专利名称：三面过约束剪叉式升降机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及升降设备领域，尤其涉及一种三面过约束剪叉式升降机构。
背景技术：
升降台是一种垂直运送人或物的起重机械。除作为不同高度的货物输送外，升降 台广泛应用于高空的安装、维修等作业，它自由升降的特点目前已经广泛运用于市政维修， 码头、物流中心货物运输，建筑装潢等，具有重量轻、自行走、电启动、自支腿、操作简单、作 业面大等优点。按照使用的升降机构的不同，升降台可以分为剪叉式升降机、伸缩式升降机、套筒 式升降机、伸缩臂式升降机、折臂式升降机等几类；按移动的方法不同分为固定式升降机、 拖拉式升降机、自行式升降机、车载式升降机等。其中，由于使用剪叉式升降机构的升降台 具有可展比大、结构紧凑、承载量大、通过性强和操控性好的特点，因此在现代物流、航空装 卸、大型设备的制造与维护等场合中得到广泛应用。现在通用的剪叉式升降机构一般都是两组叉杆并行式，它具有以下的缺点。由于 两组叉杆并行的方式并非是对称的，当升降台升至高处受到侧面方向的力时很容易导致升 降台刚度不足而晃动，持续的振动增加了结构的不稳定性甚至发生倾倒，因此它的结构刚 度较差。另外，当升降机构中支撑平台的叉杆采用一端固定，一端滑动的方式时，在所承载 重物重心不变的情况下，升降台升降时容易导致机构受力变化较大，从而增加不稳定因素， 给顶端工作人员造成工作的不便以及心理压力，容易酿成危险事故。另一方面，若采用多组 非平行式叉杆组成升降机构，则由于在目前的机构自由度分析理论下，其机构自由度小于 1，因此无法综合出能投入实际应用的升降机构，限制了升降机构的创新和发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种强度高、刚度大、稳定性高的升降机构，即三面过约束剪 叉式升降机构。本发明的技术方案是所述三面过约束剪叉式升降机构包括剪叉式桁架，连接件， 上导轨，下导轨，底座，支承平台。所述剪叉式桁架是由多个剪叉式单元组成的可展机构；所 述三面过约束剪叉式升降机构包含三组剪叉式桁架，每组桁架所在的平面垂直于地面且两 两之间的夹角为60°，成正三角形布置；所述剪叉式桁架之间通过多个连接件连接，并在 剪叉式桁架与连接件之间设置转动副；所述下导轨与底座固定连接，并且与连接于剪叉式 桁架底部的三个连接件分别通过移动副连接；所述上导轨与支承平台固定连接，并且与连 接于剪叉式桁架顶部的三个连接件分别通过移动副连接。所述剪叉式桁架的每个剪叉式单元的一对连杆通过一个转动副连接起来，每对连 杆仅能绕垂直于该对连杆所在平面的轴线做相对转动，同时，每对连杆两端都通过与中间 转动副轴线相平行的转动副与相邻的剪叉式桁架的剪叉式单元相连接。所述下导轨为丝杠导轨，下导轨靠近中心的一端设置导轨锥齿轮；所述导轨锥齿轮与下导轨固定连接；所述下导轨中心设置电机和中心锥齿轮；所述电机和中心锥齿轮固 定连接；所述中心锥齿轮与导轨锥齿轮啮合；所述下导轨与连接于剪叉式桁架底部的三个 连接件分别通过螺旋副连接。当电机工作时，电机使中心锥齿轮转动，带动导轨锥齿轮和下 导轨一起转动。由于下导轨和连接件通过螺旋副连接，下导轨带动连接件靠近或远离中心， 使连接件之间的距离减小或增大，从而使剪叉式桁架展开或折叠，带动支承平台上升或下 降。