張志強(qiáng) 贠 超 劉相權(quán) 劉 揚(yáng)

1.北京航空航天大學(xué),北京,100083 2.北京信息科技大學(xué),北京,100192

0 引言

目前國(guó)內(nèi)醫(yī)院藥房的藥品存儲(chǔ)設(shè)備主要為固定式貨架,藥品存儲(chǔ)分散,空間利用率低,因而藥房工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力,處方處理效率低。隨著醫(yī)療體制改革和醫(yī)院改革向著信息化方向發(fā)展,迫切需要開發(fā)一種適合中國(guó)國(guó)情的藥房自動(dòng)化設(shè)備。

筆者開發(fā)的藥房自動(dòng)化設(shè)備包括立式回轉(zhuǎn)藥柜和快速出藥系統(tǒng)兩部分?？焖俪鏊幭到y(tǒng)適用于具有規(guī)則形狀的盒裝藥品,能夠?qū)崿F(xiàn)藥品的密集存儲(chǔ)、自動(dòng)上藥、自動(dòng)出藥;立式回轉(zhuǎn)藥柜對(duì)藥品包裝適應(yīng)性強(qiáng),但受傳動(dòng)鏈速度的限制,藥品出庫(kù)和入庫(kù)效率較低,儲(chǔ)藥量也偏低,是對(duì)快速出藥系統(tǒng)的補(bǔ)充。

1 立式回轉(zhuǎn)藥柜工作原理

如圖1所示,立式回轉(zhuǎn)藥柜主要由以下部分組成[1-2]：

圖1 立式回轉(zhuǎn)藥柜機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

(1)天軸、地軸為上下傳動(dòng)軸,地軸為主動(dòng)軸,天軸為被動(dòng)軸,主要承載藥品和儲(chǔ)藥斗的重量。軸的兩端安裝有鏈輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu),帶動(dòng)儲(chǔ)藥斗做垂直與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。地軸是一根通軸,一端與傳動(dòng)鏈輪、電動(dòng)機(jī)的減速箱連接。

(2)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、減速器、一級(jí)鏈傳動(dòng)、二級(jí)鏈傳動(dòng)組成,其中,一級(jí)鏈傳動(dòng)由一級(jí)小鏈輪、一級(jí)鏈條、一級(jí)大鏈輪組成,二級(jí)鏈傳動(dòng)采用雙鏈輪封閉鏈條式鏈傳動(dòng),由2個(gè)同軸的主動(dòng)鏈輪、2個(gè)同軸的從動(dòng)鏈輪及與主從動(dòng)鏈輪相嚙合的鏈條組成。

(3)平衡桿及平衡桿導(dǎo)軌主要用于保持儲(chǔ)藥斗處于水平及平行狀態(tài),以保證儲(chǔ)藥斗在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不出現(xiàn)翻斗現(xiàn)象及藥品不從儲(chǔ)藥斗中掉出。平衡桿導(dǎo)軌通過焊接固定到柜體骨架上。

(4)儲(chǔ)藥斗及支撐桿。支撐桿的一端通過鉸接與鏈條連接,支撐桿的另一端、平衡桿的一端以及可移動(dòng)儲(chǔ)藥斗的一端連接在一起,隨著鏈條的運(yùn)動(dòng)做垂直及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

(5)傳動(dòng)鏈導(dǎo)軌通過焊接固定到柜體骨架上,主要用于傳動(dòng)鏈的導(dǎo)向,保證傳動(dòng)鏈條的平穩(wěn)運(yùn)行并降低噪聲。

(6)張緊裝置主要用于儲(chǔ)藥斗傳動(dòng)鏈條的張緊,防止鏈條在負(fù)載運(yùn)行中的伸長(zhǎng)而影響傳動(dòng)。

(7)機(jī)架、底座與殼體。機(jī)架主要作用為天軸與地軸的支撐,與底座相連。殼體由4根立柱和四周面板組成,包括存取窗口的翻門及操作面板等,起覆蓋作用。

(8)電氣控制系統(tǒng)包含PLC、電氣柜、安全檢測(cè)裝置等,通過總線與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng),用來控制回轉(zhuǎn)藥柜運(yùn)行,保證儲(chǔ)藥斗快速準(zhǔn)確地運(yùn)轉(zhuǎn)至存取位置。

