平衡吊运动学与动力学仿真 作者：**** 师资：**** 1.1 平衡吊概述 平衡吊的主要结构是平行四边形连杆机构和螺母升降结构的放大形式。达到起重和放下重物的目的，平衡吊可以满足重物随时停留在要求的工作区域内。它比其他起重设备更优越。它比普通起重设备更灵活，因此更准确。与机械手等其他起重设备相比，其结构更合理，性能更优。它广泛用于重工业。在生产中，甚至用于机床厂的吊装作业，小型企业的装卸货物，如码头建设，和集装箱处理。非常适合作业区域狭窄、时间间隔短的作业。大大减少了人力的使用，有效地节省了人力资源。市场上的平衡吊主要分为机械式、气动式、液压式、机械式三种。顾名思义，就是通过使用外力，达到举升的目的。，并增加了电动装置，优化配置，有效提高生产效率。气动平衡吊主要是利用气压的控制原理来实现起重功能。我们称之为气动平衡吊。液压式主要根据液压系统而定，广泛应用于大多数重工业生产现场。现在主要使用的是气动平衡吊，主要是省力，自动进行。根据平衡臂的类型，平衡吊还可以分为通用型和专用型。他们每个人都有自己的特点。与大型起重机相比，它的缺点是作业范围小，占地面积有限。
平衡吊的种类及特点： 液压平衡吊的特点： 液压平衡吊有级式、单级式、无级变速三种。他们使用不同的油路来控制不同的工作位置；气动平衡吊特点：体积小，比普通平衡吊更灵活；电动平衡吊：又称机械平衡吊，具有在任意指定地点控制重物的特点，一般以恒定速度旋转；cad(2D)+(3D)整套图纸免费获取，需要平衡吊QQ.2结构。平衡吊的运动学和动力学仿真副构成，其中多个臂由平行四边形连杆机构构成。在外力的作用下，起到举起重物的作用。1.3 平衡吊存在的缺陷 以下是平衡吊目前还存在的一些缺陷。我们将它们与国外的起重设备进行了比较。我们需要在后期集中优化和处理它们。产品的质量和稳定性一直是人们普遍关注的焦点。国内的产品一直远远落后于国外的稳定系统，大大影响了使用寿命，而且生产的零件也比较少。我国平衡吊的吊钩部分只有吊钩。虽然可以佩戴手握机构，但配件的缺失是巨大的。这限制了生产的灵活性。平衡吊的安装方式、设计工艺、可靠性能、外观、细节与国外相比有较大差距，并且其系列不够完善，规格型号相对较少，在特定领域有很大的局限性。传动装置设计不理想。我国标准的电动平衡吊，起升速度恒定，大大降低了零部件的使用寿命，极大地影响了使用和安全。
气动、液动式有无级、无级变速以达到稳定，但其可控性很低。需要进一步研究它们的控制性能，使它们满足生产作业的需要。平衡吊下面的设计部分主要是机构的选型和计算，包括对整个装置的受力分析，得到相应的数据，并进行后续的建模和动力学、运动学仿真分析。在得到的数据上。2.1平衡吊的工作原理如图（a）（b）所示。施加在挂钩上的外力可带动物体使平行四边形连杆作水平左右往复运动，电动机带动丝杆螺母机构作上下往复运动。移动，然后通过平行四边形连杆机构传递运动，进而控制挂钩处的物体上下运动。此外，平行四边形连杆机构的上部还可以通过立柱进行360度旋转。整个平衡吊装置位于一个大的三维工作区内，工作效率高，操作方便。平衡吊的运动学和动力学仿真 平衡吊的设计理念是设计一个平衡机构，在不同的时间和地点保持平衡。平衡吊的平行四边形构件的长度必须满足一定的比例要求，才能完成平衡状态。而这个最基本的条件是：平行四边形杆的杆长之比相同，即：AD/AB=DF/DE=mm为平行四边形机构的比例系数。由上式可得平衡吊在工作区内任意位置均可实现平衡状态，忽略连杆自重、摩擦力、连杆轴承变形等客观因素。
