李奉順 陸榮鑑 張建紅

摘 要：通常在航空航天平臺中，平臺的整體結(jié)構(gòu)與各種部件的連接通過翻轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)，其中最重要的是外艙板的驅(qū)動系統(tǒng)。本文將外艙板翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動力作為設(shè)計與研究對象，在該研究對象的基礎(chǔ)上加載不同的負載，通過仿真分析和理論分析，得出了驅(qū)動系統(tǒng)安裝位置和驅(qū)動力的最佳解決方案。為得到最優(yōu)解，通過Adams的優(yōu)化分析功能，將驅(qū)動系統(tǒng)的安裝位置作為一個獨立變量，并將翻轉(zhuǎn)機構(gòu)所需驅(qū)動力的最小值作為目標函數(shù)，在此基礎(chǔ)上，對驅(qū)動系統(tǒng)進行了優(yōu)化仿真分析。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)機構(gòu);優(yōu)化設(shè)計;仿真設(shè)計;Adams

0 引言

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)是一種典型的機械結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、工程機械等場合。[1]然而，傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的研究和設(shè)計一般注重翻轉(zhuǎn)機構(gòu)在各種場合的實際應(yīng)用及其機械結(jié)構(gòu)。本文將重點研究翻轉(zhuǎn)機構(gòu)輸出驅(qū)動力的最優(yōu)解?；诜D(zhuǎn)機構(gòu)的實際應(yīng)用，對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)系統(tǒng)中的各種數(shù)值及對應(yīng)方向進行了理論分析，并與軟件模擬的理論分析結(jié)果進行了比較。研究過程中出現(xiàn)了許多變量，在這種情況下，本文所使用的方法是分析實際系統(tǒng)并取出所需要的變量，建立數(shù)學(xué)模型并求解相應(yīng)的二元函數(shù)。在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，以翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動力作為因變量，研究了不同相關(guān)變量對驅(qū)動力的影響，得到了二元函數(shù)的最優(yōu)解，并在實際應(yīng)用中得到了驅(qū)動力的最優(yōu)配置，為翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的研究和設(shè)計提供了新的思路。

所用軟件為Adams軟件，即機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件，是一款專門應(yīng)用于機械產(chǎn)品虛擬樣機開發(fā)方面的分析軟件，主要功能是分析虛擬機械系統(tǒng)的靜態(tài)、運動學(xué)和動力學(xué)。[2]

1 本課題研究的問題

1.1 研究問題

優(yōu)化設(shè)計某型翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，以外艙板翻轉(zhuǎn)機構(gòu)模型為例。為表述清楚，可將翻轉(zhuǎn)機構(gòu)用運動簡圖表示，對外艙板翻轉(zhuǎn)機構(gòu)運動簡圖進行運動分析。

1.2 問題分析

在本次研究中，設(shè)計變量是翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的安裝位置，目標函數(shù)是外門轉(zhuǎn)動機構(gòu)所需的最小驅(qū)動力。針對實際翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動力及其在空間機械系統(tǒng)中的運動設(shè)計問題，通過Adams仿真研究了設(shè)計方案的準確性和可行性。通過仿真得到翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動力變換情況，并在此基礎(chǔ)上得出設(shè)計變量與設(shè)計目標的數(shù)學(xué)關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計，找出最優(yōu)解。[3]

2 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)動力學(xué)模型建立

2.1 模型建立的基本要求

在建立模型之前首先要把模型參數(shù)化，即把實際問題抽象轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題。本題根據(jù)以上分析，可由翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的運動簡圖和題目要求把翻轉(zhuǎn)機構(gòu)抽象為一個保持架，一對滑動運動桿，三個固定鉸鏈A、B、C，一個滑動副T。設(shè)計變量分別為DV_LAB，DV_Xc，DV_Yc。

2.2 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)參數(shù)化建模

首先設(shè)置模型名稱、重力、單位及工作路徑;創(chuàng)建設(shè)計變量，根據(jù)設(shè)計的初始值創(chuàng)建設(shè)計變量DV_LAB，DV_Xc，DV_Yc;創(chuàng)建保持架;創(chuàng)建B、C點分別位于ground和保持架上，并將其坐標關(guān)聯(lián)到設(shè)計變量;創(chuàng)建構(gòu)件1和構(gòu)件2。

建立運動副，分別為轉(zhuǎn)動副JOINT_A，JOINT_B，JOINT_C，移動副JOINT_T，關(guān)聯(lián)移動副方向為B、C點指向。在質(zhì)心位置添加載荷4970N和運動速度100mm/s。