本发明具有以下优点及突出性效果本发明由三组剪叉式桁架组成，三组桁架首 尾相连，组成正三角形结构，利用正三角形结构的稳定性及三面过约束，可提高支承平台各 个方向的刚度和稳定性；另外，该机构具有自动定心功能，三面剪叉杆始终相对中心对称， 当支承平台升高时，各剪叉杆受力变化一致，与一般的一端固定一端滑动的方式相比，提高 了机构的稳定性；与一般的平行式剪叉机构相比，本发明的支撑杆数目增多，且结构方式更 加稳定，在强度不变的情况下，可以降低自重，增加刚度，能够承受更大的载荷，从而提高升 降平台的最大作业高度。在目前常用的结构自由度理论分析中，可以计算得到本发明提供的三面过约束结 构其运动自由度小于1，因此在理论分析上该结构不能运动。但是由于本发明具有三面过约 束结构设计特性，若应用螺旋理论分析其运动自由度，可以分析得出它的顶端支承平台具 有竖直方向上的单自由度，亦即它能实现一般升降台的实用功能。因此本发明从理论上突 破了一般升降机构的理论限制，具有理论和应用创新性，属于源头创新。本发明能够应用于高空安装、维修、运输等作业，尤其适用于载荷量大、作业高度 大等一般升降设备难以满足要求的环境。
图1是本发明提供的三面过约束剪叉式升降机构的结构简图；图2是剪叉式桁架的可展结构基本原理图；图3是三面过约束剪叉式机构基本结构单元的运动学分析图；图4是运动副坐标位置关系的俯视图；图5是电机驱动机构的结构示意图；图中标号1-支承平台；2-上导轨；3-剪叉式桁架；4-连接件；5-电机；6_下导轨；7_底座； 8-中心锥齿轮；9-导轨锥齿轮。
具体实施例方式本发明提供了一种三面过约束剪叉式升降机构，下面结合附图对本发明的结构、 原理及具体实施方式
作进一步的说明。如图1和图2所示，该升降机构的结构包括支承平台1，上导轨2，剪叉式桁架3，连 接件4，下导轨6，底座7。所述剪叉式桁架3是由多个剪叉式单元组成的可展机构，每个剪 叉式单元的一对连杆都通过一个转动副连接起来，每对连杆仅能绕垂直于该对连杆所在平 面的轴线做相对转动，同时，连杆两端都通过与中间转动副轴线相平行的转动副与其他的 剪叉式单元相连接；所述三面过约束剪叉式升降机构包含三组剪叉式桁架3，每组桁架所
4在的平面垂直于地面且两两之间的夹角为60°，成正三角形布置；所述剪叉式桁架3之间 通过多个连接件4连接，剪叉式桁架3与连接件4之间通过转动副连接；所述下导轨5与底 座6固定连接，并且与连接于剪叉式桁架3底部的三个连接件4分别通过移动副连接；所述 上导轨2与支承平台1固定连接，并且与连接于剪叉式桁架3顶部的三个连接件4分别通 过移动副连接。在一般的结构自由度分析理论中，结构的自由度可以通过下式计算得到(参考申永胜.机械原理教程[M].北京清华大学出版社，2007.)f = 6n-6n6-5n5-4n4-3n3-2n2-n1(1)其中，f表示结构具有的运动自由度，η表示组成结构的构件数目，ni(i = 1， 2，. . .，6)表示结构中能约束i个空间自由度的运动副数目。如图3所示是该升降机构的基本结构单元图，并且桁架中的连杆之间没有通过转 动副连接。对于该结构单元，不难看出，它包括6个长杆、6个连接件和2个导轨共14个构 件；连接长杆和连接件的共12个转动副；连接导轨和连接件的共6个移动副。而这些转动 副和移动副均约束5个空间自由度，因此，依照(1)式计算，该结构的运动自由度为f = 6 X 14-5 X (12+6) = -6 < < 1(2)由此可见，在一般的结构自由度理论分析中，该机构的运动自由度小于1。这样，就 没有人敢用该升降机构。而事实上，该机构的自由度是1，不仅能实现升降台的全部功能，而 且还提高了水平面内的双向刚度。因此，本发明专利属于理论应用上的源头创新。接下来 应用螺旋分析理论分析该结构的过约束特性和运动学原理。