CN106081932B - 一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机 - Google Patents

Abstract

一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、叉斗控制机构等。多单元连杆驱动机构在计算机控制下，实现了多台小功率电机驱动，大功率、高扭矩的动力输出，满足了滑移式叉木机高负载作业动力要求。基于帕斯卡原理，将液压缸作为连杆应用到叉木机构型设计中，有效改善以往设计中抬升动臂的两驱动链受力不均衡的问题，提高了承载稳定性。该滑移式叉木机不仅具有可控机构传动效率高、响应速度快、运动精度高、可控性好、节能环保等特点，而且多单元连杆驱动机构和液压元件的引入使该滑移式叉木机具有更好的承载和抗振性能，并易实现过载保护功能，具有较强的工程应用前景和发展潜力。

Description

一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机

技术领域

本发明涉及滑移式叉木机领域，特别是一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机。

背景技术

滑移式叉木机是一种广泛应用于林业、农业、建筑等相关领域，进行木料、甘蔗、柱状建材等搬运、装卸作业的关键设备，因结构紧凑、作业灵活，在农、林业生产及建筑施工中起到了重要的作用，传统液压式滑移叉木机是在传统液压式装载机基础上设计开发的，存在着能耗高、噪音大、尾气排放严重、智能化水平低等缺点。可控机构是传统机构与电子技术结合的产物，近年来开展的“数控一代”装备创新工程，给传统生产机械技术升级带来了机遇，针对液压式滑移叉木机的缺点，将可控机构及机器人相关技术应用到传统装卸机械工作装置的设计中，提出了一类可控机构式装卸机械，包括可控机构式甘蔗装载机、可控机构式装车机等，此类可控机构式装卸机械避免了液压系统的使用，它由多自由度连杆机构和多个可控电机组成，其输出运动由多台计算机编程控制的可控电机共同决定，叉斗的输出轨迹是一个多自变量的函数，可以轻易实现复杂柔性轨迹输出，相比液压式滑移叉木机，可控机构式装卸机械具有智能化程度高、灵活度好、高传动效率等优点，对于推动滑移式叉木机绿色化、智能化具有重要的意义。

但是，在多自由度可控机构式甘蔗装载机、甘蔗装车机等可控机构式装卸机械进行工程应用研究的过程中，发现了一系列未曾涉及的工程问题。首先，现有可控机构式装卸机械动臂升降支链均由主动杆进行动力输入，主动杆则由可控电传动系统驱动，受制于可控电机成本高、输出功率小、扭矩低等问题，造成现有可控机构式装卸机械动力性能差、负载能力弱等问题，难以满足以高负载装卸作业为主的滑移式叉木机动力需求，这也是现有可控机构式装卸机械设计仍停留在构型设计阶段的主要原因；其次，可控机构式装卸机械工作装置均为平面并联机构，动臂升降支链采用主动杆—连杆—动臂的构型设计形式，两升降支链同时抬升动臂时，由于制造、加工、装配等误差，特别是在工作装置承受偏载的情形下，造成动臂并联的两升降支链受力不均，影响了举升稳定性，很容易造成部分构件的过载损毁，影响可控机构式木材搬运机械的使用寿命；另外，现有可控机构式装卸机械各构件一般采用转动副的连接形式，相比含移动副的液压式滑移叉木机的工作装置，缺少有效的过载保护及吸振手段。上述原因严重影响和制约了可控机构式滑移叉木机的研发和工程应用。

发明内容

本发明的目的在于已有技术存在的问题，提供一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机，该种滑移式叉木机利用可控机构技术并采用全新构型设计，使其既具有现有可控机构式装卸机械智能化程度高、灵活度好、传动效率高等优点，同时解决可控机构式装卸机械动力性能差、负载能力弱、动臂升降机构稳定性差、缺乏有效的过载保护及吸振手段等工程问题，有效克服传统液压式滑移叉木机存在的机械效率低、噪音污染严重、智能化水平低等问题，使该滑移式叉木机具有较好的动力学性能及承载稳定性，同时具有较强的抗振能力和过载保护性能。

