)型較多時需要考慮內(nèi)存的影響，因此我們選擇第二種方法完成油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)部件庫的制作。

5.8 數(shù)據(jù)庫的建立

以 Solid Works 為開發(fā)對象，利用 C#開發(fā)語言，開發(fā)出油缸驅(qū)動同步伸縮擦窗機(jī)伸縮臂三維參數(shù)化計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，利用 Access 數(shù)據(jù)庫管理伸縮臂的設(shè)計參數(shù)和繪圖的尺寸參數(shù)，通過 VB.NET 對數(shù)據(jù)庫的引用，實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)連接和訪問，減少數(shù)據(jù)輸入的工作量，而且使得程序的編寫更簡單。基于C#對直臂伸縮式擦窗機(jī)參數(shù)化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是建立在數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，不同規(guī)格零件的尺寸數(shù)據(jù)都需要統(tǒng)計在數(shù)據(jù)庫中。編制好數(shù)據(jù)庫之后，通過C#編程軟件提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確的改變模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)零部件的參數(shù)化。

6 結(jié)語

在設(shè)計本類擦窗機(jī)產(chǎn)品時，用戶輸入滿足擦窗機(jī)作業(yè)尺寸的參數(shù)后，設(shè)計出滿足強(qiáng)度、剛度及性能要求的產(chǎn)品。同時能夠生成相應(yīng)的油缸驅(qū)動同步伸縮臂工作臂圖紙，這樣不僅可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，而且可以節(jié)約勞動力資源，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

[1]祝志峰、曹恩欽、李文波.我國擦窗機(jī)設(shè)計的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].城市建設(shè)理論研究，2012(20).

[2]隋文科，孫靖民，莊曉.擦窗機(jī)系統(tǒng)及設(shè)計概述[J].機(jī)械設(shè)計與研究.1998(4):57-59.

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