立式回轉(zhuǎn)藥柜運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,通過減速器和一級(jí)鏈傳動(dòng)兩級(jí)減速后,帶動(dòng)地軸轉(zhuǎn)動(dòng),從而驅(qū)動(dòng)2個(gè)同軸的主動(dòng)鏈輪,2個(gè)主動(dòng)鏈輪再分別通過鏈條傳動(dòng)牽引支撐桿和平衡桿而帶動(dòng)所有儲(chǔ)藥斗做循環(huán)運(yùn)動(dòng)。藥品放置在可移動(dòng)儲(chǔ)藥斗中,接收存取指令后,儲(chǔ)藥斗按最短路徑運(yùn)動(dòng),最快送達(dá)存取口?；跀?shù)據(jù)庫(kù)的藥品監(jiān)控系統(tǒng)安裝在工控機(jī)中,藥品監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出指令驅(qū)使立式回轉(zhuǎn)藥柜運(yùn)轉(zhuǎn)即可完成藥品的存取操作。

2 相鄰儲(chǔ)藥斗運(yùn)動(dòng)不干涉條件分析

圖2為二級(jí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)及儲(chǔ)藥斗示意圖。經(jīng)設(shè)計(jì)選用節(jié)距為12.7mm的08A型鏈[3],與儲(chǔ)藥斗相連接的雙支撐桿在鏈條上的跨距為大跨距,雙支撐桿與相鄰雙支撐桿之間跨距為小跨距。儲(chǔ)藥斗總數(shù)量為12個(gè),均勻分布在鏈條上。

圖2 二級(jí)鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪節(jié)圓半徑均為r,支撐桿外伸量為c,w、h分別為儲(chǔ)藥斗外形輪廓的寬和高,垂直運(yùn)動(dòng)的兩相鄰儲(chǔ)藥斗支軸中心相距 H,連接梁的安裝尺寸界限為A,s為儲(chǔ)藥斗與連接梁之間安全距離。

以從動(dòng)鏈輪中心O為原點(diǎn),建立參考坐標(biāo)系如圖3所示,O1、O2、O3、O4依次是連接儲(chǔ)藥斗1、儲(chǔ)藥斗2的支撐桿1、2、3、4與傳動(dòng)鏈條連接處,坐標(biāo)分別為(x1,y 1)、(x2,y 2)、(x3,y3)、(x4,y4)。A1為儲(chǔ)藥斗1與支撐桿1、2的支軸中心,A2為儲(chǔ)藥斗2與支 撐桿3、4的支軸中心。A1、A2的坐標(biāo)分別為(X1,Y1)、(X2,Y2),鏈輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖3 兩相鄰儲(chǔ)藥斗運(yùn)動(dòng)初始位置

為分析方便,假設(shè)B點(diǎn)為從動(dòng)鏈輪節(jié)圓上的一點(diǎn),在運(yùn)動(dòng)開始時(shí)B點(diǎn)與鏈輪中心O保持水平并與 O1 重合,O1、O2、O3、O4 在同一豎直線上。儲(chǔ)藥斗運(yùn)動(dòng)初期,O1沿半徑為r的圓弧逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),O2、O3、O4保持豎直向上運(yùn)動(dòng),直至O2到達(dá)O點(diǎn)高度后,O1、O2做半徑為 r的同一圓弧運(yùn)動(dòng)。θ0為O1、O2兩點(diǎn)同時(shí)沿圓弧旋轉(zhuǎn)時(shí)連線OO1和OO2之間的夾角,θ1為B點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度,θ2為O2、O3兩點(diǎn)同時(shí)沿圓弧旋轉(zhuǎn)時(shí)連線OO2和OO3之間的夾角。

設(shè)儲(chǔ)藥斗1、儲(chǔ)藥斗2運(yùn)動(dòng)中,支軸中心A1和A2在水平方向和豎直方向的距離為ΔX和ΔY,則相鄰兩儲(chǔ)藥斗運(yùn)動(dòng)不干涉條件為

若0≤ΔX ≤w,則需

若ΔX ＞w,則相鄰儲(chǔ)藥斗運(yùn)動(dòng)無(wú)干涉[4]。

如圖3所示,儲(chǔ)藥斗支軸中心 A1、A2以從動(dòng)鏈輪中心O做圓弧旋轉(zhuǎn)時(shí),該圓弧并非是一個(gè)完整的半圓曲線。下面以從動(dòng)鏈輪節(jié)圓上B點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度θ1為變量,進(jìn)一步分析式(1)在相鄰儲(chǔ)藥斗8個(gè)不同運(yùn)動(dòng)階段的情況。

