CN110642198A - 一种防过载升降机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防过载升降机构，其包括折叠臂、伸缩臂、飞臂和工作平台，伸缩臂、飞臂和工作平台位于折叠臂上方，折叠臂包括折叠臂上臂和折叠臂下臂，折叠臂下臂上设置有使折叠臂上臂进行升降的变幅油缸，折叠臂上臂的一端与伸缩臂的一端铰接，伸缩臂的另一端与飞臂的一端铰接，飞臂的另一端与工作平台铰接，折叠臂上臂的另一端与折叠臂下臂的一端铰接，折叠臂上臂的一端与伸缩臂的一端铰接处的下方设置有一固定的底座，折叠臂下臂的另一端与底座铰接，折叠臂上臂的一端与伸缩臂的一端铰接处只进行垂直方向或水平方向运动。本发明的防过载升降机构和控制方法可以监测工作平台的载荷，判断工作平台的载荷是否超过预设值，保证工作平台的安全性。

Description

一种防过载升降机构及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种防过载升降机构及其控制方法，属于机械技术领域。

背景技术

在高空作业中，往往会涉及到一些物体的安装与施工，比如一些高楼的玻璃幕墙的安装施工、维修清洁等，一般是通过升降机构搭配工作平台来完成。升降机构一般包括折叠臂、伸缩臂、飞臂，折叠臂、伸缩臂、飞臂的俯仰角度以及伸缩臂的长度都可以通过液压缸改变，把工作平台设置在升降机构的顶端，通过升降机构把工作平台升高到需要的工作高度，进行相应的施工。施工人员站在工作平台上，一些施工用到的工具和材料也放置在工作平台上，这样对工作平台的载荷有一定的要求。在伸缩臂、飞臂和工作平台的重量一定的情况下，如果工作平台的载荷过大，则会影响工作平台的安全性，因此要能够监测和控制工作平台的载荷。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种防过载升降机构，该防过载升降机构中变幅油缸对折叠臂上臂推力的大小只与可以监测工作平台的载荷，判断工作平台的载荷是否超过预设值，保证工作平台的安全性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种防过载升降机构，其包括折叠臂、伸缩臂、飞臂和工作平台，所述伸缩臂、飞臂和工作平台位于折叠臂上方，所述折叠臂包括折叠臂上臂和折叠臂下臂，所述折叠臂下臂上设置有使折叠臂上臂进行升降的变幅油缸，所述折叠臂上臂的一端与伸缩臂的一端铰接，所述伸缩臂的另一端与飞臂的一端铰接，所述飞臂的另一端与工作平台铰接，所述折叠臂上臂的另一端与折叠臂下臂的一端铰接，所述折叠臂上臂的一端与伸缩臂的一端铰接处的下方设置有一固定的底座，折叠臂下臂的另一端与所述底座铰接，所述折叠臂上臂的一端与伸缩臂的一端铰接处只进行垂直方向或水平方向运动。

在本发明一个较佳实施例中，所述折叠臂上臂包括折叠臂上臂上连杆和折叠臂上臂下连杆，所述折叠臂下臂包括折叠臂下臂上连杆和折叠臂下臂下连杆，所述折叠臂上臂上连杆与折叠臂上臂下连杆相互平行，折叠臂下臂上连杆与折叠臂下臂下连杆相互平行，所述折叠臂上臂上连杆的一端和折叠臂上臂下连杆的一端分别与一上三角连接件铰接在一起，所述折叠臂上臂上连杆的另一端和折叠臂上臂下连杆的另一端分别与一下三角连接件铰接在一起，所述折叠臂下臂上连杆的一端和折叠臂下臂下连杆的一端分别与一下三角连接件铰接在一起，所述折叠臂下臂上连杆的另一端和折叠臂下臂下连杆的另一端分别与所述底座铰接在一起，所述折叠臂上臂上连杆、折叠臂上臂下连杆、上三角连接件和下三角连接件构成平行四边形连杆机构，所述折叠臂下臂上连杆、折叠臂下臂下连杆、下三角连接件和底座构成平行四边形连杆机构。

在本发明一个较佳实施例中，所述折叠臂下臂上连杆的另一端与所述底座的铰接点和折叠臂下臂下连杆的另一端与所述底座的铰接点二者的连线位于上下垂直方向上。

在本发明一个较佳实施例中，所述折叠臂上臂上连杆的一端与所述上三角连接件的铰接点和折叠臂上臂下连杆的一端与所述上三角连接件的铰接点二者的连线位于上下垂直方向上。

在本发明一个较佳实施例中，所述变幅油缸的下端铰接在折叠臂下臂下连杆上，所述变幅油缸的活塞杆顶端铰接在折叠臂上臂上连杆上，所述变幅油缸内设置有感知变幅油缸工作推力的力传感器。