3 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)運動仿真分析

添加角度測量和仿真，同時添加傳感器，設(shè)置傳感器范圍為0°～90°，當(dāng)傳感器運動到90°時自動停止。設(shè)置步數(shù)為100，終止時間10s，運動仿真。根據(jù)仿真報告，可見翻轉(zhuǎn)機構(gòu)運動正常，結(jié)構(gòu)無干涉，模型建立有效。

4 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4.1 設(shè)計變量研究

分析設(shè)計變量對設(shè)計目標的影響，共有三個設(shè)計變量DV_LAB，DV_Xc，DV_Yc。它們?nèi)≈捣秶淖兓瘜\動作用力的影響有所不同，為了判斷每個變量對目標的影響程度，進而在機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中依據(jù)影響度大小來選擇優(yōu)化設(shè)置。

首先分別判斷單個變量對設(shè)計目標的影響。設(shè)計變量“DV_LAB”對設(shè)計目標的影響程度最大，“DV_Xc”的影響程度次之，而“DV_Xc”對設(shè)計目標值幾乎沒有影響。

然后再判斷三個變量對設(shè)計目標的綜合影響程度。根據(jù)對設(shè)計目標的綜合影響程度分析，可知隨著迭代次數(shù)增長，LAB距離變大，驅(qū)動力是迅速變大然后逐漸減小的。驅(qū)動力取最優(yōu)值時B點位置應(yīng)該在保持架中間偏后部位。

4.2 優(yōu)化設(shè)計

（1）創(chuàng)建優(yōu)化設(shè)計目標。以外艙板翻轉(zhuǎn)機構(gòu)在翻轉(zhuǎn)過程中所需的最大驅(qū)動力中的最小值為設(shè)計目標，創(chuàng)建優(yōu)化設(shè)計目標為MOTION_1_MEA_Force的最大值。

（2）設(shè)置約束條件。在保持架上創(chuàng)建一個標記點MAEKER_17，測量此點至B點的距離變化。約束條件設(shè)置好之后首先要評估約束條件，只要評估值大于等于0，則約束條件成立。

（3）優(yōu)化仿真分析。分別輸入研究目標、設(shè)計變量以及約束條件，仿真運算。仿真運算結(jié)果如圖1所示。

綜合分析報告的數(shù)據(jù)以及圖表，可見設(shè)計目標“MOTION_1_MEA_Force”的值由21261N逐漸減小，驅(qū)動力最優(yōu)值為10667N，對應(yīng)的LAB最優(yōu)值為1800mm，驅(qū)動力降低了49.83%，優(yōu)化效果顯著。

5 結(jié)語

本文以驅(qū)動力的最優(yōu)解為研究重點，對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動力設(shè)計進行了深入的分析，通過Adams仿真運算，得出翻轉(zhuǎn)機構(gòu)所需要的外部驅(qū)動的各種相關(guān)參數(shù)，根據(jù)實際設(shè)計要求，以翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的仿真設(shè)計為重點，并將仿真結(jié)果與實際系統(tǒng)進行了比較，對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的參數(shù)進行了優(yōu)化，使設(shè)計的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)更加合理、高效，為其他類似機構(gòu)的設(shè)計提供了參考。

參考文獻：

[1] 張春林.機械創(chuàng)新設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2] 楊葉，郁舒蘭.家具制造企業(yè)實施PLM的必要性及策略分析[J].家具，2017，38（01）：1-4.

[3] 翟菲菲，劉英，楊雨圖，房友盼，於亞斌.基于PLC與組態(tài)王的實木板材雙面檢測裝置的總體設(shè)計[J].林產(chǎn)工業(yè)，2016，43（09）：41-45.

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[5] 郭衛(wèi)東，黃斌，沙佳杰，韓先國.翻轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動力的優(yōu)化及Adams仿真驗證[J].計算機輔助工程，2013，22（S1）：298-302.

[6] 李增剛. ADAMS入門詳解與實例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[7] 周海燕，陳旻鵬，徐兆軍，鄭梅生.三螺桿泵壽命試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計[J].測控技術(shù)，2018，37（12）：12-16.

[8] 郭衛(wèi)東，李守忠，馬璐. AMAMS應(yīng)用實例精講教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

作者簡介：李奉順（1996—），男，研究生在讀，主要從事機電一體化、工業(yè)控制系統(tǒng)方向的研究。

通信作者：陸榮鑑（1964—），男，研究生，講師，主要從事機電一體化、工業(yè)控制系統(tǒng)方向的研究。

聯(lián)系人：李奉順