2.1 運(yùn)動(dòng)第1階段

0≤θ1≤θ0時(shí),O1沿半徑為r的半圓做圓周運(yùn)動(dòng),儲(chǔ)藥斗1支軸中心 A1做變直徑的圓弧旋轉(zhuǎn),O2、O3、O4與儲(chǔ)藥斗2支軸中心 A2做豎直向上運(yùn)動(dòng)直至O2與O在同一水平線上。在此運(yùn)動(dòng)過程中,O1～O4的坐標(biāo)(單位：mm)分別為

則

借助MATLAB,可求解出第一階段 X 1、Y 1的解析式：

由式(1)得出

2.2 運(yùn)動(dòng)第2階段

θ0 ＜θ1 ≤θ0+θ2時(shí),O1、O2同時(shí)做半徑為r的圓弧運(yùn)動(dòng),儲(chǔ)藥斗1支軸中心A1做半徑為R的圓弧運(yùn)動(dòng),O3、O4與儲(chǔ)藥斗2支軸中心A2繼續(xù)做豎直向上運(yùn)動(dòng)直至O3與O在同一水平線上。

在此運(yùn)動(dòng)過程中,A1、A2的坐標(biāo)分別為

R可由下式求解：

則

由式(1)得出

2.3 運(yùn)動(dòng)第3階段

θ0+θ2 ＜θ1 ≤π時(shí),O1、O2同時(shí)做半徑為r的圓弧運(yùn)動(dòng),儲(chǔ)藥斗1支軸中心A1做半徑為R的圓弧運(yùn)動(dòng),直至O1與O在同一水平線上。O3做半徑為r的圓弧運(yùn)動(dòng),O4繼續(xù)做豎直向上運(yùn)動(dòng),儲(chǔ)藥斗2支軸中心A2做變直徑的圓弧旋轉(zhuǎn)。在此運(yùn)動(dòng)過程中,A1的坐標(biāo)為

O3、O4的坐標(biāo)分別為

則

借助MATLAB可求解出第三階段X2、Y 2的解析式：

由式(1)得出

2.4 運(yùn)動(dòng)第4階段

π ＜θ1≤θ0+(θ2+π)/2時(shí),O1做豎直向下運(yùn)動(dòng),O2做半徑為r的圓弧運(yùn)動(dòng),儲(chǔ)藥斗1支軸中心A1做變直徑的圓弧旋轉(zhuǎn)。O3做半徑為r的圓弧運(yùn)動(dòng),O4繼續(xù)做豎直向上運(yùn)動(dòng),直至 A1與A2在同一水平線上,儲(chǔ)藥斗2支軸中心A2做變直徑的圓弧旋轉(zhuǎn),在此運(yùn)動(dòng)過程中,A1點(diǎn)高于 A2點(diǎn)。O1～O4的坐標(biāo)分別為

則

借助MATLAB,可求解出第 4階段 X 1、Y 1、X2、Y2的解析式：

由式(1)得出

2.5 運(yùn)動(dòng)第5階段

θ0+(θ2+π)/2 ＜θ1 ≤2θ0+θ2時(shí) ,O1做豎直向下運(yùn)動(dòng),O2做半徑為r的圓弧運(yùn)動(dòng),儲(chǔ)藥斗1支軸中心A1做變直徑的圓弧旋轉(zhuǎn)。O3做半徑為r的圓弧運(yùn)動(dòng),O4繼續(xù)做豎直向上運(yùn)動(dòng),直至O4與O在同一水平線上,儲(chǔ)藥斗2支軸中心A2做變直徑的圓弧旋轉(zhuǎn)。在此運(yùn)動(dòng)過程中,A2點(diǎn)高于 A1點(diǎn),O1～O4的坐標(biāo)分別與第4階段O1～O4的坐標(biāo)相同。

同理,借助MATLAB,可求解出第 5階段X 1、Y 1 、X 2、Y 2 的解析式：

由式(1)得出

2.6 運(yùn)動(dòng)第6階段

2θ0+θ2＜θ1≤π+θ0時(shí),O1做豎直向下運(yùn)動(dòng),O2做半徑為r的圓弧運(yùn)動(dòng)直至O2與O在同一水平線上,儲(chǔ)藥斗1支軸中心A1做變直徑的圓弧旋轉(zhuǎn)。O3、O4做半徑為r的圓弧運(yùn)動(dòng),儲(chǔ)藥斗2支軸中心A2沿半徑為R的圓弧旋轉(zhuǎn)。該過程可看作鏈輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),儲(chǔ)藥斗反向運(yùn)動(dòng),其不干涉條件同運(yùn)動(dòng)第3階段式(4)。

