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        電動(dòng)平臺(tái)車調(diào)平系統(tǒng)優(yōu)化研究

        2020-06-20 03:35:20唐火紅
        機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2020年6期
        關(guān)鍵詞:吊籃調(diào)平臂架

        唐火紅,王 鑫,欒 鑄

        (合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

        1 引言

        電動(dòng)平臺(tái)車廣泛應(yīng)用于建筑、消防、檢修等領(lǐng)域,其調(diào)平系統(tǒng)直接影響整機(jī)的工作性能[1-2]。目前常見的調(diào)平系統(tǒng)包括自重調(diào)平系統(tǒng)、平行四連桿調(diào)平系統(tǒng)、靜液壓調(diào)平系統(tǒng)以及電液調(diào)平系統(tǒng)[3-4]。

        這里研究的電動(dòng)平臺(tái)車作為飛機(jī)機(jī)翼無損檢測(cè)設(shè)備的搭載平臺(tái),對(duì)調(diào)平系統(tǒng)的調(diào)平精度有較高要求。它采用靜液壓調(diào)平系統(tǒng),該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低并且不易受外在系統(tǒng)干擾,在一次調(diào)平過程中,油液溫度和壓力的變化對(duì)調(diào)平精度影響小[5-6]。文章首先分析影響靜液壓調(diào)平系統(tǒng)調(diào)平精度的主要因素,然后運(yùn)用ADAMS軟件建立靜液壓調(diào)平系統(tǒng)的參數(shù)化模型,以調(diào)平誤差的最小作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)該調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到新的鉸點(diǎn)位置參數(shù)。根據(jù)該位置參數(shù)設(shè)計(jì)樣機(jī)的調(diào)平系統(tǒng),并對(duì)樣機(jī)調(diào)平誤差進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,樣機(jī)具備較高的調(diào)平精度,該優(yōu)化方法能夠?yàn)殪o液壓調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

        2 靜液壓調(diào)平系統(tǒng)調(diào)平機(jī)理分析

        研究的電動(dòng)平臺(tái)車靜液壓調(diào)平系統(tǒng),主要由臂架、平衡油缸、調(diào)平油缸和吊籃平臺(tái)構(gòu)成,如圖1所示。靜液壓調(diào)平系統(tǒng)采用油液體積不變?cè)?,由兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的平衡油缸和調(diào)平油缸組成一個(gè)封閉的自動(dòng)調(diào)平回路,平衡油缸伸出(縮回)的長(zhǎng)度等于調(diào)平油缸縮回(伸出)的長(zhǎng)度,通過兩個(gè)油缸的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)平[7-8]。與立柱總成相連的平衡油缸為主動(dòng)油缸,其與立柱總成鉸接點(diǎn)為B點(diǎn),與臂架鉸接點(diǎn)為C點(diǎn),臂架與立柱總成的鉸接點(diǎn)為A點(diǎn),A、B、C三點(diǎn)組成一個(gè)三角形,其中AB與AC兩條邊長(zhǎng)度固定,在臂架變幅過程中,平衡油缸伸出或縮回,BC長(zhǎng)度變長(zhǎng)或縮短。與吊籃平臺(tái)相連的調(diào)平油缸為被動(dòng)油缸,其與吊籃平臺(tái)鉸接點(diǎn)為F點(diǎn),與臂架鉸接點(diǎn)為E點(diǎn),臂架與吊籃平臺(tái)的鉸接點(diǎn)為D點(diǎn),D、E、F三點(diǎn)組成另外一個(gè)三角形,DE和DF兩條邊長(zhǎng)度固定,隨著臂架的變幅,調(diào)平油缸縮回或伸出,改變吊籃平臺(tái)與地面的夾角,從而保證水平。

        圖1 電動(dòng)平臺(tái)車靜液壓調(diào)平系統(tǒng)示意圖Fig.1 The Static Hydraulic Leveling System of Electric Platform