本发明通过以下技术方案来达到上述目的：一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、叉斗控制机构以及机架。

所述多单元连杆驱动机构包括第一驱动支链、第二驱动支链、曲轴，所述第一驱动支链包括第一主动杆、第一连杆，所述第一主动杆一端通过第一转动副与机架连接，另一端通过第二转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过第三十一转动副与曲轴连接，所述第二驱动支链包括第二主动杆、第二连杆，所述第二主动杆一端通过第三转动副与机架连接，另一端通过第四转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过第三十二转动副与曲轴连接，所述曲轴通过第五转动副、第六转动副与机架连接。

所述多单元连杆驱动机构所含主动杆均由可控电机通过电传动系统进行驱动控制，所述多单元连杆驱动机构在计算机系统的控制下，可以将多个动力单元的动力合成后通过曲轴输出，从而使该多单元连杆驱动机构实现了由多台小功率可控电机输入，大功率、高扭矩动力输出的目的，解决了传统可控装载机构伺服电机功率输出小、驱动扭矩低等问题。另外，根据滑移式叉木机的动力要求，可以方便选用四单元、六单元等多种动力单元形式，提高了该多单元连杆驱动机构动力适应性。

所述动臂升降机构包括第一升降支链、第二升降支链、动臂。所述第一升降支链包括第三连杆、第一液压缸。所述第三连杆一端通过键或其他方式与曲轴固定连接，另一端通过第七转动副与第一液压缸一端连接，所述第一液压缸另一端通过第八转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第四连杆、第二液压缸。第四连杆一端通过键或其他方式与曲轴固定连接，另一端通过第九转动副与第二液压缸一端连接，所述第二液压缸另一端通过第十转动副与动臂连接，所述动臂通过第十一转动副，第十二转动副与机架连接。

在滑移式叉木机作业过程中，由于动臂升降机构为平面并联机构，将第一液压缸与第二液压缸通过液压管线连接，进而实现并联，根据帕斯卡原理，两缸体内液体压力相同，可以有效改善动臂升降机构两升降支链受力不均的问题，提高动臂举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命。通过液压元件的引入可以有效提高动臂升降机构的抗振能力，另外，通过在动臂升降机构所含液压缸的缸体上引入泄压阀等附属装置，可以轻易实现动臂升降机构的过载保护功能。

所述叉斗控制机构包括拉第一摇臂、第一直线驱动器、第一拉杆、第二直线驱动器、第三直线驱动器、第二拉杆、第四直线驱动器、第二摇臂、上叉、下叉，所述第一摇臂通过第十三转动副与动臂连接，所述第一拉杆一端通过第十四转动副与第一摇臂连接，另一端通过第十五转动副与下叉连接，所述第二摇臂通过第十六转动副与动臂连接，所述第二拉杆一端通过第十七转动副与第二摇臂连接，另一端通过第十八转动副与下叉连接，所述第一直线驱动器一端通过第十九转动副与动臂连接，另一端通过第二十转动副与第一摇臂连接，所述第四直线驱动器一端通过第二十一转动副与动臂连接，另一端通过第二十二条转动副与第二摇臂连接。所述下叉通过第二十三转动副、第二十四转动副与动臂连接，所述上叉通过第二十五转动副、第二十六转动副与下叉连接，所述第二直线驱动器一端通过第二十七转动副与下叉连接、另一端通过第二十八转动副与上叉连接，所述第三直线驱动器一端通过第二十九转动副与下叉连接、另一端通过第三十转动副与上叉连接。

所述叉斗控制机构由第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器、第四直线驱动器进行驱动控制，实现叉斗对甘蔗、木材等抓取作业。所述叉斗控制机构包含的各直线驱动器为伺服电动缸。