在本发明一个较佳实施例中，还包括控制单元，所述力传感器与控制单元通信连接。

在本发明一个较佳实施例中，还包括用于感知折叠臂上臂上连杆和折叠臂上臂下连杆俯仰角度的角度传感器，所述角度传感器与控制单元通信连接。

本发明还提供一种用于上述防过载升降机构中的控制方法，其包括以下步骤：

(1)力传感器感知变幅油缸对折叠臂上臂推力的大小，并把信号传递给升降机构的控制单元；

(2)控制单元判断变幅油缸推力的大小是否超过预设的值，如果超过预设的值则说明工作平台的载荷超过了设定值，工作平台处于过载状态，此时应该减少工作平台的载荷。

本发明的有益效果是：本发明的防过载升降机构和控制方法中变幅油缸对折叠臂上臂推力的大小只与折叠臂上臂以上部分的重量和折叠臂本身的重量和角度变化有关，与折叠臂上臂以上部分各结构的角度变化或者伸缩无关，可以监测工作平台的载荷，因此变幅油缸的推力大小与工作平台的载荷存在对应关系，当变幅油缸的推力大小超过预设值时，可以判断工作平台的载荷超载，此时应减少工作平台的载荷以保证工作平台的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明的防过载升降机构的结构示意图；

图2是图1中折叠臂的结构示意图；

图3是本发明的防过载升降机构的结构简化模型图；

图4是图3中折叠臂变幅油缸推力P4随变幅角γ变化的曲线图。

附图中各部件的标记如下：1、折叠臂，2、伸缩臂，3、飞臂，4、工作平台，5、上三角连接件，6、折叠臂上臂下连杆，7、折叠臂上臂上连杆，8、变幅油缸，9、连杆，10、下三角连接件，11、折叠臂下臂上连杆，12、折叠臂下臂下连杆，13、底座，14、折叠臂上臂，15、折叠臂下臂。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图2，本发明实施例包括：一种防过载升降机构，其包括折叠臂1、伸缩臂2、飞臂和3工作平台4，所述伸缩臂2、飞臂3和工作平台4位于折叠臂1上方，所述折叠臂1包括折叠臂上臂14和折叠臂下臂15，所述折叠臂下臂15上设置有使折叠臂上臂14进行升降的变幅油缸8，所述折叠臂上臂14的一端与伸缩臂2的一端铰接，所述伸缩臂2的另一端与飞臂3的一端铰接，所述飞臂3的另一端与工作平台4铰接，所述折叠臂上臂14的另一端与折叠臂下臂15的一端铰接，所述折叠臂上臂14的一端与伸缩臂2的一端铰接处的下方设置有一固定的底座13，折叠臂下臂15的另一端与所述底座13铰接，所述折叠臂上臂14的一端与伸缩臂2的一端铰接处只进行垂直方向或水平方向运动。

优选的，所述折叠臂上臂14包括折叠臂上臂上连杆7和折叠臂上臂下连杆6，所述折叠臂下臂15包括折叠臂下臂上连杆11和折叠臂下臂下连杆12，所述折叠臂上臂上连杆7与折叠臂上臂下连杆6相互平行，折叠臂下臂上连杆11与折叠臂下臂下连杆12相互平行，所述折叠臂上臂上连杆7的一端和折叠臂上臂下连杆6的一端分别与一上三角连接件5铰接在一起，所述折叠臂上臂上连杆7的另一端和折叠臂上臂下连杆6的另一端分别与一下三角连接件10铰接在一起，所述折叠臂下臂上连杆11的一端和折叠臂下臂下连杆12的一端分别与一下三角连接件10铰接在一起，所述折叠臂下臂上连杆11的另一端和折叠臂下臂下连杆12的另一端分别与所述底座14铰接在一起，所述折叠臂上臂上连杆7、折叠臂上臂下连杆6、上三角连接件5和下三角连接件10构成平行四边形连杆机构，所述折叠臂下臂上连杆11、折叠臂下臂下连杆12、下三角连接件10和底座13构成平行四边形连杆机构。平行四边形连杆机构在运动中始终保持平行四边形的结构状态。