2.7 運(yùn)動(dòng)第7階段

π+θ0＜θ1≤π+θ0+θ2時(shí) ,O1、O2做豎直向下運(yùn)動(dòng),O3、O4做半徑為r的圓弧運(yùn)動(dòng)直至O3與O在同一水平線上,儲(chǔ)藥斗1支軸中心A1做豎直向下運(yùn)動(dòng)。儲(chǔ)藥斗2支軸中心A2做半徑為r+c的圓弧旋轉(zhuǎn)。該過程可看作鏈輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),儲(chǔ)藥斗反向運(yùn)動(dòng),其不干涉條件同運(yùn)動(dòng)第2階段式(3)。

2.8 運(yùn)動(dòng)第8階段

π +θ0+θ2 ＜θ1 ≤π+2θ0+θ2時(shí) ,O1 、O2、O3做豎直向下運(yùn)動(dòng),O4做半徑為r的圓弧運(yùn)動(dòng)直至O 4與O在同一水平線上,儲(chǔ)藥斗1支軸中心A1做豎直向下運(yùn)動(dòng)。儲(chǔ)藥斗2支軸中心A2做變直徑的圓弧旋轉(zhuǎn)。該過程可看作鏈輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),儲(chǔ)藥斗反向運(yùn)動(dòng),其不干涉條件同運(yùn)動(dòng)第1階段式(2)。

3 基于運(yùn)動(dòng)不干涉條件的鏈傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 鏈傳動(dòng)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

3.1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)思想

回轉(zhuǎn)立體庫(kù)占地面積是指鋼結(jié)構(gòu)框架外輪廓的投影面積,其長(zhǎng)度方向受儲(chǔ)藥斗長(zhǎng)度等因素的影響,其寬度方向受儲(chǔ)藥斗回轉(zhuǎn)半徑、儲(chǔ)藥斗寬度等因素的影響。當(dāng)儲(chǔ)藥斗設(shè)計(jì)完成后,儲(chǔ)藥斗的寬度w和高度h已定,則在鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)過程中,選定鏈條節(jié)距后,采用優(yōu)化設(shè)計(jì),適當(dāng)選取支撐桿外伸量c和鏈輪節(jié)圓半徑r,能獲得最小的儲(chǔ)藥斗回轉(zhuǎn)半徑,使鋼結(jié)構(gòu)框架寬度最小,在其長(zhǎng)度不變的前提下,減小占地面積,同時(shí)可以減小鋼結(jié)構(gòu)橫梁的受力變形。

3.1.2 設(shè)計(jì)變量及目標(biāo)函數(shù)

影響立式回轉(zhuǎn)藥柜鏈傳動(dòng)的因素有很多,根據(jù)儲(chǔ)藥斗運(yùn)動(dòng)不干涉條件的分析,θ1是獨(dú)立的變量,另外引入系數(shù)λ,令c=λr,則可確定λ和r為變量,由此可知：

為使鋼結(jié)構(gòu)框架寬度最小,目標(biāo)函數(shù)取儲(chǔ)藥斗回轉(zhuǎn)半徑L,即支撐桿外伸量c和鏈輪節(jié)圓半徑r之和：

由上式可知,優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為

3.1.3 約束條件

(1)確保左右兩側(cè)儲(chǔ)藥斗直線運(yùn)動(dòng)不干涉條件為

2L≥w+A+2s

根據(jù)研究對(duì)象的具體設(shè)計(jì)可知w=420mm,A=30mm,s=87mm,由于 L=c+r=r(1+λ),所以

(2)立式回轉(zhuǎn)藥柜中儲(chǔ)藥斗將力作用在支撐桿上,使鏈條運(yùn)行中鏈板處于傾斜狀態(tài),為確保鏈條具有足夠的強(qiáng)度,支撐桿外伸量不宜過長(zhǎng),設(shè)計(jì)中取150mm ≤c≤250mm,即