所述一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机在各电传动系统的编程控制下，完成装载作业。该多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机既具有现有可控装载机构智能化程度高、能耗低、动态性能好、可靠性好等特点，同时由于液压元件的引入，使其具有液压式装载机的诸多优点，具体表现在：（1）所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，所述第一液压缸与第二液压缸可通过液压管线连接实现并联，根据帕斯卡原理，两缸体内液体压力相同，可以有效改善动臂升降机构两升降支链受力不均的问题，提高动臂举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命；（2）所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，可以有效提高滑移式叉木机的抗振性能；（3）所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压缸后，在滑移式叉木机铲装作业过程中，当承受的载荷在许用范围时，液压缸可视为一个不可伸缩的二力杆起传递力的作用，若承受的载荷超过许用范围时，液压缸上的泄压阀打开，起到过载保护作用。基于上述特点，所述的多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机相比现有可控装载机构具有更好的动力学性能、承载稳定性、抗振能力以及随之带来的更长使用寿命，并且较易实现过载保护功能，具有较强的工程应用前景和发展潜力。

本发明突出优点在于：

1、该种滑移式叉木机在基于可控机构技术的基础上采用全新构型设计，在满足木材装卸作业所需自由度和工作空间要求下，具有较好的运动学和动力学性能，动臂升降机构、叉斗控制机构通过采用平面并联设计和使用液压元件，大幅提升了滑移式叉木机的刚性和作业稳定性。该滑移式叉木机既具有可控机构式装卸机械能耗低、传动效率高、智能化程度高、可靠性好等特点，同时具备液压式滑移叉木机工作装置抗冲击性能好、过载保护性能强、举升稳定性好等特点。

2、该滑移式叉木机采用计算机编程控制的电传动系统进行驱动，不仅具有较高的智能化水平，实现了作业数控化，而且液压元件的引入依然保证了较高的机械效率和较好的可靠性。该种滑移式叉木机全新构型设计中引入的液压缸主要用途并非像现有液压式工程机械，用来驱动工作装置做功，而是作为连杆传递动力，并通过微小移动调节偏载，提高动臂升降机构举升稳定性，避免了液压系统机械效率低等问题，减少了液压元件的磨损问题，相比液压式工程机械具有更长的使用寿命以及更高的可靠性。

3、相比现有可控装卸机构，本发明所述滑移式叉木机具有更强的承载能力和适应性。多单元连杆驱动机构的引入，大幅提高了该滑移式叉木机的承载能力，该设计尤其适用于滑移式叉木机等需要重载作业的应用场合；该多单元连杆驱动机构具有较强的动力适应性，可根据不同的动力要求，选用四单元、六单元等不同数量的驱动支链驱动，满足轻型和重型各类滑移式叉木机动力要求。

4、相比现有可控装卸机构，本发明所述滑移式叉木机具有更好的动态性能和可靠性。将液压缸作为连杆应用到叉木机构型设计中，液压缸等液压元件的引入使该机器人具有了良好的抗振和缓冲性能。动臂升降机构通过缸体并联，实现了偏载作用下动臂两升降支链的受力平衡，改善了各构件受力不均的问题，提高了动臂的举升稳定性，延长了各构件的使用寿命，提高了滑移式叉木机的可靠性，另外本发明所述滑移式叉木机具有更多的过载保护手段，通过在动臂升降机构液压缸上引入泄压阀等附属装置，较易实现滑移式叉木机的过载保护性能。

5、相比传统液压式滑移叉木机，本发明所述滑移式叉木机不仅具有机械效率高、可靠性好等特点，而且可控机构技术的采用有效提高了滑移式叉木机操作和作业的智能化程度，降低了操纵人员的劳动强度，电传动系统的采用显著降低了滑移式叉木机的机械复杂度，降低了滑移式叉木机的制造成本。该滑移式叉木机具有能耗低、低噪音、无尾气排放等特点，对推动滑移式叉木机绿色化、智能化具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明所述的一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机示意图。

图2为本发明所述的一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机机架示意图。

图3为本发明所述的多单元连杆驱动机构示意图之一。

图4为本发明所述的多单元连杆驱动机构示意图之二。

图5为本发明所述的多单元连杆驱动机构曲轴示意图。

图6为本发明所述的动臂升降机构示意图。

图7为本发明所述的叉斗控制机构示意图。

图8为本发明所述的叉斗控制机构下叉示意图。

图9为本发明所述的叉斗控制机构上叉示意图。

图10为本发明所述的一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机平面视图。

图11为本发明所述的一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机工作示意图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