优选的，所述折叠臂下臂上连杆11的另一端与所述底座13的铰接点和折叠臂下臂下连杆12的另一端与所述底座13的铰接点二者的连线位于上下垂直方向上。即折叠臂下臂上连杆11和折叠臂下臂下连杆12分别与底座13铰接的两处铰接点的连线位于上下垂直方向上。

优选的，所述折叠臂上臂上连杆的一端与所述上三角连接件的铰接点和折叠臂上臂下连杆的一端与所述上三角连接件的铰接点二者的连线位于上下垂直方向上。这样折叠臂上臂14以上各个部分给与折叠臂上臂14的总的力始终是沿实现垂直方向，这样就是变幅油缸8的推力只与折叠臂上臂14以上各个部分的重量和折叠臂上臂14自身的重量及其俯仰角度有关，而与折叠臂上臂14以上各个部分包括伸缩臂2、飞臂3和工作平台4的变幅角度和伸缩无关。在折叠臂上臂14、伸缩臂2、飞臂3和工作平台4的重量一定的情况下，变幅油缸8的推力与工作平台4的载荷存在一定的对应关系。

优选的，所述变幅油缸8的下端铰接在折叠臂下臂下连杆12上，所述变幅油缸8的活塞杆顶端铰接在折叠臂上臂上连杆7上，所述变幅油缸8内设置有感知变幅油缸8工作推力的力传感器(图中未标识)。

优选的，还包括控制单元(图中未标识)，所述力传感器与控制单元通信连接。力传感器感知到变幅油缸8的推力大小，并把感知的结果传送给控制单元。控制单元判断变幅油缸8的推力大小是否超过预设值。

优选的，还包括用于感知折叠臂上臂上连杆7和折叠臂上臂下连杆6俯仰角度变化的角度传感器(图中未标识)，角度传感器与控制单元通信连接。角度传感器可以安装在折叠臂上臂上连杆7或折叠臂上臂下连杆6上。角度传感器感知的折叠臂上臂的角度和受力变化，控制单元判断工作平台是否超载时会考虑折叠臂上臂的角度和受力变化，对这些因素进行计算处理后再判断变幅油缸8的推力大小与工作平台载荷的对应关系。

对于本发明的防过载升降机构可以进行6如下的计算分析：

假设伸缩臂2、飞臂3和工作平台4自重的总重力为G，其虚位移为δ_G，折叠臂1变幅油缸8的液压推力为P，设折叠臂变幅油缸8的液压推力P的虚位移为δ_P，根据虚位移原理它们满足以下条件：

G×δ_G+P×δ_P＝0。

满足上述条件的防过载升降机构，通过G×δ_G+P×δ_P＝0这个关系式可以计算出折叠臂变幅油缸8的液压推力P的值，发现P的值只与各臂架重量、折叠臂结构尺寸及变幅角度有关，而与折叠臂以上部分的结构尺寸、伸缩臂变幅角度、飞臂变幅角度无关。这样就是说折叠臂以上部分的结构重量变化会导致P的值对应变化，那么当工作平台的载荷超重时P的值也会达到一个较大的值，这个值超过了预设的安全值，此时可以判断工作平台过载，要减少工作平台的载重，以保证工作平台的安全性。具体的可以通过以下过程详细论证：

对于静止的系统，能够继续保持静止的条件是所有作用于该系统的主动力对质点系作用点的虚位移所作的功总和始终为零。假设系统有n个质点系，则数学表达式可以表示为：

式中：分别是作用在第i个质点上的主动力在x、y、z方向的分量；δX_i、δY_i、δZ_i是第i个质点在x、y、z方向的虚位移。

对于本发明的防过载升降机构这种折臂式自行走高空作业平台来说，设其工作平台4额定载荷及臂架自重的总重力为G，其虚位移为δ_G，将折叠臂变幅油缸8的约束解除用液压缸推力P代替，设折叠臂液压缸推力P的虚位移为δ_P，应用虚位移原理便可以得到：

G×δ_G+P×δ_P＝0 (2)

其中工作平台4额定载荷及臂架自重的总重力G为已知量，只要求出工作平台4额定载荷及臂架自重的总重力虚位移δ_G和折叠臂液压缸虚位移δ_P，即可以根据公式(2)求出折叠臂液压缸推力P。