(3)由鏈傳動(dòng)分度圓計(jì)算公式

式中,p為輸送鏈條節(jié)距,取p=12.7mm;z為鏈輪參數(shù),取40～60。

所以

(4)垂直運(yùn)動(dòng)的兩相鄰儲(chǔ)藥斗支軸中心距離H的確定。由于鏈條節(jié)距p=12.7mm,垂直運(yùn)動(dòng)的兩相鄰儲(chǔ)藥斗支軸中心距離 H即單斗鏈條長(zhǎng)度必須滿足以下條件：

式中,h0為豎直運(yùn)動(dòng)的相鄰兩儲(chǔ)藥斗之間的間隙,一般h0≥3mm。

根據(jù)鏈條結(jié)構(gòu)可知H=np(n為單斗對(duì)應(yīng)的鏈節(jié)數(shù))。

儲(chǔ)藥斗高度 h=275mm已知,可求得n≥22,選n=22,鏈條鏈節(jié)總數(shù)為 264。所以H=279.4mm。

(5)θ0 、θ2 分別為

式中,n1為O1、O2之間對(duì)應(yīng)的鏈節(jié)數(shù);n2為O2、O3之間對(duì)應(yīng)的鏈節(jié)數(shù)。

(6)由式(9)和式(10)可以推出

1.24 ≤λ≤3.08

(7)θ1的范圍為

3.1.4 數(shù)學(xué)模型

綜上所述,將變量 x1、x 2和 x3代入式(7)～式(9)、式(11)～式(13),則基于儲(chǔ)藥斗運(yùn)動(dòng)不干涉條件鏈傳動(dòng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型表達(dá)為

當(dāng)0 ≤θ1≤θ0時(shí),由式(2)得

當(dāng) θ0 ＜θ1 ≤θ0+θ2時(shí),由式(3)得

當(dāng)θ0+θ2＜θ1≤π時(shí),由式(4)得

g4(x)=-ΔX3,g5(x)=ΔX3-420,g6(x)=275-ΔY3

當(dāng) π＜θ1≤θ0+(θ2+π)/2時(shí),由式(5)得

g4(x)=-ΔX4,g5(x)=ΔX4-420,g6(x)=275-ΔY4

當(dāng) π ＜θ1≤2θ0+θ2時(shí) ,由式(6)得

3.2 MATLAB優(yōu)化求解

由數(shù)學(xué)模型可以看出,該優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于有約束非線性優(yōu)化問題。求解約束非線性優(yōu)化問題的MATLAB函數(shù)是fmincons[5]。

MATLAB程序計(jì)算結(jié)果如下：

λ=1.7609,r=113mm,Lmin=312mm

由r值及式(10)可計(jì)算出z=55.88。因鏈輪齒數(shù)為離散變量,須對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整,選擇z=56,則 d=p/sin(180°/z)=226.5mm,即r=113.25mm。

由L=c+r可取c=199.5mm,則儲(chǔ)藥斗回轉(zhuǎn)半徑L=312.75mm,優(yōu)化設(shè)計(jì)完成。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果鏈條節(jié)距為12.7mm,支撐桿水平外伸量為199.5mm,每個(gè)儲(chǔ)藥斗對(duì)應(yīng)鏈節(jié)數(shù)為 22,鏈節(jié)總數(shù)為 264,節(jié)圓直徑為226.5mm,鏈輪齒數(shù)為 56,計(jì)算鏈條長(zhǎng)度為3352.8mm,理論中心距為1320.8mm。

4 平衡桿導(dǎo)軌布局設(shè)計(jì)

通過對(duì)儲(chǔ)藥斗運(yùn)動(dòng)不干涉條件的分析,儲(chǔ)藥斗吊點(diǎn)的運(yùn)行在固定于傳動(dòng)鏈上的支撐桿規(guī)定的軌跡中運(yùn)行,所以儲(chǔ)藥斗吊點(diǎn)在回轉(zhuǎn)曲線部分的運(yùn)行軌跡可以由A1或A2的坐標(biāo)解析解確定。由于單側(cè)的平衡桿與儲(chǔ)藥斗的垂直中心線的角度為30°,所以平衡桿導(dǎo)軌的滾輪中心的坐標(biāo)解析解可由下式求出：

式中,l為平衡桿長(zhǎng)度;X1為儲(chǔ)藥斗吊點(diǎn)x軸坐標(biāo);Y1為儲(chǔ)藥斗吊點(diǎn)y軸坐標(biāo);X為平衡桿滾輪中心x軸坐標(biāo);Y為平衡桿滾輪中心y軸坐標(biāo)。

