多自由度移动式液压升降平台的设计

多自由度移动式液压升降平台的设计

李曙生1，2，顾亚军2

【摘 要】摘要：为满足轨道车辆大惯量部件的高效精密装配要求，设计一种同时具有横向移动、纵向移动及旋转功能的多自由度移动式液压升降平台。该平台利用液压油缸和推力轴承实现多层工作台面的纵横向移动、旋转运动、升降运动，并能自行移动，具有多自由度运动特性，从而可以实现大惯量部件装配时的高效精密定位。

【期刊名称】机床与液压

【年(卷),期】2011(039)020

【总页数】4

【关键词】升降平台;高效精密装配;多自由度

随着世界上高速铁路客运专线、重载运输专线以及城际列车、地铁、轻轨等不断开发，轨道车辆生产进入了一个飞速发展的时代。装配是轨道车辆制造过程中的重要环节，装配工作的成本占总制造成本的30%～50%。为了适应不断提升的装配精度和装配效率，必须在轨道车辆高效精密装配大质量部件时采用轨道车辆精密装配专用液压旋转平台，方能在微移范围内将大质量部件装配至车体。

现有技术中，各类液压升降平台中的作业平台只能完成竖直方向的上下升降，无法完成水平面纵横向移动及在水平面内的旋转运动［1－2］，这在装配大惯量轨道车辆车底部件和电气设备等部件时非常不方便，并使液压升降平台的应用场合受到制约。为此，必须在原有常规液压升降平台的基础上增加相应的平面位移及旋转运动功能，以其多自由度的灵活性适应轨道车辆的高效精密装配需要。

轨道车辆精密装配用移动式液压升降平台首先解决了轨道客车生产厂家对机车车底装配机件、电气设备等大型零件部件的工艺要求，同时该机构也适用于其他同类场合领域的使用要求。该液压平台车本身是移动轮及移动和旋转结构互相搭配让轨道车辆在组装或维修时不再受限于轨道上移动，即使在平面地板上也可以轻易地移动及回转，进而提高生产及维修效率，可以方便快捷地实现前进、退后或旋转等，操作简单且方便，可让大惯量部件快速且精确定位。

1 平台主要技术指标

额定起重能力：10 000 kg;起升高度：2 000 mm;最低高度：900 mm;台面尺寸：4 000 mm×2 000 mm;整机身长：5 000 mm;整机身宽：2 000 mm;运行速度：3.6 km/h;浮动台面纵、横向调整范围：±50 mm;浮动台面旋转角度：±10°（定位角度误差小于0.25°）;工作电压：48 VDC;控制电压：24 VDC;蓄电瓶容量：500 Ah。

2 平台的组成及工作过程

2.1 系统结构［3－4］

轨道车辆高效精密装配用移动式液压升降平台是一个机、电、液一体的组合，主要由：剪叉式升降车体、浮动台面、转向及驱动装置、液压系统、电控系统等部分组成。常规平台受电源限制，行走距离和方向有限，另外平台台面固定不动。而轨道车辆精密装配用可旋转式液压升降平台以蓄电瓶供电，通过液压马达工作实现行走运动，平台上升、下降动作通过升降液压油缸实现。另外平台台面工作区还设置横移、纵移及旋转工作3个动作区域;横移动作区通过横移油缸工作直接推动平台台面实现横向移动±50 mm;纵移工作区由纵移油缸工作直接推动平台台面实现纵向移动±50 mm;旋转工作区利用油缸带动齿条旋转，因齿条与中心齿轮盘啮合从而使齿轮盘产生旋转，通过齿轮盘的旋转带动浮动平台面的±10°旋转动作。

如图1所示，改进结构的剪叉式液压升降平台，包括作业平台、升降机构、液压机构、电动控制机构、底盘，所述升降机构中的最下面臂架的两端下端机械连接底盘的两端，在底盘的中央部位设置液压机构，举升油缸的活塞杆连接在作业平台的底面以下部位。

作业平台由上、中、下3层组成，其中，中、下两层均为四周带有移动平板的框架结构，下层框架与X形剪叉臂上端通过上滚轮6连接，中、下两层的移动平板13、12间安装有推力轴承（图中未标示）及运动导轨27。横移油缸11缸体固定于下层框架上，横移油缸11的活塞与中层框架相连接。中层框架上固定安装有纵移油缸10。纵移油缸10与横移油缸11的安装方向相垂直。纵移油缸10的活塞与上层框架连接。同样，中、上两层的移动平板13、14间安装有推力轴承（图中未标示）及运动导轨。当纵移油缸10工作时，其活塞驱动中层框架产生横向水平运动;同样，中层框架与上层框架相邻层的最大横向允许位移处，固定有纵向限位挡块25。安装于下层与中层间的油缸，该油缸的缸体与下层和中层中的任意一层相连接，油缸的活塞与下层和中层中的另外一层相连接;安装于中层与上层间的另一油缸，该油缸的缸体与中层和上层中的任意一层相连接，油缸的活塞与中层和上层中的另外一层相连接;上述两油缸均以液压马达为动力源，两油缸的活塞呈垂直方向。

旋转油缸9的缸体固定安装于上层面板（图中未标示）的底面上，上层面板的底面中心处固定安装有齿轮轴23，齿轮轴23的外侧有通过齿轮轴底座24固定安装于中层框架的齿轮15，齿轮15可相对齿轮轴23作相对自由转动，旋转油缸9的活塞连接有齿条16，上述齿条16在齿条运动限位装置21的限位下始终与齿轮15相啮合。