在垂直导轨的节点处上下滑动，带动整个机构上下运动，固定垂直运动，在水平方向加上外力，带动吊钩运动。移动距离为x=X/m，外力消失。在 的条件下，电机带动丝杆机构上下移动距离 Y，吊点 F 移动距离 y，满足以下原理公式证明上述。下面的分析是在理想条件下进行的，忽略了所有的摩擦力。重力、连杆承受载荷后的变形等因素。图2.2 机构运动示意图 下面分析图2.3 中连杆机构的杆件受力情况。如图所示，力分析中杆ABD和DEF可以承受三个力，可以得到三个力杆，根据静力平衡原理，三个平衡吊的运动学和动力学模拟力的合力为零，三个力的作用线交于一点，而杆BC和EC则受两个力的作用，是双力杆。物体在DEF点被举起，力的方向是垂直向下。通过铰链 E 施加到 DEF 的 CE 杆的方向与 CE 的方向相同。G力和P力在K力的方向上相交并通过点D和K。已知重力G的大小和方向以及Q力的方向也是已知的，所以可以知道 Q 力的大小。图2.3 连杆机构受力图。同样，ABD 也受到三种力量的影响。根据作用力和反作用力原理，DEF对ABD的作用力Q'的方向与Q力的方向相反，它们在同一条直线上，如图2.3所示，ABD的作用力S穿过 BABD 的第二力杆 BC 沿 BC 的轴线，Q'力与 S 力相交于该点，第三力为固定铰链 A 对 ABD 杆的支撑力，满足下列力分析图。
Q'力的大小和方向已知，S力的方向已知，力的大小和方向可以通过画图得到。图 2.4 是 ABD 杆的受力分析图。平衡吊必须达到平衡状态的主要条件是受力必须只承受垂直方向的力。结合ABD杆和DEF杆的受力分析图进行研究。下面是综合负载。受力分析 图 4 平衡吊运动学与动力学仿真 图 2.5 平衡吊平行四边形连杆机构受力闭合图 根据以上受力分析可得，当连杆装置遇点F、作轴线FK与EC交于K点，连接K、D两点，BC杆与J轴线相交，可满足垂直向下的R力。该机构需要满足以下几何条件： 根据三角形相似比原理，可得到以下比例公式： AB/BJ=KE/EF，结合以上公式可得KE/DE=DB/JB ：AB/BD=DE/ EF 由上式可推导出：可得ACCF，又因AC和CF有公共点C，所以A、C、F三点共线，AC=(m-1) CF；2.2. 平衡吊车运动分析平衡吊车的运动由水平轴和垂直轴组成。下面分别分析设备在两个方向上的运动状态。2.2.1 对设备在横轴的状态计算进行运动分析。C点的轨迹如何变化。如图2.5所示，通过C点作一条水平线MN，A点在这条线上的投影分别为M、N两点。
平移C点，平移后成为C'点，F点平移到F'点，A、F'、C'也共线。F'点绕MN点水平移动前，有：，CE/AB =EF/BC=FC/CA=m—，FC/CA=FN/AM=F'C'/C'A=F'N' /AM=m-1, F'N'=(m-1) *AM平衡吊的运动学和动力学仿真可得： F'N'=FN 可以证明当点在水平方向移动时方向，C'点也在水平方向运动，AFF'AC'C，我们得到：FF'=m*CC' 因此，当F点在水平方向做匀速直线运动时，C点以m倍于C点的速度沿F点直线运动；2.2.2：对于装置纵向 轴向状态下计算点的运动轨迹，C点固定，A点移动到A'点的位置。从图中可以看出，F'、C、A'在同一条直线上，通过C点画一条水平线MN，可以得到FNMN, , CF／AC=EF／BC=m- 1 同理： ,CN／CM=CF／AC=m-1 分析点的位置变化，可推导出上式CNF'CMA'，即NF'MA'，F点一直在垂直移动方向，由公式CNF'CMA'可得FF'／AA'=m-1，即F点的垂直速度为A点速度的m-1 位移的m-1可见从以上计算可知：重新设计过程中m的取值直接影响平衡吊的结构，与平衡吊的造型密切相关。m的一般取值范围为5～10，但取值不宜过大或过小。如果太小，工作范围就会小。如果过大，各构件受力不均，就会出现倒伏现象。