首先对本发明防过载升降机构的高空作业平台进行简化，建立数学模型。防过载升降机构的简化模型如图3所示。

参见图3，以U为坐标原点，R、U连线为y轴，过U点，垂直于RU为x轴建立直角坐标系。O₁、O₂为折叠臂变幅油缸8上下两铰点，A～Z点为整车臂架的各铰点，G₁、G₂、G₃、G₄、G₅、G₆依次为折叠臂下臂下连杆12质心、折叠臂下臂上连杆11质心、下三角连接件10质心、连杆9质心、折叠臂上臂下连杆6质心、折叠臂上臂上连杆7质心，G₇为上三角连接件5、伸缩臂2、飞臂3和底座13的总质心，G₈为飞臂3质心，G₉为工作平台4质心。

将O₁、O₂、G₁、G₂、G₃、G₄、G₅、G₆、G₇、G₈及G₉点的坐标表达式用折臂式自行走高空作业平台的结构尺寸参数表示出来，如式(3)：

式(3)中，γ为折叠臂上臂下连杆6与水平面之间的夹角；β、α依次为伸缩臂2、飞臂3与水平面之间的夹角；h_a，h_b分别为点O₁、O₂到l_NQ、l_RS的垂直距离，垂足分别为P、Z。

对G₁～G₉点的坐标表达式求微分作为各结构外载荷的虚位移。

由式(4)可知，折叠臂以上部分的虚位移相同，其仅与折叠臂的结构尺寸有关，与折叠臂以上部分的结构尺寸、伸缩臂变幅角度β、飞臂变幅角度α无关，由式(2)可得，伸缩臂2、飞臂3变幅时，折叠臂液压缸所需推力不变。

本文依次采用虚位移原理中的几何法对折叠臂液压缸推力虚位移进行求解，进而得到两组折叠臂液压缸推力表达式。

首先将液压缸长度O₁O₂表示出来，表达式为：

其中：

液压缸长度变化可以表示为：

其中：

将式(5)、(6)、(7)代入式(8)中得：

为简化公式(9)，取：

C2＝((l_YZ-l_QP)·cosγ-(h_a-h_b)·sinγ)·(-(l_YZ-l_QP)·sinγ+(-h_a+h_b)·cosγ)

C3＝((l_YZ+l_QP)·sinγ+(-h_a+h_b)·cosγ+l_QY)·(-(-h_a+h_b)·sinγ+(l_YZ+l_QP)·cosγ)

可得：

根据式(2)对折臂式自行走高空作业平台使用虚位移原理，可得到下式：

式中：g₁～g₈依次为工作平台4额定载荷以及工作平台4、工作平台转动体(图中未标识)、飞臂上下连杆(图中未标识)、飞臂底座(图中未标识)、伸缩臂2、和上三角连接件5的自重，即折叠臂以上部分各结构重量；g₉～g₁₄依次为折叠臂上臂上连杆7、折叠臂上臂下连杆6、折叠臂下臂上连杆11、折叠臂下臂下连杆12、下三角连接件10、连杆9的自重；P₄为液压缸推力。

为简化公式(4)，取：

C6＝l_UV·csoγ

C10＝2(l_UV·cosγ)

可得：

则将式(10)、(12)代入式(11)，可得到液压缸推力P₄计算表达式如下：

折叠臂等各结构参数的值如表1所示，将表1中的几何参数代入折叠臂液压缸推力表达式中进行计算，最终将计算值代入公式(13)中，利用MATLAB绘制折叠臂变幅液压缸推力P₄与变幅角γ变化的曲线如图4所示。

表1：折叠臂结构尺寸(mm)、结构角度(°)和折叠臂重力值(N)

Table 1 Structure dimensions(mm),structural angle(°)and gravity value(N)of folding arm

由图4可以看出，当液压缸变幅角度为0°时，所需推力最大，为98339N。

由式(4)、(12)、(13)可得以下结论：

折叠臂变幅油缸8所需推力P，与各臂架重量、折叠臂结构尺寸及变幅角度有关，而与折叠臂以上部分的结构尺寸、伸缩臂变幅角度β、飞臂变幅角度α以及工作平台4的转角或仰角无关。

这样就可以得出P值与工作平台4的载荷的对应关系，当P值大于设定值时即意味着工作平台4的载荷大于设定值，工作平台4处于过载的状态，需要减少工作平台4的载重，以保证工作平台4的安全性。

