李奉順 陸榮鑑 張建紅

摘 要：通常在航空航天平臺中，平臺的整體結構與各種部件的連接通過翻轉機構實現(xiàn)，其中最重要的是外艙板的驅動系統(tǒng)。本文將外艙板翻轉機構的驅動力作為設計與研究對象，在該研究對象的基礎上加載不同的負載，通過仿真分析和理論分析，得出了驅動系統(tǒng)安裝位置和驅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，將驅動系統(tǒng)的安裝位置作為一個獨立變量，并將翻轉機構所需驅動力的最小值作為目標函數(shù)，在此基礎上，對驅動系統(tǒng)進行了優(yōu)化仿真分析。

關鍵詞：翻轉機構;優(yōu)化設計;仿真設計;Adams

0 引言

翻轉機構是一種典型的機械結構，廣泛應用于航空航天、汽車、工程機械等場合。[1]然而，傳統(tǒng)的翻轉機構的研究和設計一般注重翻轉機構在各種場合的實際應用及其機械結構。本文將重點研究翻轉機構輸出驅動力的最優(yōu)解?；诜D機構的實際應用，對翻轉機構系統(tǒng)中的各種數(shù)值及對應方向進行了理論分析，并與軟件模擬的理論分析結果進行了比較。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)學模型并求解相應的二元函數(shù)。在分析結果的基礎上，以翻轉機構的驅動力作為因變量，研究了不同相關變量對驅動力的影響，得到了二元函數(shù)的最優(yōu)解，并在實際應用中得到了驅動力的最優(yōu)配置，為翻轉機構的研究和設計提供了新的思路。

所用軟件為Adams軟件，即機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件，是一款專門應用于機械產品虛擬樣機開發(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)、運動學和動力學。[2]

1 本課題研究的問題

1.1 研究問題

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

1.2 問題分析

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

2 翻轉機構動力學模型建立

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化為數(shù)學問題。本題根據(jù)以上分析，可由翻轉機構的運動簡圖和題目要求把翻轉機構抽象為一個保持架，一對滑動運動桿，三個固定鉸鏈A、B、C，一個滑動副T。設計變量分別為DV_LAB，DV_Xc，DV_Yc。

2.2 翻轉機構參數(shù)化建模

首先設置模型名稱、重力、單位及工作路徑;創(chuàng)建設計變量，根據(jù)設計的初始值創(chuàng)建設計變量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，并將其坐標關聯(lián)到設計變量;創(chuàng)建構件1和構件2。

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

3 翻轉機構運動仿真分析

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

4 翻轉機構優(yōu)化設計

4.1 設計變量研究

分析設計變量對設計目標的影響，共有三個設計變量DV_LAB，DV_Xc，DV_Yc。它們取值范圍的變化對運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，進而在機構的優(yōu)化設計中依據(jù)影響度大小來選擇優(yōu)化設置。

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

然后再判斷三個變量對設計目標的綜合影響程度。根據(jù)對設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，驅動力是迅速變大然后逐漸減小的。驅動力取最優(yōu)值時B點位置應該在保持架中間偏后部位。

4.2 優(yōu)化設計

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

（2）設置約束條件。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、設計變量以及約束條件，仿真運算。仿真運算結果如圖1所示。

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

5 結語

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

參考文獻：

[1] 張春林.機械創(chuàng)新設計[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計[J].林產工業(yè)，2016，43（09）：41-45.

[4] 郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術與Adams應用實例教程[M].北京航空航天大學出版社，2008：297-299.

[5] 郭衛(wèi)東，黃斌，沙佳杰，韓先國.翻轉機構驅動力的優(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)設計[J].測控技術，2018，37（12）：12-16.

[8] 郭衛(wèi)東，李守忠，馬璐. AMAMS應用實例精講教程[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