对照图1，本发明所述的一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、叉斗控制机构以及机架1。

对照图1、图2、图3、图4、图5，所述多单元连杆驱动机构包括第一驱动支链、第二驱动支链、曲轴16，所述第一驱动支链包括第一主动杆8、第一连杆9，所述第一主动杆8一端通过第一转动副4与机架1连接，另一端通过第二转动副15与第一连杆9一端连接，所述第一连杆9另一端通过第三十一转动副10与曲轴16连接，所述第二驱动支链包括第二主动杆14、第二连杆12，所述第二主动杆14一端通过第三转动副7与机架1连接，另一端通过第四转动副13与第二连杆12一端连接，所述第二连杆12另一端通过第三十二转动副11与曲轴16连接，所述曲轴16通过第五转动副5、第六转动副6与机架1连接。

所述多单元连杆驱动机构所含主动杆均由可控电机通过电传动系统进行驱动控制，所述多单元连杆驱动机构在计算机系统的控制下，可以将多个动力单元的动力合成后通过曲轴16输出，从而使该多单元连杆驱动机构实现了由多台小功率可控电机输入，大功率、高扭矩动力输出的目的，解决了传统可控装载机构伺服电机功率输出小、驱动扭矩低等问题。另外，根据滑移式叉木机的动力要求，可以方便选用四单元、六单元等多种动力单元形式，提高了该多单元连杆驱动机构动力适应性。

对照图1、图2、图6，所述动臂升降机构包括第一升降支链、第二升降支链、动臂18。所述第一升降支链包括第三连杆50、第一液压缸32。所述第三连杆50一端通过键或其他方式与曲轴16固定连接，另一端通过第七转动副17与第一液压缸32一端连接，所述第一液压缸32另一端通过第八转动副31与动臂18连接，所述第二升降支链包括第四连杆34、第二液压缸35。第四连杆34一端通过键或其他方式与曲轴16固定连接，另一端通过第九转动副33与第二液压缸35一端连接，所述第二液压缸35另一端通过第十转动副37与动臂18连接，所述动臂18通过第十一转动副2，第十二转动副3与机架1连接。

在滑移式叉木机作业过程中，由于动臂升降机构为平面并联机构，将第一液压缸32与第二液压缸35通过液压管线连接，进而实现并联，根据帕斯卡原理，两缸体内液体压力相同，可以有效改善动臂升降机构两升降支链受力不均的问题，提高动臂18举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命。通过液压元件的引入可以有效提高动臂升降机构的抗振能力，另外，通过在动臂升降机构所含液压缸的缸体上引入泄压阀等附属装置，可以轻易实现动臂升降机构的过载保护功能。

对照图1、图2、图7、图8、图9，所述叉斗控制机构包括拉第一摇臂41、第一直线驱动器45、第一拉杆51、第二直线驱动器48、第三直线驱动器24、第二拉杆21、第四直线驱动器19、第二摇臂43、上叉27、下叉28，所述第一摇臂41通过第十三转动副40与动臂18连接，所述第一拉杆51一端通过第十四转动副46与第一摇臂41连接，另一端通过第十五转动副42与下叉28连接，所述第二摇臂43通过第十六转动副36与动臂18连接，所述第二拉杆21一端通过第十七转动副20与第二摇臂43连接，另一端通过第十八转动副22与下叉28连接，所述第一直线驱动器45一端通过第十九转动副30与动臂18连接，另一端通过第二十转动副53与第一摇臂41连接，所述第四直线驱动器19一端通过第二十一转动副38与动臂18连接，另一端通过第二十二条转动副44与第二摇臂43连接。所述下叉28通过第二十三转动副29、第二十四转动副39与动臂18连接，所述上叉27通过第二十五转动副49、第二十六转动副52与下叉28连接，所述第二直线驱动器48一端通过第二十七转动副47与下叉28连接、另一端通过第二十八转动副26与上叉27连接，所述第三直线驱动器24一端通过第二十九转动副23与下叉28连接、另一端通过第三十转动副25与上叉27连接。