本发明还提供一种用于上述防过载升降机构中的控制方法，其包括以下步骤：

(1)力传感器感知变幅油缸对折叠臂上臂推力的大小，并把信号传递给升降机构的控制单元；

(2)控制单元判断变幅油缸推力的大小是否超过预设的值，如果超过预设的值则说明工作平台的载荷超过了设定值，工作平台处于过载状态，此时应该减少工作平台的载荷。

因为变幅油缸推力的值只与折叠臂自身的重量和角度变化以及折叠臂以上部分的重量有关系，与折叠臂以上部分的变幅角度或伸缩无关，因此变幅油缸推力的值就与折叠臂以上部分的重量有对应关系，折叠臂自身的重量一定，折叠臂自身角度变化通过角度传感器可以感知和计算。在伸缩臂、飞臂和工作平台重量一定的情况下，就与工作平台的载重变化有关系。变幅油缸推力的值可以通过控制单元和显示装置显示，如果变幅油缸推力的大小超过预设的值，也就说明工作平台的载重超过了设定值，工作平台处于过载状态，此时应该减少工作平台的载荷，包括减少工作平台上工作人员的数量和载物的重量，以保证工作安全性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种防过载升降机构，包括折叠臂、伸缩臂、飞臂和工作平台，所述伸缩臂、飞臂和工作平台位于折叠臂上方，所述折叠臂包括折叠臂上臂和折叠臂下臂，所述折叠臂下臂上设置有使折叠臂上臂进行升降的变幅油缸，所述折叠臂上臂的一端与伸缩臂的一端铰接，所述伸缩臂的另一端与飞臂的一端铰接，所述飞臂的另一端与工作平台铰接，所述折叠臂上臂的另一端与折叠臂下臂的一端铰接，其特征在于，所述折叠臂上臂的一端与伸缩臂的一端铰接处的下方设置有一固定的底座，折叠臂下臂的另一端与所述底座铰接，所述折叠臂上臂的一端与伸缩臂的一端铰接处只进行垂直方向或水平方向运动。

2.根据权利要求1所述的防过载升降机构，其特征在于，所述折叠臂上臂包括折叠臂上臂上连杆和折叠臂上臂下连杆，所述折叠臂下臂包括折叠臂下臂上连杆和折叠臂下臂下连杆，所述折叠臂上臂上连杆与折叠臂上臂下连杆相互平行，折叠臂下臂上连杆与折叠臂下臂下连杆相互平行，所述折叠臂上臂上连杆的一端和折叠臂上臂下连杆的一端分别与一上三角连接件铰接在一起，所述折叠臂上臂上连杆的另一端和折叠臂上臂下连杆的另一端分别与一下三角连接件铰接在一起，所述折叠臂下臂上连杆的一端和折叠臂下臂下连杆的一端分别与一下三角连接件铰接在一起，所述折叠臂下臂上连杆的另一端和折叠臂下臂下连杆的另一端分别与所述底座铰接在一起，所述折叠臂上臂上连杆、折叠臂上臂下连杆、上三角连接件和下三角连接件构成平行四边形连杆机构，所述折叠臂下臂上连杆、折叠臂下臂下连杆、下三角连接件和底座构成平行四边形连杆机构。

3.根据权利要求2所述的防过载升降机构，其特征在于，所述折叠臂下臂上连杆的另一端与所述底座的铰接点和折叠臂下臂下连杆的另一端与所述底座的铰接点二者的连线位于上下垂直方向上。

4.根据权利要求3所述的防过载升降机构，其特征在于，所述折叠臂上臂上连杆的一端与所述上三角连接件的铰接点和折叠臂上臂下连杆的一端与所述上三角连接件的铰接点二者的连线位于上下垂直方向上。

5.根据权利要求3所述的防过载升降机构，其特征在于，所述变幅油缸的下端铰接在折叠臂下臂下连杆上，所述变幅油缸的活塞杆顶端铰接在折叠臂上臂上连杆上，所述变幅油缸内设置有感知变幅油缸工作推力的力传感器。

6.根据权利要求5所述的防过载升降机构，其特征在于，还包括控制单元，所述力传感器与控制单元通信连接。

7.根据权利要求6所述的防过载升降机构，其特征在于，还包括用于感知折叠臂上臂上连杆和折叠臂上臂下连杆俯仰角度的角度传感器，所述角度传感器与控制单元通信连接。

8.一种用于权利要求1至7中任一项所述的防过载升降机构中的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)力传感器感知变幅油缸对折叠臂上臂推力的大小，并把信号传递给升降机构的控制单元；

(2)控制单元判断变幅油缸推力的大小是否超过预设的值，如果超过预设的值则说明升降机构中工作平台的载荷超过了设定值，工作平台处于过载状态，此时应该减少工作平台的载荷。

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