平衡吊的吊钩上挂着重物，m的取值比较小，为6，因此它的结构比较紧凑，满足它的作业要求。2.3 平衡吊的设计过程 平衡吊设计的主要步骤是机构的选择、分析和选择合适的材料、计算，根据材料与机构的配合确定最终方案，检查是合适的。1、设计和整理连杆机构的基本布置计算铰链各部分的受力选择杆的材料选择横截面尺寸和杆的长度并检查计算确定杆的重量和质心位置 2. Wire 杆螺母的设计，螺母的受力分析和螺母设计的计算，螺母的校核，选择合适的外力 3.结合两个设计过程，对得到的数据进行建模 2.3.1 平行四边形的设计联动机制 下图是该机制运行的简化图。从图中可以清晰的得到作业的工作区域，吊钩处的最大和最小移动距离，可以准确的看到整个联动机构的运动状态，包括每根杆移动时的角度变化趋势上、下、左、右为后面的模型搭建提供了直观的运动系统，方便了建模时尺寸误差的计算。平衡吊的运动学和动力学仿真图2。6 运行框图根据查阅资料，一般IT平衡吊的工作区域为：s=1800，z=1500，吊钩在吊重物的情况下的起升速度为6米/秒，根据机械平衡原理，可知A、C、F三点共线，AF/AC=FF'/CC'=m=6；当点固定时，权重点F在水平方向移动，则C点也会沿水平方向移动，权重点F与C点的距离呈现m倍的关系，即水平移动的距离S=，理论上可以在水平导槽内移动300mm的距离；理论上，当向上或向下移动时，A点也会增加m-1倍，即垂直移动的距离z=，
设K=0，由以下经验公式H0=L0=1/2(s+r)+r+zm/(m-1) 令H0为最小杆长，L0为最小杆长，初取H0 = L0= 1650是bar H的最小值，实际尺寸H要大于H0，最后确定最终布局；忽略自身重力，分析每个铰链的受力，确定每个杆的截面尺寸；平衡吊运动学及动力学仿真图2.7平行四边形连杆机构示意图通过上图可测出四个极限位置时，α和β的角度值如下表所示： -755 4535 -30- 19 40-25 根据文献资料，载荷为1T时，各铰链计算公式：I-IV铰链，IV-III、V铰链计算公式：R=sinαmG /cos(α-β) 角度和公式保持一致 I—II 铰链计算公式：G(m-1)(sinα) +[cosα+msinαtan(α-β) 1I—铰链计算公式：R =(m—1)GV-Ill,IV铰链计算公式：R =N=mG 上式中α和β角正负值的判断是基于垂直和水平方向的划分以上，α和β的方向决定了它们的正负值。位置F1F2 F3 F4 F5 F6 F7 (Kg) (Kg) (Kg) (Kg) (Kg) (Kg) (Kg) -753 1300 6 5 4950 3040 -30-20 2500 4800 2336 37-25 6 6 分别计算截面弯矩，杠杆臂的临界点B和E，立柱弯矩计算公式为：ME=GLEF sinα，MB=(m-1)β，ML=LG为水平尺寸从挂钩的柱子，
2.4 平衡吊丝杆螺母机构的设计在整个设计过程中，我们进行了受力分析得出，主要包括旋转装置之间的摩擦力、轴向拉力、轴与杆之间的摩擦力, 和旋转力矩等。 2.4 .1 材料选择 螺母和螺杆分别选用45号钢，初步选用滑动速度较低的螺杆，V=4m/s。根据查阅的机械设计手册：螺杆副料的许用压力范围为7MP 10MP，我们选择合适的许用压力位置为9MP，查表，螺杆的许用压力δa=340MP，则许用压力螺杆的δP=85，MP，δP范围从65MP到115MP。相似地，