在机构上建立直角坐标系，其中，三条导轨所在的平面为xoy平面，ζ轴垂直于地 面，三组桁架构成的正三角形的中心为坐标原点，以其中一条导轨所在直线为X轴，y轴方 向根据右手法则确定，如图3所示。底部的三个连接件分别通过移动副A、B、C与基座相连，每个连接件又分别通过两 个转动副与两个连杆相连。将与每个连接件相连的两个转动副分别以下标L和R标记，如 图3中AK、B^等所示。运动副i的坐标位置用(Xi Yi Zi)表示。考察上层连接件D、E、F的运动特性，首先考察D。可以看出，连接件D分别通过两 条并联的串联运动链BBJD1^P CC1^与基座相连。根据赵景山，冯之敬，褚福磊.机器人机 构自由度分析理论[M].北京科学出版社，2009.提出的机构自由度的分析理论，研究D 的运动可以转化为分析与其相连的两个串联运动链的终端约束问题，利用螺旋理论进行求解。运动链BBlDk的运动螺旋系为 其中，各个运动副的方向向量根据直角坐标系中各运动副的坐标位置及轴线方向 确定。$B = (0 0 0 1 0 0)τ 运动链BBJ)K的终端约束巧以由互易螺旋理论求出，即
同样，可以写出连接件D的另一运动链CC1^的运动螺旋系为
运动链ccy\的终端约束衫Cs0i同样可以由⑷式求得
束螺旋。
由(4)式可以求出巧4&为 其中$为运动螺旋系，E =
Slr为$的反螺旋系，亦即约
因此，连接件D所受到的约束螺旋系完全由和S^a决定，即连接件D受到的
约束可表示为 将所受到的约束代入(4)式，可以求得连接件D的一个非单位自由运动螺旋为 运动螺旋表达式(9)中的运动副坐标关系，可以通过如图4所示的坐标位置俯视 图得到。在初始状态下，A、B、C三个连接件成正三角形布置，连接件D、E、F分别在A，B，C 的正上方，如图3所示。因此，沿ζ轴负方向俯视机构，连接件B、C、D的坐标位置关系如图 4所示，其中，相邻连接件同一侧的运动副间的距离用I1表示，同一个连接件上两侧的运动 副间的距离用I2表示。由图4中坐标位置关系可以得到 另外，由图3知，％ = O且= Zdr = ζ.将上述等式及(10)式代入连接件D的自由运动螺旋表达式(9)中，可以得到 由此，我们可以得到连接件D的另一个运动螺旋表达式为 同理，连接件E和F的一个非单位自由运动螺旋可以通过类似的过程得到。其表 达式分别如下。由(4)式可以求出它的约束螺旋系为
(17)
同理，可求出另外两条运动链E-G和F-G的约束螺旋系分别为
-[T
支承平台受到的约束螺旋系由
(13)
(14) 若支承平台分别通过移动副与连接件D、E和F连接，则支承平台通过三条并联运 动链相对于基座运动。其中，连接D、G的移动副的运动螺旋向量为 $ =
(15)
/3/, 由式(12)及(15)可得，运动链D-G的运动螺旋系为
(16)
由此，由(4)式可以求得支承平台的自由运动为$G =
τ(21)这表明，在这种结构的约束下，支承平台能做单自由度定直线的竖直运动。这是因 为，结构中提供了过约束(亦即冗余约束)，使得结构的实际自由度比理论自由度要大。因 此，该结构具有运动特性，可以作为升降结构，能实现升降台的功能。当升降机构的层数增 加时，通过同样的分析可以得出，每一层的三个连接件始终在一个水平面上，支承平台在约 束下做单自由度的竖直升降运动。因此，这种机构极大地提高了升降台的结构刚度和稳定 性。并且可以发现，每一组桁架中同一层的两个连杆的中点的轨迹始终相同。因此，把每一 组桁架同一层的同个连杆中点通过转动副相连。这个运动副并不影响机构的运动特性，因 此为过约束连接，可以增加机构的强度和刚度。