基于ADAMS的剪式升降平臺(tái)的仿真與優(yōu)化

桑錦凱　徐世福　葉圣義

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

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

0 引言

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

虛擬樣機(jī)技術(shù)又被稱為動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，是指產(chǎn)品在研發(fā)制造過程中，利用計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品的各個(gè)零件進(jìn)行虛擬建模，并在計(jì)算機(jī)中完成組裝，為產(chǎn)品添加相應(yīng)的現(xiàn)實(shí)工作狀況的模擬條件，最后利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力推測(cè)出產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 剪式升降平臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析

剪式升降平臺(tái)一般由平臺(tái)、升降機(jī)構(gòu)和底座3個(gè)部分構(gòu)成。雙向絲杠的剪式升降平臺(tái)的連桿數(shù)目和絲桿螺距決定了平臺(tái)升降的高度和速度。其中，自行式平臺(tái)底座的設(shè)計(jì)最為精密緊湊，在研制自行式平臺(tái)的剪式起升零部件時(shí)，涉及起升油缸與平臺(tái)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(shí)，其不可與起升油缸有接觸或互相形成壓力;平臺(tái)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(tái)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(tái)的二維裝配圖，如圖1所示。

（2）繪制剪式升降平臺(tái)的三維裝配圖：利用PROE軟件描繪該平臺(tái)的各個(gè)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(tái)模型。

2.2? ? 平臺(tái)仿真

將剪式升降平臺(tái)模型導(dǎo)入ADAMS中，對(duì)模型的各個(gè)零件進(jìn)行命名并對(duì)各個(gè)零件添加質(zhì)量。通過軟件分析可知，升降平臺(tái)質(zhì)量為3.5 kg，分析平臺(tái)各個(gè)零件后計(jì)算得到升降平臺(tái)的總質(zhì)量為8.5 kg。

2.3? ? 約束與驅(qū)動(dòng)的添加

（1）本次模型設(shè)計(jì)主要用到了螺旋副、平移副、點(diǎn)重合副、旋轉(zhuǎn)副和固定副。根據(jù)平臺(tái)工作原理，對(duì)平臺(tái)的各個(gè)零件之間添加相應(yīng)約束，例如平臺(tái)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(diǎn)重合副;引導(dǎo)平移副與螺母之間添加移動(dòng)副。

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

（3）添加驅(qū)動(dòng)。為了方便分析平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)保證平臺(tái)不發(fā)生過約束現(xiàn)象，可以將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)等效為滑移驅(qū)動(dòng)來簡(jiǎn)化模型。添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)為位移與時(shí)間關(guān)系的函數(shù)（即為滑移驅(qū)動(dòng)添加速度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系）作為動(dòng)力，以便控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。

3 剪式升降平臺(tái)的分析與優(yōu)化

3.1? ? 剪式升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)分析

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

觀察并分析平臺(tái)垂直方向上的加速度-時(shí)間曲線圖可知，平臺(tái)在水平方向上勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，在垂直方向上做變速運(yùn)動(dòng)，在平臺(tái)上升過程中加速度由高到低變化，在平臺(tái)下降過程中加速度由低到高變化。

變速的升降平臺(tái)會(huì)對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，且不利于平臺(tái)高度的調(diào)整，因此，通過改進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，調(diào)整電機(jī)不同時(shí)刻的轉(zhuǎn)速，可使平臺(tái)達(dá)到勻速運(yùn)行的目的。

3.2? ? 連桿的受力分析

取連桿的端點(diǎn)和中心坐標(biāo)對(duì)連桿進(jìn)行受力分析，為平臺(tái)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(diǎn)在X軸方向上在平臺(tái)升降過程中隨時(shí)間變化的受力情況時(shí)，根據(jù)連桿中心在X軸方向上在平臺(tái)升降過程中隨時(shí)間變化的受力情況可知，連桿端點(diǎn)在最低點(diǎn)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?yàn)檫B桿的徑向。連桿過薄可能會(huì)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(shí)增加連桿的橫截面厚度。

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

3.3? ? 優(yōu)化后的平臺(tái)二維裝配圖

優(yōu)化后的剪式升降平臺(tái)二維裝配圖如圖3所示。

4 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)通過運(yùn)用多個(gè)軟件，以剪式升降平臺(tái)為研究對(duì)象，完成了對(duì)該平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建模和仿真。利用專業(yè)軟件ADAMS對(duì)仿真平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了分析，提出了通過改變步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率來調(diào)整剪式升降平臺(tái)運(yùn)行速度的建議，使平臺(tái)在升降過程中能夠更加平穩(wěn)，同時(shí)又有利于平臺(tái)高度的調(diào)整。本次設(shè)計(jì)還通過ADAMS軟件對(duì)平臺(tái)連桿進(jìn)行了受力分析，對(duì)連桿進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)通過在平臺(tái)上增加梯形槽降低了平臺(tái)的總重量。

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收稿日期：2020-03-30

作者簡(jiǎn)介：桑錦凱（1999—），男，浙江人，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。