桑錦凱　徐世?！∪~圣義

摘要：對剪式升降平臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要分析，利用CAD軟件繪制了升降平臺的模型圖紙，利用ADAMS軟件進(jìn)行了平臺建模及仿真，并對平臺連桿進(jìn)行了受力分析，在此基礎(chǔ)上，對連桿進(jìn)行了優(yōu)化，同時通過在平臺上增加梯形槽降低了平臺的總重量。

關(guān)鍵詞：虛擬樣機;剪式升降平臺;建模;仿真;PROE;ADAMS

0 引言

虛擬樣機技術(shù)是當(dāng)前設(shè)計制造領(lǐng)域的一門新技術(shù)，可應(yīng)用于汽車制造、工程機械、航空航天、通用機械等諸多領(lǐng)域。虛擬樣機技術(shù)在工程咨詢方面具有很高的應(yīng)用價值，可為產(chǎn)品研發(fā)提供預(yù)測試功能。

虛擬樣機技術(shù)又被稱為動態(tài)仿真技術(shù)，是指產(chǎn)品在研發(fā)制造過程中，利用計算機對產(chǎn)品的各個零件進(jìn)行虛擬建模，并在計算機中完成組裝，為產(chǎn)品添加相應(yīng)的現(xiàn)實工作狀況的模擬條件，最后利用計算機的運算能力推測出產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而實現(xiàn)改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計，提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 剪式升降平臺的結(jié)構(gòu)分析

剪式升降平臺一般由平臺、升降機構(gòu)和底座3個部分構(gòu)成。雙向絲杠的剪式升降平臺的連桿數(shù)目和絲桿螺距決定了平臺升降的高度和速度。其中，自行式平臺底座的設(shè)計最為精密緊湊，在研制自行式平臺的剪式起升零部件時，涉及起升油缸與平臺底座內(nèi)各零部件的幾何關(guān)系，要避免相互干涉，例如當(dāng)剪叉臂桿處于初始狀態(tài)時，其不可與起升油缸有接觸或互相形成壓力;平臺底座內(nèi)零部件也不可與起升油缸有任何接觸等。

2 剪式升降平臺模型的建立與仿真

2.1? ? 繪制模型圖紙

（1）通過CAD 2007軟件繪制剪式升降平臺的二維裝配圖，如圖1所示。

（2）繪制剪式升降平臺的三維裝配圖：利用PROE軟件描繪該平臺的各個元件圖，并將元件圖組合為三維裝配圖。圖2為PROE軟件繪制的三維剪式升降平臺模型。

2.2? ? 平臺仿真

將剪式升降平臺模型導(dǎo)入ADAMS中，對模型的各個零件進(jìn)行命名并對各個零件添加質(zhì)量。通過軟件分析可知，升降平臺質(zhì)量為3.5 kg，分析平臺各個零件后計算得到升降平臺的總質(zhì)量為8.5 kg。

2.3? ? 約束與驅(qū)動的添加

（1）本次模型設(shè)計主要用到了螺旋副、平移副、點重合副、旋轉(zhuǎn)副和固定副。根據(jù)平臺工作原理，對平臺的各個零件之間添加相應(yīng)約束，例如平臺底座與大地之間添加固定副;連桿與連桿之間添加旋轉(zhuǎn)副，連桿與螺母之間添加點重合副;引導(dǎo)平移副與螺母之間添加移動副。

（2）添加約束后，利用軟件對平臺的自由度進(jìn)行分析可知，平臺自由度為2。

（3）添加驅(qū)動。為了方便分析平臺的運動情況，同時保證平臺不發(fā)生過約束現(xiàn)象，可以將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動等效為滑移驅(qū)動來簡化模型。添加驅(qū)動函數(shù)為位移與時間關(guān)系的函數(shù)（即為滑移驅(qū)動添加速度與時間的函數(shù)關(guān)系）作為動力，以便控制平臺的運動。

3 剪式升降平臺的分析與優(yōu)化

3.1? ? 剪式升降平臺的運動分析

取平臺最高點分析平臺的極限位移。觀察并分析平臺位移坐標(biāo)可知，平臺的極限位移為90～200 mm，符合設(shè)計要求。再對連桿端點的運動速度與時間關(guān)系進(jìn)行分析，水平方向的連桿運動速度Vx基本不變，垂直方向上連桿的運動速度Vv隨時間的增大而減小。由此可知，在水平方向上連桿做勻速運動，而在垂直方向上連桿做變速運動。

觀察并分析平臺垂直方向上的加速度-時間曲線圖可知，平臺在水平方向上勻速運動時，在垂直方向上做變速運動，在平臺上升過程中加速度由高到低變化，在平臺下降過程中加速度由低到高變化。

變速的升降平臺會對平臺產(chǎn)生較大的振動，且不利于平臺高度的調(diào)整，因此，通過改進(jìn)步進(jìn)電機的脈沖頻率，調(diào)整電機不同時刻的轉(zhuǎn)速，可使平臺達(dá)到勻速運行的目的。

3.2? ? 連桿的受力分析

取連桿的端點和中心坐標(biāo)對連桿進(jìn)行受力分析，為平臺增加300 N負(fù)載，重力加速度取9.8 N/kg。

觀察并分析連桿端點在X軸方向上在平臺升降過程中隨時間變化的受力情況時，根據(jù)連桿中心在X軸方向上在平臺升降過程中隨時間變化的受力情況可知，連桿端點在最低點處能取到最大值。

觀察并分析連桿中心Z軸上的受力情況可知，連桿兩端受力小于中心受力，且受力方向為連桿的徑向。連桿過薄可能會發(fā)生彎折現(xiàn)象，故優(yōu)化連桿，將連桿變?yōu)閳A柱體，能增加其抗彎能力，同時增加連桿的橫截面厚度。

將平臺的固定方式改為梯形槽固定，能夠減少平臺的總重量，同時不會改變平臺的高度。將平臺模型主視圖截面開若干個梯形槽后，導(dǎo)入ADAMS中分析平臺質(zhì)量可得，相對于原來的平臺質(zhì)量，優(yōu)化后的平臺質(zhì)量減少了0.47 kg。

3.3? ? 優(yōu)化后的平臺二維裝配圖

優(yōu)化后的剪式升降平臺二維裝配圖如圖3所示。

4 結(jié)語

本次設(shè)計通過運用多個軟件，以剪式升降平臺為研究對象，完成了對該平臺的設(shè)計、建模和仿真。利用專業(yè)軟件ADAMS對仿真平臺的運動過程進(jìn)行了分析，提出了通過改變步進(jìn)電機的脈沖頻率來調(diào)整剪式升降平臺運行速度的建議，使平臺在升降過程中能夠更加平穩(wěn)，同時又有利于平臺高度的調(diào)整。本次設(shè)計還通過ADAMS軟件對平臺連桿進(jìn)行了受力分析，對連桿進(jìn)行了改進(jìn)，同時通過在平臺上增加梯形槽降低了平臺的總重量。

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收稿日期：2020-03-30

作者簡介：桑錦凱（1999—），男，浙江人，研究方向：機械設(shè)計。