下面研究單個(gè)儲(chǔ)藥斗在保持水平狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)過程中平衡桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。如圖4所示,當(dāng)儲(chǔ)藥斗吊點(diǎn)由位置1逆時(shí)針運(yùn)行到位置2時(shí),支撐桿1、支撐桿2之間的角平分線與垂直中心線的夾角為30°,且與平衡桿重合,我們把此時(shí)平衡桿導(dǎo)軌的滾輪中心所處位置稱為翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。

圖4 平衡桿滾輪中心翻轉(zhuǎn)點(diǎn)位置示意圖

當(dāng)儲(chǔ)藥斗吊點(diǎn)繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一微小角度由位置2運(yùn)行到位置3時(shí),如圖5所示,我們以儲(chǔ)藥斗吊點(diǎn)為圓心、平衡桿長(zhǎng)度為半徑作一圓,此圓與平衡桿導(dǎo)軌中心線交于兩點(diǎn),分別位于支撐桿1、支撐桿2之間的角平分線兩側(cè)。這表明儲(chǔ)藥斗吊點(diǎn)由翻轉(zhuǎn)點(diǎn)位置繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),平衡桿運(yùn)動(dòng)存在兩種可能：如果平衡桿向角平分線左方運(yùn)動(dòng),則儲(chǔ)藥斗保持水平狀態(tài),如圖5中虛線所示;如果平衡桿向角平分線右方運(yùn)動(dòng),則儲(chǔ)藥斗發(fā)生翻轉(zhuǎn),無(wú)法保持水平狀態(tài),如圖5中實(shí)線所示。由于平衡桿導(dǎo)軌與平衡桿滾輪存在摩擦力,致使平衡桿向角平分線右方運(yùn)動(dòng),儲(chǔ)藥斗發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

為了使儲(chǔ)藥斗順利地通過翻轉(zhuǎn)點(diǎn)并保持水平狀態(tài),必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?這里采用將右側(cè)平衡桿與垂直中心線保持30°、左側(cè)平衡桿與垂直中心線保持-30°,從而使左右側(cè)平衡桿導(dǎo)軌中心線對(duì)稱于兩鏈輪中心連線,如圖6所示。

圖5 儲(chǔ)藥斗翻轉(zhuǎn)示意圖

圖6 右側(cè)平衡桿通過翻轉(zhuǎn)點(diǎn)示意圖

當(dāng)右側(cè)平衡桿經(jīng)過翻轉(zhuǎn)點(diǎn)位置時(shí),右側(cè)平衡桿在左側(cè)平衡桿帶動(dòng)下克服右側(cè)平衡桿導(dǎo)軌與右側(cè)平衡桿滾輪之間摩擦力,保持與左側(cè)平衡桿同步,從而使儲(chǔ)藥斗順利地通過翻轉(zhuǎn)點(diǎn)并保持水平狀態(tài),反之亦然。

由圖7可以看出,當(dāng)左右兩側(cè)平衡桿分別與垂直中心線保持-30°、30°時(shí),左右兩側(cè)平衡桿滾輪中心共有4個(gè)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)位置,由于平衡桿導(dǎo)軌偏中心對(duì)稱布置,故當(dāng)一側(cè)平衡桿滾輪中心經(jīng)過翻轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí),同一儲(chǔ)藥斗上另一側(cè)平衡桿滾輪中心已錯(cuò)開翻轉(zhuǎn)點(diǎn),從而使兩側(cè)平衡桿保持同步并順利通過翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。

圖7 左右兩側(cè)平衡桿滾輪中心翻轉(zhuǎn)點(diǎn)位置示意圖

5 基于UG和ADAMS的運(yùn)動(dòng)仿真分析

根據(jù)鏈傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,利用UG/Model建立鏈輪、鏈條、儲(chǔ)藥斗及支撐桿等模型,建立如圖8所示的儲(chǔ)藥斗運(yùn)動(dòng)分析實(shí)體模型。模型由兩側(cè)鏈輪、兩側(cè)鏈條(各由44個(gè)鏈節(jié)組成)、4組支撐桿、2個(gè)儲(chǔ)藥斗組成。