        根據(jù)圖1中的臂架變幅過程,分析該系統(tǒng)的調(diào)平機(jī)理。臂架向上變幅時(shí),平衡油缸伸出,油缸與臂架的鉸接點(diǎn)C繞著B點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到C′點(diǎn),臂架仰起的角度為∠CAC′,此時(shí),平衡油缸有桿腔中的油液被壓出,經(jīng)過管路,流入調(diào)平油缸的有桿腔,調(diào)平油缸收縮,油缸與吊籃平臺(tái)的鉸接點(diǎn)F繞著E點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到F′點(diǎn),吊籃平臺(tái)下落的角度為∠FDF′。將∠CAC′稱為臂架變幅角,∠FDF′稱為吊籃平臺(tái)調(diào)平角,如圖2所示。

        圖2 變幅角與調(diào)平角Fig.2 Luffing Angle and Leveling Angle

        當(dāng)變幅角與調(diào)平角相等,即∠CAC′=∠FDF′時(shí),吊籃平臺(tái)水平,∠CAC′為∠BAC′與∠BAC的差值,令∠BAC′=θ1(t),則∠BAC=θ1(0),∠CAC′=Δθ1(t)=θ1(t)-θ1(0),∠FDF′為∠ΕDF與∠ΕDF′的差值,令∠ΕDF′=θ2(t),則∠ΕDF=θ2(0),∠FDF′=Δθ2(t)=θ2(0)-θ2(t)。設(shè)平衡油缸伸縮速度為v,其由臂架變幅速度決定,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,選取v=5mm/s,另外,BC為平衡油缸收縮時(shí)的長(zhǎng)度,EF為臂架最大變幅時(shí),調(diào)平油缸伸出時(shí)的長(zhǎng)度。則有如下表達(dá)式:

        通過以上對(duì)調(diào)平機(jī)理的分析,吊籃平臺(tái)的調(diào)平誤差即為變幅角與調(diào)平角的差值,該差值用 Δθ(t)表示,Δθ(t)越小即表明調(diào)平精度越高,當(dāng) Δθ(t)=0 時(shí),該吊籃平臺(tái)水平。Δθ(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

        由該表達(dá)式可知,調(diào)平誤差Δθ(t)的大小會(huì)隨著臂架的變幅發(fā)生變化。在油缸伸縮速度一定的情況下,其大小與AB、AC、DE、DF長(zhǎng)度有關(guān),即與調(diào)平系統(tǒng)中各鉸接點(diǎn)的位置布置有關(guān)。

        3 基于ADAMS的參數(shù)化建模及仿真優(yōu)化

        運(yùn)用ADAMS的參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析功能[9]建立靜液壓調(diào)平系統(tǒng)參數(shù)化模型,對(duì)各鉸接點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),通過合理布置各鉸接點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)調(diào)平誤差的最小。

        3.1 參數(shù)化建模

        為減少設(shè)計(jì)變量,選取AB=DE,令A(yù)點(diǎn)與D點(diǎn)重合,B點(diǎn)與E點(diǎn)重合,并將A點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn),則A、B、C三點(diǎn)代表與平衡油缸有關(guān)的三個(gè)鉸接點(diǎn),A、B、F三點(diǎn)代表與調(diào)平油缸有關(guān)的三個(gè)鉸接點(diǎn)。定義B點(diǎn)坐標(biāo)為(DV_1,-DV_1),C點(diǎn)坐標(biāo)為(DV_2x,DV_2y),F(xiàn)點(diǎn)坐標(biāo)為(DV_3x,DV_3y)。根據(jù)油缸選型及設(shè)計(jì)要求可知BC為平衡油缸伸縮時(shí)的最小長(zhǎng)度,BF為調(diào)平油缸伸縮時(shí)的最大長(zhǎng)度,則BC=450mm,BF=600mm,C點(diǎn)橫坐標(biāo)DV_2x可表示為DV_2y、DV_1的函數(shù),其表達(dá)式為:

        D點(diǎn)橫坐標(biāo)DV_3x可表示為DV_3y、DV_1的函數(shù),其表達(dá)為:

        使用目前靜液壓調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的試湊方法,確定各鉸接點(diǎn)的位置參數(shù),如表1所示。

        表1 優(yōu)化前各鉸接點(diǎn)位置參數(shù)Tab.1 Position of Each Hinge Point Before Optimization