图5给出了一种使用该升降机构的升降台的驱动方式。使所述下导轨6为丝杠导 轨，下导轨6靠近中心的一端设置导轨锥齿轮9 ；所述导轨锥齿轮9与下导轨6固定连接； 在所述下导轨6中心设置电机5和中心锥齿轮8 ；所述电机5和中心锥齿轮8固定连接；所 述中心锥齿轮5与导轨锥齿轮9啮合；所述下导轨6与连接于剪叉式桁架3底部的三个连 接件4分别通过螺旋副连接。当电机5工作时，电机5使中心锥齿轮8转动，带动导轨锥齿 轮9和下导轨6 —起转动。由于下导轨6和连接件4通过螺旋副连接，下导轨6将带动连 接件4靠近(或远离)中心，使连接件4之间的距离减小(或增大)。由于剪叉式桁架3的 可展结构特性，此时剪叉式桁架3展开(或折叠)，带动上导轨2和支承平台1上升(或下 降)。本发明提供的三面过约束剪叉式升降机构，其最大提升高度可以通过改变剪叉式 桁架3中剪叉单元的数目而改变，根据用户需求而设计。由于该机构具有结构刚度大、运动 稳定性高的结构特性，与一般的升降机构相比，该机构能够承受更大的载荷，并且能够满足 更大的作业高度要求。
权利要求
一种三面过约束剪叉式升降机构，其结构包括支承平台(1)、上导轨(2)、剪叉式桁架(3)、连接件(4)、下导轨(6)、底座(7)，其特征在于，所述剪叉式桁架(3)是由多个剪叉式单元组成的可展机构；所述三面过约束剪叉式升降机构包含三组剪叉式桁架(3)，每组桁架所在的平面垂直于地面且两两之间的夹角为60°，成正三角形布置；所述剪叉式桁架(3)之间通过多个连接件(4)连接，并在剪叉式桁架(3)与连接件(4)之间设置转动副；所述下导轨(6)与底座(7)固定连接，并且与连接于剪叉式桁架(3)底部的三个连接件(4)分别通过移动副连接；所述上导轨(2)与支承平台(1)固定连接，并且与连接于剪叉式桁架(3)顶部的三个连接件(4)分别通过移动副连接。
2.根据权利要求1所述的三面过约束剪叉式升降机构，其特征在于，所述剪叉式桁架 (3)的每个剪叉式单元的一对连杆通过一个转动副连接起来，每对连杆仅能绕垂直于该对 连杆所在平面的轴线做相对转动，同时，每对连杆两端都通过与中间转动副轴线相平行的 转动副与相邻的剪叉式桁架的剪叉式单元相连接。
3.根据权利要求1所述的三面过约束剪叉式升降机构，其特征在于，所述下导轨(6)为 丝杠导轨，下导轨(6)靠近中心的一端设置导轨锥齿轮(9)；所述导轨锥齿轮(9)与下导轨 (6)固定连接；所述下导轨(6)中心位置设置电机(5)和中心锥齿轮⑶；所述电机(5)和 中心锥齿轮(8)固定连接；所述中心锥齿轮(8)与导轨锥齿轮(9)啮合；所述下导轨(6)与 连接于剪叉式桁架(3)底部的三个连接件(4)分别通过螺旋副连接。全文摘要
本发明涉及升降设备领域，尤其涉及一种三面过约束剪叉式升降机构。该机构包含三组剪叉式桁架，每组桁架所在的平面均垂直于地面且两两之间的夹角为60°，成正三角形布置；剪叉式桁架之间通过多个连接件连接，桁架与连接件之间通过转动副连接；下导轨与底座固定连接，并且与底部的三个连接件分别通过移动副连接；上导轨与支承平台固定连接，并且与顶部的三个连接件分别通过移动副连接；剪叉式桁架展开时使支承平台垂直升高。该机构强度高，结构刚度大，运动稳定性高，可以应用于高空安装、维修、运输等作业，能够承受更大的载荷和满足更大的作业高度要求。
文档编号B66F7/06GK101913544SQ20101026916
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者王建宜, 褚福磊, 赵景山 申请人:清华大学