2.2 工作原理

如图1所示，当安装于下层与中层间的油缸工作时，活塞驱动中层与下层产生一个方向（横向或纵向）的水平运动;当安装于上层与中层间的油缸工作时，活塞驱动上层与下层又产生另一个方向（纵向或横向）的水平运动，如此，作为工作面的最上层既可在常规的垂直方向升降又能相对于最下层实现前后及左右的水平运动。这极大地给很多装卸作业带来方便，拓宽了液压升降平台的应用场合，方便地实现了设计目标。其中，旋转大齿轮上端与工作台连接，中间与齿轮转轴配合;齿轮转轴固定在转轴底座上;横移平板由横移连接臂连接一起动作，纵移平板由纵移连接臂连接一起动作。液压升降平台工作时，主要有如下4种动作：

（1）行走及车轮转向动作。行走机构驱动采用两只液压马达驱动，液压马达直接安装在驱动轮上，对角安装，即在平台4只承载轮对角安装2只驱动马达，使4只承载轮2只为主动轮，2只为从动轮，从而驱动平台实现纵向行走及横向行走。采用双出杆液压油缸实现转向驱动，双出杆两端部连接两根驱动齿条，齿条通过限位机构带动旋转齿轮。旋转齿轮安装在旋转轴上端，旋转轴下端以便安装驱动马达及驱动轮，另一旋转轴下端安装从动轮。液压油缸来回往复直线运动，带动齿条直线运动，齿条带动齿轮作旋转运动，齿轮带动旋转轴作旋转运动，旋转轴带动行走轮实现±90°转向，从而使平台整体实现纵向运动、横向运动及±90°内任意方向的转向。

（2）举升动作。举升油缸工作，带动连接臂和内外臂向上运动，内外臂通过滚轮的滚动推动工作台向上运动。

（3）平移动作。横移油缸做横向移动时，带动横移平板、旋转大齿轮和上工作台一起移动;纵移油缸做纵向移动时，带动纵移平板、横移平板、旋转大齿轮和上工作台一起做纵向移动。

（4）旋转动作。旋转油缸推动齿条运动，齿条推动旋转大齿轮做旋转运动，并带动上工作台一起做旋转运动，平移部分不跟随旋转。当旋转油缸9工作时，旋转油缸通过活塞驱动齿条16运动，由于齿轮15固定不动，与旋转油缸缸体及齿轮轴23相固定地相对于齿轮15产生旋转运动。

2.3 液压系统

平台采用液压传动来实现平台的纵移、横移和升降，原理如图2所示［5］。如图2（a）所示，通过控制电磁阀和节流阀，实现油缸的移动调节，从而实现升降油缸和车轮转向油缸的有效控制;通过控制叠加式节流阀和电磁阀，可以有效控制车轮驱动马达，实现车轮的纵向行走及横向行走。如图2（b）所示，通过控制电磁阀和节流阀，实现横向移动、纵向移动和旋转油缸的移动调节，从而实现平台面板的多自由度运动。

2.4 控制系统

如图3所示，控制系统包括PLC可编程控制器、集控操作台、电气控制柜、电磁换向阀等。系统采用MITSUBISHI FXIN-60MR可编程逻辑控制器PLC进行控制。PLC可编程控制器和集控操作装置、状态监测装置组成逻辑控制及状态监测系统，完成整个平台系统工况操作和供电控制及故障监测、显示、报警［6］。

当要使平台行走转向、纵向移动、横向移动、平台面旋转时，运动到指定位移时，PLC首先给定位移给定值，并由测量系统读取当前平台位移实测值。PLC把实测值与给定值进行比较，得出差值，并进行运算后送到D/A电路形成控制信号，此信号输入到比例放大器并变换为脉宽调制信号，直接对电磁换向阀和流量控制阀进行控制，从而控制液压缸伸缩，推动平台移动和旋转相应位移。当位移达到给定值时，差值信号为零，系统完成给定值的跟踪控制过程。

3 结论

作者以剪叉式液压升降平台为基础，对上工作台进行了创新，以液压泵站为动力源，基于PLC可编程控制器采用电液比例闭环控制系统对旋转平台的顺时针和逆时针的往复旋转运动进行控制，分别设置横移油缸、纵移油缸、旋转油缸及横向导轨、纵向导轨和旋转齿轮、齿条运动机构，3只油缸分别驱动平台台面、横移、纵移、旋转运动，整个运动机构分别由液压泵站、连接油管、油缸、滚柱轨道、齿条、齿轮等组成，从而实现浮动平台台面横向、纵向±50 mm移动，微调整1 mm/次，并实现±10°旋转，动作平稳可靠。实现横向、纵向移动是由油缸直接推动，实现旋转是利用油缸带动齿条，因齿条与齿轮盘的啮合从而使齿轮盘产生旋转，通过齿轮盘的旋转带动浮动平台面的旋转。新功能的实现首先解决了轨道客车生产厂家对机车车底装配机件、电气设备等零部件的工艺要求，同时该机构也适用于其他同类场合领域的使用要求。工作效率高，劳动强度低、适用性强、安全可靠。

参考文献：

【1】孙东明，董为民，李珊．对称驱动的重载剪式升降平台的设计［J］．机械设计与制造，2006（6）：23－24．

【2】唐朝明．剪叉式液压升降平台的设计［J］．机车车辆工艺，1995（3）：29－31．

【3】雷天觉．液压工程手册［M］．北京：机械工业出版社，1990．

【4】成大先．机械设计手册［M］．北京：化学工业出版社，1993．

【5】徐小东．液压与气动应用技术［M］．北京：电子工业出版社，2010．

【6】齐蓉，肖维荣．可编程控制器技术［M］．北京：电子工业出版社，2009．

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/65d01e48bb0d6c85ec3a87c24028915f814d846a.html