圖8 鏈傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)分析實(shí)體模型

因?yàn)楸竟?jié)重點(diǎn)研究?jī)?chǔ)藥斗不發(fā)生干涉的情況,所以只要求鏈輪鏈條有嚙合運(yùn)動(dòng)即可,而不必讓系統(tǒng)做周期運(yùn)動(dòng),這并不影響對(duì)儲(chǔ)藥斗不干涉情況的研究。

在UG/Model模塊中完成各個(gè)零件的建模且裝配完畢后。進(jìn)入 UG/Motion模塊,把每一個(gè)零件定義為一個(gè)連桿,共100個(gè)連桿,為了方便以后加約束,從第1個(gè)鏈節(jié)開始在內(nèi)外鏈節(jié)裝配面的兩圓心處定義標(biāo)記點(diǎn)A001、A002,其Z軸垂直于裝配面指向外。在第2個(gè)鏈節(jié)的裝配面的兩圓心處定義標(biāo)記點(diǎn)A003、A004,依此類推,可以得到176個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。然后把鏈傳動(dòng)模型導(dǎo)入到ADAMS中。

由于鏈節(jié)數(shù)太多,逐個(gè)添加旋轉(zhuǎn)副和接觸副不太現(xiàn)實(shí),因此編寫宏命令來完成。宏命令是ADAMS/View的命令集,它可用來執(zhí)行一連串的命令,通過使用條件循環(huán)命令,可以完成重復(fù)性操作。用宏MACRO_1創(chuàng)建鏈節(jié)之間旋轉(zhuǎn)副和摩擦[6]。

同理,用宏MACRO_2創(chuàng)建鏈節(jié)和約束線之間的88個(gè)點(diǎn)線約束副,保證鏈條按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng),為保證儲(chǔ)藥斗在運(yùn)動(dòng)過程中保持水平,需添加儲(chǔ)藥斗與大地之間的2個(gè)垂直副,同時(shí),建立支撐桿與鏈節(jié)、儲(chǔ)藥斗之間的14個(gè)旋轉(zhuǎn)副,鏈輪與大地之間的2個(gè)旋轉(zhuǎn)副,約束線與大地之間的2個(gè)固定副,鏈節(jié)與大地之間的2個(gè)平面副,合計(jì)196個(gè)約束副。以上設(shè)置見圖9。

對(duì)鏈輪與大地之間的旋轉(zhuǎn)副施加運(yùn)動(dòng),設(shè)置仿真運(yùn)行參數(shù),仿真時(shí)間設(shè)為 8.43s,幀數(shù)為1000。仿真運(yùn)行從第1幀到第1000幀,兩儲(chǔ)藥斗在運(yùn)動(dòng)仿真過程8個(gè)階段全部按預(yù)定軌跡從右側(cè)運(yùn)動(dòng)到左側(cè),直至仿真過程結(jié)束,無(wú)干涉現(xiàn)象發(fā)生。

圖9 儲(chǔ)藥斗運(yùn)動(dòng)分析仿真模型

根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真干涉檢查結(jié)果可知,基于儲(chǔ)藥斗運(yùn)動(dòng)不干涉條件的鏈傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果(儲(chǔ)藥斗回轉(zhuǎn)半徑 L=312.75mm,支撐桿水平外伸量c=199.5mm)可行,優(yōu)化設(shè)計(jì)成功。

6 結(jié)論

分析了立式回轉(zhuǎn)藥柜鏈傳動(dòng)工作原理,建立了儲(chǔ)藥斗運(yùn)動(dòng)不干涉條件,利用MATLAB對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,給出了平衡桿導(dǎo)軌的合理布局方式,最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)儲(chǔ)藥斗進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。目前立式回轉(zhuǎn)藥柜已投入運(yùn)行,系統(tǒng)各部分運(yùn)行正常,運(yùn)行狀態(tài)良好,達(dá)到了預(yù)期目的。證明上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確可行。

[1] 劉文亮.基于SolidWorks的數(shù)控回轉(zhuǎn)立體庫(kù)的自動(dòng)設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2005.

[2] 郭鵬.基于CAE的垂直循環(huán)立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2007.

[3] 鄭志峰.鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[4] 王吉忠.垂直循環(huán)停車設(shè)備托架運(yùn)動(dòng)不干涉條件[J].機(jī)械,2005,32(3)：22-23.

[5] 蘇金明,張蓮花,劉波.M ATLAB工具箱應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[6] 李軍,刑俊文,覃文浩.ADAMS實(shí)例教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2002.