        圖3 調(diào)平系統(tǒng)參數(shù)化模型Fig.3 Parameterized Model of Leveling System

        根據(jù)表1中參數(shù),建立靜液壓調(diào)平系統(tǒng)參數(shù)化模型,如圖3所示。在該調(diào)平系統(tǒng)參數(shù)化模型中,構(gòu)件BC代表平衡油缸,其由缸體和活塞桿構(gòu)成。將缸體和活塞桿之間的移動(dòng)副約束添加在B點(diǎn)上,移動(dòng)副方向設(shè)置為ORI_ALONG_AXIS(POINT_B,POINT_C,‘Z’)。構(gòu)件BF代表調(diào)平油缸,其缸體與活塞桿之間的移動(dòng)副建立過程與構(gòu)件BC中建立過程相似。在移動(dòng)副約束添加完成后,給兩個(gè)移動(dòng)副添加驅(qū)動(dòng),根據(jù)油缸實(shí)際伸縮速度,平衡油缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為v=5mm/s,調(diào)平油缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為v=-5mm/s,保證平衡油缸伸出長(zhǎng)度等于調(diào)平油缸收縮長(zhǎng)度,模擬實(shí)際油缸伸縮及系統(tǒng)調(diào)平過程。

        3.2 定義約束

        根據(jù)電動(dòng)平臺(tái)車的結(jié)構(gòu)和空間限制要求,確定設(shè)計(jì)變量的變化范圍為:

        160mm≤DV_1≤220mm

        -200mm≤DV_2y≤-150mm

        220mm≤DV_3y≤260mm

        由電動(dòng)平臺(tái)車的變幅動(dòng)作要求可知,C點(diǎn)需要位于AB構(gòu)件右側(cè),故滿足:

        3.3 調(diào)平系統(tǒng)仿真

        在完成靜液壓調(diào)平系統(tǒng)參數(shù)化建模后,根據(jù)式(5)創(chuàng)建輸出函數(shù)Δθ(t),其中,θ1(t)、θ1(0)、θ2(t)、θ2(0)為ADAMS中建立的四個(gè)測(cè)量函數(shù)。對(duì)采用試湊方法設(shè)計(jì)的靜液壓調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行仿真,得到其調(diào)平誤差Δθ(t)的變化幅度較大,調(diào)平誤差最大值為1.41°。

        3.4 調(diào)平系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        優(yōu)化分析是ADAMS提供的一種高級(jí)參數(shù)化計(jì)算、分析工具,在設(shè)定的變化范圍內(nèi),通過分析程序自動(dòng)地調(diào)整設(shè)計(jì)變量,求取系統(tǒng)鉸接點(diǎn)的最佳布置位置[10]。

        基于ADAMS的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須給定設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及設(shè)計(jì)變量。由于之前已建立了參數(shù)化模型并定義了約束,因而,僅需將輸出函數(shù) Δθ(t)定義為模型的目標(biāo)函數(shù),并以 Δθ(t)最小作為模型的優(yōu)化目標(biāo),即可對(duì)調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        為了加速優(yōu)化過程,減少仿真過程中的迭代次數(shù),首先利用ADAMS中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)功能,對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)變量逐一進(jìn)行優(yōu)化分析,找出設(shè)計(jì)變量中比較好的初始值,然后再進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。調(diào)平誤差Δθ(t)在每次迭代過程中隨時(shí)間變化的曲線,如圖4所示。由圖中可知,經(jīng)過優(yōu)化,調(diào)平誤差Δθ(t)的最大值達(dá)到最小為0.36°,比優(yōu)化前減少了1.05°,另外,在臂架變幅過程中調(diào)平誤差變化幅度減小。該調(diào)平系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化后的各鉸接點(diǎn)位置參數(shù),如表2所示。選取經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的各鉸接點(diǎn)位置參數(shù),對(duì)調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行仿真,將調(diào)平誤差隨時(shí)間的變化曲線與臂架變幅角度隨時(shí)間的變化曲線導(dǎo)出,從而得到調(diào)平誤差與臂架變幅角度的關(guān)系,以方便后期同樣機(jī)的調(diào)平誤差測(cè)試結(jié)果對(duì)比,論證該仿真模型建立的正確性及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的合理性。

