翻转机构驱动力的优化及Adams仿真验证

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翻转机构作为-种典型机构，主要应用在航空航天、汽车等重型机械生产研发领域.以往的研究侧重以翻转机构的实际用途以及结构的设计为主，理论分析部分的内容相对较少.本文以翻转机构的输出驱动力为主要分析对象，针对实际的翻转机构驱动力的设计问题，对其在空间机械系统中的数值大小以及方向进行理论计算分析，通过 Adams仿真，验证理论分析的正确性。

研究中主要采用的方法是明确系统工作时的多个变量，根据实际系统建立数学模型，同时抽象出-收稿 日期：2013-04-20作者简介：郭卫东(1962-)，男，黑龙江拜泉人，教授 ，博士，研究方向为机构学和虚拟样机技术，(E.mail)guowd###buaa.edu.cnhltp：//第 Sl期 郭卫东，等：翻转机构驱动力的优化及 Adams仿真验证 299个二元函数，以输出的驱动力为因变量，分析整理各变量对驱动力的影响，最终得到函数的最优解，并在实际工况下得到驱动力的最优配置情况，为翻转机构的设计改善与研发提供参考。

1 研 究 问题外舱板翻转机构模型见图 1.为表述清楚，可将图 1的翻转机构用运动简图表示，外舱板翻转机构运动简图见图 2。

图l 外舱板翻转机构模型Fig.1 Flip mechanism model of outer cabin board图2 外舱板翻转机构运动简图Fig.2 Motion diagram of flip mechanism ofouter cabin board构件 1为电动缸的缸体，构件 2为电动缸的活塞杆，这2个构件构成移动副，作为机构的驱动系统.构件3为固定外舱板的保持架(以下用外舱板代替)，构件4为外舱板翻转系统中可上、下移动的横梁 ，由于不考虑横梁运动对外舱板翻转机构的影响，可假设其为机架。

外舱板3的质量 m200 kg，质心在其几何中心处，翻转角度为90。，即从水平位置以匀角速度顺时针方向转到竖直位置，翻转的速度要求为 10-30。/min(O.166 7-0.500 0。/s 。

基于上述条件，本文的研究问题可简述为：(1)要使得外舱板匀速翻转，需对电动缸的输出速度进行相应的运动规划。

(2)已知机构中2个固定铰链A和 B的安装位置，求嚷链 C在外舱板上的位置(即 与 C铰链之间的距离 )，使得外舱板翻转机构在翻转 90。

2 驱动 系统的运动规 划2.1 运动规划的理论分析与建模根据图2的机构运动简图，对系统进行受力分析，可以得到驱动力系统的力学模型，见图3.其中，0为外舱板的转角，铰链 A与 的竖直距离 d780 mm，外舱板重力 G1 960 N(取 g9.8 m/s )，电动缸输出的驱动力为 F。

图3 驱动力系统的力学模型Fig.3 Mechanical model of driving force system根据图3得到的系统力学模型以及系统的设计要求，希望在外驱动力的作用下，外舱板做顺时针匀速转动，可知，电动缸 D所输出的移动速度与外舱板的转动速度有-定的函数关系.通过对移动速度的约束，可以限制转动速度为常数，通过力学模型进行理论分析和运动规划。

根据图3中的几何参数，可以得到电动缸 AC的伸长量 s与外舱板的转角 0的函数关系式S √[2·(1-COS 0)] (dz sin 0) -d(1)将式(1)两边对时间进行求导，可以得到移动副的移动速度 与外舱板转速 ∞的关系· ( sin 0dZ COS 0)2Z -2Z cos 02dl sin 0根据所给的机构尺寸，并根据实际要求，令∞ 0.5。/s rad/s0 ∞tfBc IOA f 430.32 mmZ雎 L 1 000 mm则由式(2)得htD：//acae.e/l(2)计 算 机 辅 助 工 程 2013丘图 11 变量优化的参数配置Fig.1 1 Parameter configuration on variable optimization(a)驱动力优化仿真结果rI蛐 nIe轧l/ ， 1 / / ，////I//，，，(b)驱动 力优化结果图 12 驱动力 Adams仿真结果Fig.12 Driving force simulation result obtained by Adams表 1 Adams变量优化结果Tab.1 Variable optimization result obtained by AdamsC点横坐标/mm l 00o 1 20o l 4oo 1 6o0驱动力/N 2 430.86 2 297.64 2 209.95 2 202.39C点横 坐标/mm 1 80o 1 843.92 2 O00驱动力/N 2 202.O1 2 201.74 2 203.37综上所述，当驱动力在外舱板上的位置发生变化时，电动缸 D所输出力的大小也随之变化.通过理论计算与实际的 Adams仿真，可以得出结论：在系统的几何参数固定的情况下，输出驱动力的值与驱动力在外舱板上所处的位置有关，并且在文中的参数下，当C点横坐标为 1 843.92 mm时，需要输出的驱动力为最小值，等于 2 201.74 N，与理论计算值基本相符，证明分析正确。

依据计算出的所需驱动力的最小值，在选取驱动设备时，只要输出的力不小于2 202 N，并配置在分析的最优位置，即可满足本文翻转系统的需求。

4 结束语以驱动力的优化为切入点，深人研究翻转机构的最优驱动力设计过程.通过理论计算与 Adams仿真等多种途径，得到翻转机构所需的外部驱动设备的相关工作参数；以对翻转机构的理论分析为重点，辅以系统的实际设计要求，在符合实际情况的条件下，对机构的运动参数进行优化，从而使设计出的翻转机构更为合理、高效，为其他类似机构的设计提供参考。