一种翻转机构的仿真及优化设计

    李奉顺 陆荣鑑 张建红

    摘 要：通常在航空航天平台中，平台的整体结构与各种部件的连接通过翻转机构实现，其中最重要的是外舱板的驱动系统。本文将外舱板翻转机构的驱动力作为设计与研究对象，在该研究对象的基础上加载不同的负载，通过仿真分析和理论分析，得出了驱动系统安装位置和驱动力的最佳解决方案。为得到最优解，通过Adams的优化分析功能，将驱动系统的安装位置作为一个独立变量，并将翻转机构所需驱动力的最小值作为目标函数，在此基础上，对驱动系统进行了优化仿真分析。

    关键词：翻转机构;优化设计;仿真设计;Adams

    0 引言

    翻转机构是一种典型的机械结构，广泛应用于航空航天、汽车、工程机械等场合。[1]然而，传统的翻转机构的研究和设计一般注重翻转机构在各种场合的实际应用及其机械结构。本文将重点研究翻转机构输出驱动力的最优解。基于翻转机构的实际应用，对翻转机构系统中的各种数值及对应方向进行了理论分析，并与软件模拟的理论分析结果进行了比较。研究过程中出现了许多变量，在这种情况下，本文所使用的方法是分析实际系统并取出所需要的变量，建立数学模型并求解相应的二元函数。在分析结果的基础上，以翻转机构的驱动力作为因变量，研究了不同相关变量对驱动力的影响，得到了二元函数的最优解，并在实际应用中得到了驱动力的最优配置，为翻转机构的研究和设计提供了新的思路。

    所用软件为Adams软件，即机械系统动力学自动分析软件，是一款专门应用于机械产品虚拟样机开发方面的分析软件，主要功能是分析虚拟机械系统的静态、运动学和动力学。[2]

    1 本课题研究的问题

    1.1 研究问题

    優化设计某型翻转机构，以外舱板翻转机构模型为例。为表述清楚，可将翻转机构用运动简图表示，对外舱板翻转机构运动简图进行运动分析。

    1.2 问题分析

    在本次研究中，设计变量是翻转机构的安装位置，目标函数是外门转动机构所需的最小驱动力。针对实际翻转机构的驱动力及其在空间机械系统中的运动设计问题，通过Adams仿真研究了设计方案的准确性和可行性。通过仿真得到翻转机构的驱动力变换情况，并在此基础上得出设计变量与设计目标的数学关系，优化设计，找出最优解。[3]

    2 翻转机构动力学模型建立

    2.1 模型建立的基本要求

    在建立模型之前首先要把模型参数化，即把实际问题抽象转化为数学问题。本题根据以上分析，可由翻转机构的运动简图和题目要求把翻转机构抽象为一个保持架，一对滑动运动杆，三个固定铰链A、B、C，一个滑动副T。设计变量分别为DV_LAB，DV_Xc，DV_Yc。

    2.2 翻转机构参数化建模

    首先设置模型名称、重力、单位及工作路径;创建设计变量，根据设计的初始值创建设计变量DV_LAB，DV_Xc，DV_Yc;创建保持架;创建B、C点分别位于ground和保持架上，并将其坐标关联到设计变量;创建构件1和构件2。

    建立运动副，分别为转动副JOINT_A，JOINT_B，JOINT_C，移动副JOINT_T，关联移动副方向为B、C点指向。在质心位置添加载荷4970N和运动速度100mm/s。

    3 翻转机构运动仿真分析

    添加角度测量和仿真，同时添加传感器，设置传感器范围为0°～90°，当传感器运动到90°时自动停止。设置步数为100，终止时间10s，运动仿真。根据仿真报告，可见翻转机构运动正常，结构无干涉，模型建立有效。

    4 翻转机构优化设计

    4.1 设计变量研究

    分析设计变量对设计目标的影响，共有三个设计变量DV_LAB，DV_Xc，DV_Yc。它们取值范围的变化对运动作用力的影响有所不同，为了判断每个变量对目标的影响程度，进而在机构的优化设计中依据影响度大小来选择优化设置。

    首先分别判断单个变量对设计目标的影响。设计变量“DV_LAB”对设计目标的影响程度最大，“DV_Xc”的影响程度次之，而“DV_Xc”对设计目标值几乎没有影响。

    然后再判断三个变量对设计目标的综合影响程度。根据对设计目标的综合影响程度分析，可知随着迭代次数增长，LAB距离变大，驱动力是迅速变大然后逐渐减小的。驱动力取最优值时B点位置应该在保持架中间偏后部位。

    4.2 优化设计

    （1）创建优化设计目标。以外舱板翻转机构在翻转过程中所需的最大驱动力中的最小值为设计目标，创建优化设计目标为MOTION_1_MEA_Force的最大值。

    （2）设置约束条件。在保持架上创建一个标记点MAEKER_17，测量此点至B点的距离变化。约束条件设置好之后首先要评估约束条件，只要评估值大于等于0，则约束条件成立。

    （3）优化仿真分析。分别输入研究目标、设计变量以及约束条件，仿真运算。仿真运算结果如图1所示。

    综合分析报告的数据以及图表，可见设计目标“MOTION_1_MEA_Force”的值由21261N逐渐减小，驱动力最优值为10667N，对应的LAB最优值为1800mm，驱动力降低了49.83%，优化效果显著。

    5 结语

    本文以驱动力的最优解为研究重点，对翻转机构的驱动力设计进行了深入的分析，通过Adams仿真运算，得出翻转机构所需要的外部驱动的各种相关参数，根据实际设计要求，以翻转机构的仿真设计为重点，并将仿真结果与实际系统进行了比较，对翻转机构的参数进行了优化，使设计的翻转机构更加合理、高效，为其他类似机构的设计提供了参考。

    参考文献：

    [1] 张春林.机械创新设计[M].北京：机械工业出版社，2007.

    [2] 杨叶，郁舒兰.家具制造企业实施PLM的必要性及策略分析[J].家具，2017，38（01）：1-4.

    [3] 翟菲菲，刘英，杨雨图，房友盼，於亚斌.基于PLC与组态王的实木板材双面检测装置的总体设计[J].林产工业，2016，43（09）：41-45.

    [4] 郭卫东.虚拟样机技术与Adams应用实例教程[M].北京航空航天大学出版社，2008：297-299.

    [5] 郭卫东，黄斌，沙佳杰，韩先国.翻转机构驱动力的优化及Adams仿真验证[J].计算机辅助工程，2013，22（S1）：298-302.

    [6] 李增刚. ADAMS入门详解与实例[M].北京：国防工业出版社，2007.

    [7] 周海燕，陈旻鹏，徐兆军，郑梅生.三螺杆泵寿命试验台测控系统设计[J].测控技术，2018，37（12）：12-16.

    [8] 郭卫东，李守忠，马璐. AMAMS应用实例精讲教程[M].北京：机械工业出版社，2015.

    作者简介：李奉顺（1996—），男，研究生在读，主要从事机电一体化、工业控制系统方向的研究。

    通信作者：陆荣鑑（1964—），男，研究生，讲师，主要从事机电一体化、工业控制系统方向的研究。

    联系人：李奉顺