        表2 優(yōu)化后各鉸接點(diǎn)位置參數(shù)Tab.2 Position of Each Hinge Point After Optimization

        圖4 優(yōu)化過程中調(diào)平誤差隨時(shí)間變化曲線Fig.4 The Curve of Leveling Error with Time in the Process of Optimization

        4 樣機(jī)試驗(yàn)與對(duì)比分析

        根據(jù)ADAMS優(yōu)化得到的各鉸點(diǎn)位置參數(shù),設(shè)計(jì)電動(dòng)平臺(tái)車調(diào)平系統(tǒng),并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)量吊籃平臺(tái)的調(diào)平誤差,將試驗(yàn)結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果對(duì)比。

        以電動(dòng)平臺(tái)車樣機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象,測(cè)量吊籃平臺(tái)的調(diào)平誤差,測(cè)量系統(tǒng)包括傳感系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)。將角度傳感器安裝于臂架上,用以測(cè)量當(dāng)前臂架角度,將傾角傳感器安裝于吊籃平臺(tái)上,用來測(cè)量吊籃平臺(tái)的傾角,所測(cè)平臺(tái)的傾角即為調(diào)平誤差。由于測(cè)量過程中臂架變幅運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的,因此試驗(yàn)采用隨機(jī)取點(diǎn)的方法來獲得每個(gè)采樣點(diǎn)的臂架角度及吊籃平臺(tái)傾角,該電動(dòng)平臺(tái)車樣機(jī)的試驗(yàn)測(cè)試過程,如圖5所示。在本次試驗(yàn)中,臂架按(0~50)°變幅,50°為樣機(jī)的最大變幅角。試驗(yàn)最終測(cè)得20組數(shù)據(jù),利用MATLAB繪制試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線,并將仿真得到的調(diào)平誤差隨臂架變幅角度的變化關(guān)系與該擬合曲線對(duì)比,對(duì)比圖,如圖6所示。兩條曲線具有相似的變化趨勢(shì),并且仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間誤差較小,最大誤差為0.03°,最大誤差百分比為17.1%。初步推測(cè)導(dǎo)致該誤差的主要原因有:(1)平衡油缸的伸出速度與調(diào)平油缸的收縮速度不完全一致,調(diào)平過程存在滯后。(2)零件的生產(chǎn)加工和裝配存在誤差。

        圖5 電動(dòng)平臺(tái)車樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試過程Fig.5 Testing Process of Electric Platform

        圖6 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比曲線Fig.6 Contrast Curve Between Test Results and Simulation Results

        5 結(jié)論

        以電動(dòng)平臺(tái)車靜液壓調(diào)平系統(tǒng)作為研究對(duì)象,經(jīng)過理論分析,推導(dǎo)出影響其調(diào)平精度的主要因素為調(diào)平系統(tǒng)中各鉸接點(diǎn)的位置。運(yùn)用ADAMS建立調(diào)平系統(tǒng)的參數(shù)化模型,以調(diào)平誤差Δθ(t)的最小作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)各鉸接點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),經(jīng)過優(yōu)化,調(diào)平誤差曲線得到顯著改善,調(diào)平精度提高。

        根據(jù)仿真優(yōu)化得到的各鉸點(diǎn)位置,設(shè)計(jì)電動(dòng)平臺(tái)車樣機(jī)的調(diào)平系統(tǒng),并對(duì)樣機(jī)調(diào)平誤差進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,該調(diào)平系統(tǒng)具備較高的調(diào)平精度,樣機(jī)的實(shí)際調(diào)平誤差與優(yōu)化后仿真得到的系統(tǒng)調(diào)平誤差之間相差較小,驗(yàn)證了基于ADAMS的靜液壓調(diào)平系統(tǒng)參數(shù)化建模的正確性及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的合理性,該優(yōu)化方法便于理解,設(shè)計(jì)變量易于修改,并且優(yōu)化結(jié)果較直觀,可為靜液壓調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐,也可用于類似鉸點(diǎn)問題的優(yōu)化。

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