并进行装配，最终得到装配图： 图2.8 平衡吊三维模型 图3 平衡吊动力学与运动学仿真分析 以上，我们只得到了平衡吊的模型平衡吊，无法获得具体的动力和运动特性以及受力应变情况。下一步是使用ADAMS软件进行运动学和动力学仿真分析，检查是否满足要求。运动和力量的曲线特征。3.1 多体系统动力学简介 由许多部分通过各运动副的约束关系组成的系统简称为多体系统。它基本上分为两类，多刚体系统和多柔体系统。运动过程中部件的弹性变形如果对整个系统影响较大，需要各个部件的弹性变形与系统协调，属于多柔体动力学研究范围。对于多刚体系统，只要系统缓慢运动，附件 弹性变平衡吊车 11 的运动学和动力学仿真对整个系统的影响不大，系统的各个部分都可以看作是刚体。
多体动力学研究的主要目标是刚体的速度、位移、加速度和力。我们列出了自由物体的变分运动方程，利用拉格朗日乘子定理，我们可以推导出多体运动学方程。3.2 ADAMS软件 ADAMS的全过程是具有建模、可视化、求解等功能，广泛应用于各个领域。它的基本理论依据是通过求解拉格朗日方程得到的，然后进行建模。它可以用于多刚体和多柔体系统。求解动态方程主要有3种，分别是INDEX组合式求解法、SI1降阶积分法、SI2降阶积分法，ADAMS包含较多的模块，本文主要使用的模块是基础模块。我们主要是在导入模型后给材质添加材质属性，根据各部分的运动状态添加适当的约束平衡吊图片，施加一定的载荷，驱动等；然后设置合适的仿真时间和步长进行计算求解，得到仿真的速度、加速度、扭矩等曲线。对于平衡吊，其主要机构是平行变形连杆机构和丝杆螺母机构。连接件主要是轴，运动时速度比较低。从上面的结论来看，利用运动学可以看成是多体刚度系统，用ADAMS可以得到他的动力学和运动学仿真结果。根据各部分的运动状态加入适当的约束，施加一定的负载、驱动等；然后设置合适的仿真时间和步长进行计算求解，得到仿真的速度、加速度、扭矩等曲线。对于平衡吊，其主要机构是平行变形连杆机构和丝杆螺母机构。连接件主要是轴，运动时速度比较低。从上面的结论来看，利用运动学可以看成是多体刚度系统，用ADAMS可以得到他的动力学和运动学仿真结果。根据各部分的运动状态加入适当的约束，施加一定的负载、驱动等；然后设置合适的仿真时间和步长进行计算求解，得到仿真的速度、加速度、扭矩等曲线。对于平衡吊，其主要机构是平行变形连杆机构和丝杆螺母机构。连接件主要是轴，运动时速度比较低。从上面的结论来看，利用运动学可以看成是多体刚度系统，用ADAMS可以得到他的动力学和运动学仿真结果。获得扭矩和其他曲线。对于平衡吊，其主要机构是平行变形连杆机构和丝杆螺母机构。连接件主要是轴，运动时速度比较低。从上面的结论来看，利用运动学可以看成是多体刚度系统，用ADAMS可以得到他的动力学和运动学仿真结果。获得扭矩和其他曲线。对于平衡吊，其主要机构是平行变形连杆机构和丝杆螺母机构。连接件主要是轴，运动时速度比较低。从上面的结论来看，利用运动学可以看成是多体刚度系统，用ADAMS可以得到他的动力学和运动学仿真结果。
优化参数缩短了设计时间，降低了设计成本，提高了产品质量。首先导入仿真模型，将模型保存为(x_t)格式，打开ADAMS，找到保存的文件，从简化模型开始，去掉多余部分，最后分别在水平方向和垂直方向进行仿真，得到的图形进行分析。3.3 处理模型首先对模型进行简化，添加零件的材料属性，并根据模型的运动轨迹添加相应的约束。这主要涉及旋转关节、移动关节、固定关节，并在相应的运动关节之间添加摩擦系数，并根据需要在运动关节之间添加驱动力，并在模型加工完成后设置仿真步长和时间。3.4 仿真分析图3.1 在这个图中，我们添加相应的约束副，主要是移动副、旋转副、固定副等，然后设置相应的摩擦系数等；进行下一步的仿真分析。3.4.1 水平方向分析 平衡吊的运动学与动力学仿真 12 图3.2 去掉垂直方向的动副后，换上旋转副，分别得到水平轴及其吊钩的位移和速度曲线，图3.2，可以看出各部分位移与时间成正比，速度保持不变。图 3.3 平衡吊的运动学和动力学仿真 13 图 3.4 图 3.5 图 3.3 和图 3.4 主要是动力学分析，主要是旋转副和运动副之间摩擦力的变化，