所述叉斗控制机构由第一直线驱动器45、第二直线驱动器48、第三直线驱动器24、第四直线驱动器19进行驱动控制，实现叉斗对甘蔗、木材等抓取作业。所述叉斗控制机构包含的各直线驱动器为伺服电动缸。

对照图1、图10、图11，所述一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机在各电传动系统的编程控制下，完成装载作业。该多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机既具有现有可控装载机构智能化程度高、能耗低、动态性能好、可靠性好等特点，同时由于液压元件的引入，使其具有液压式装载机的诸多优点，具体表现在：（1）所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，所述第一液压缸32与第二液压缸35可通过液压管线连接实现并联，根据帕斯卡原理，两缸体内液体压力相同，可以有效改善动臂升降机构两升降支链受力不均的问题，提高动臂举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命；（2）所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，可以有效提高滑移式叉木机的抗振性能；（3）所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压缸后，在滑移式叉木机铲装作业过程中，当承受的载荷在许用范围时，液压缸可视为一个不可伸缩的二力杆起传递力的作用，若承受的载荷超过许用范围时，液压缸上的泄压阀打开，起到过载保护作用。基于上述特点，所述的多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机相比现有可控装载机构具有更好的动力学性能、承载稳定性、抗振能力以及随之带来的更长使用寿命，并且较易实现过载保护功能，具有较强的工程应用前景和发展潜力。

Claims (2)

1.一种多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、叉斗控制机构以及机架，其特征在于：

所述多单元连杆驱动机构包括第一驱动支链、第二驱动支链、曲轴，所述第一驱动支链包括第一主动杆、第一连杆，所述第一主动杆一端通过第一转动副与机架连接，另一端通过第二转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过第三十一转动副与曲轴连接，所述第二驱动支链包括第二主动杆、第二连杆，所述第二主动杆一端通过第三转动副与机架连接，另一端通过第四转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过第三十二转动副与曲轴连接，所述曲轴通过第五转动副、第六转动副与机架连接，

所述动臂升降机构包括第一升降支链、第二升降支链、动臂，所述第一升降支链包括第三连杆、第一液压缸，所述第三连杆一端与曲轴连接，另一端通过第七转动副与第一液压缸一端连接，所述第一液压缸另一端通过第八转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第四连杆、第二液压缸，第四连杆一端与曲轴固定连接，另一端通过第九转动副与第二液压缸一端连接，所述第二液压缸另一端通过第十转动副与动臂连接，所述动臂通过第十一转动副，第十二转动副与机架连接，

所述叉斗控制机构包括拉第一摇臂、第一直线驱动器、第一拉杆、第二直线驱动器、第三直线驱动器、第二拉杆、第四直线驱动器、第二摇臂、上叉、下叉，所述第一摇臂通过第十三转动副与动臂连接，所述第一拉杆一端通过第十四转动副与第一摇臂连接，另一端通过第十五转动副与下叉连接，所述第二摇臂通过第十六转动副与动臂连接，所述第二拉杆一端通过第十七转动副与第二摇臂连接，另一端通过第十八转动副与下叉连接，所述第一直线驱动器一端通过第十九转动副与动臂连接，另一端通过第二十转动副与第一摇臂连接，所述第四直线驱动器一端通过第二十一转动副与动臂连接，另一端通过第二十二转动副与第二摇臂连接，所述下叉通过第二十三转动副、第二十四转动副与动臂连接，所述上叉通过第二十五转动副、第二十六转动副与下叉连接，所述第二直线驱动器一端通过第二十七转动副与下叉连接、另一端通过第二十八转动副与上叉连接，所述第三直线驱动器一端通过第二十九转动副与下叉连接、另一端通过第三十转动副与上叉连接。

2.根据权利要求1所述的多单元连杆驱动平面可控滑移式叉木机，其特征在于： 所述第一主动杆、第二主动杆由可控电机驱动，所述第一液压缸与第二液压缸并联，所述第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器、第四直线驱动器均为伺服电动缸。