3.4.2 垂直分析 图3.6 去掉水平方向的动副后，改为旋转副，分别得到垂直轴及其钩子的位移和速度曲线。如图 3.6 所示，各部分的位移与时间成正比，速度保持不变。平衡吊运动学与动力学仿真 14 图 3.7 图 3.8 平衡吊运动学与动力学仿真 15 图 3.9 从图 3.7、3.8、3.9 也可以看出随时间的变化趋势是不规则的，各部分之间的关??系压力不均。3.4.3 综合方向分析 图4.1 平衡吊运动学与动力学仿真 16 图4.2 图4.3 在综合方向上，可以看出运动学曲线在水平和垂直方向上都满足，各约束对之间的力变化不均匀，符合动态特性。我在完成毕业设计的过程中遇到了很多问题。在袁卫平老师和同学们的帮助下，我终于顺利完成了论文。在这个炎热的夏天，我即将大学毕业，所以这篇论文是我们在学校的最后一项任务。我还是很细心的。毕竟这也是我对大学四年的总结。最后，衷心感谢指导我的袁卫平老师，您对我们的帮助我们会永远铭记。同时，我也要感谢我的同学们。与你讨论的时刻真的很充实。参考文献 [1] 张昌明．3D打印机升降平台系统结构设计[J]．机械管理发展, 2008(4):19-21. [2] 赵君健．紧凑型快速自动变速器装置的动力学与控制[D]．南京理工大学平衡起重机运动学与动力学仿真 17 科学, 2008. 工业, 2014(33): 105-105. [4] 陶思伟．基于摩擦齿轮的体积显示系统研究[D]．浙江大学, 2014. 平衡吊的运动分析与平衡方法[J]. 太原重型机械学院学报，2000(4)：43-48．[6] 王博．复杂机械系统动力学建模及其在汽车中的应用研究[D]. 华中科技大学平衡吊图片，2005．[2] 赵君健．紧凑型快速自动变速器装置的动力学与控制[D]．南京理工大学平衡起重机运动学与动力学仿真 17 科学, 2008. 工业, 2014(33): 105-105. [4] 陶思伟．基于摩擦齿轮的体积显示系统研究[D]．浙江大学, 2014. 平衡吊的运动分析与平衡方法[J]. 太原重型机械学院学报，2000(4)：43-48．[6] 王博．复杂机械系统动力学建模及其在汽车中的应用研究[D]. 华中科技大学，2005．[2] 赵君健．紧凑型快速自动变速器装置的动力学与控制[D]．南京理工大学平衡起重机运动学与动力学仿真 17 科学, 2008. 工业, 2014(33): 105-105. [4] 陶思伟．基于摩擦齿轮的体积显示系统研究[D]．浙江大学, 2014. 平衡吊的运动分析与平衡方法[J]. 太原重型机械学院学报，2000(4)：43-48．[6] 王博．复杂机械系统动力学建模及其在汽车中的应用研究[D]. 华中科技大学，2005．2014（33）：105-105。[4] 陶思伟．基于摩擦齿轮的体积显示系统研究[D]．浙江大学, 2014. 平衡吊的运动分析与平衡方法[J]. 太原重型机械学院学报，2000(4)：43-48．[6] 王博．复杂机械系统动力学建模及其在汽车中的应用研究[D]. 华中科技大学，2005．2014（33）：105-105。[4] 陶思伟．基于摩擦齿轮的体积显示系统研究[D]．浙江大学, 2014. 平衡吊的运动分析与平衡方法[J]. 太原重型机械学院学报，2000(4)：43-48．[6] 王博．复杂机械系统动力学建模及其在汽车中的应用研究[D]. 华中科技大学，2005．
