老人椅輔助站立機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)【三維UG】【含10張CAD圖紙+PDF圖】

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第二種極限位置為 3 1 2 BC2 與 C2D2 共線時(shí)，這時(shí)主動(dòng)件 AD2 通過(guò)連桿 C2D2 作用在從動(dòng)件 BC2 上的力恰好通過(guò)其轉(zhuǎn)動(dòng)中心，所以不能使從動(dòng)件 BC2 轉(zhuǎn)動(dòng)而出現(xiàn)“頂死”現(xiàn)象，此時(shí)機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置。對(duì)于該輔助站立機(jī)構(gòu)而言，AD 桿不能向下轉(zhuǎn)動(dòng)，該種極限狀態(tài)不存在。 一般規(guī)定，對(duì)于一般機(jī)械，要求 γmin≥40°，對(duì)于大功率機(jī)械，要求 γmin≥50°。另外，機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，傳動(dòng)角 γ 的大小是時(shí)刻變化的，所以要求保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳力性使機(jī)構(gòu)能夠正常工作［2］。 綜上所述，該輔助站立機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角為: 當(dāng)∠BCD ＜90° 時(shí)，γ = ∠BCD，γmin = ∠BC1D1 = arccos{ ［L32 + ( L1 + L2) 2］－ L42} /［2 L3( L1 + L2 ) ］;當(dāng)∠BCD = 90°，γ = 90°; 當(dāng)∠BCD ＞90°時(shí)，γ =180° － ∠BCD。 3 輔助站立機(jī)構(gòu)的仿真分析 運(yùn)用 ADAMS/view 進(jìn)行仿真分析，一般包括簡(jiǎn)化模型、創(chuàng)建幾何點(diǎn)、創(chuàng)建幾何體、添加約束、添加驅(qū)動(dòng)和進(jìn)行仿真分析等步驟［3］。表 1 為初始位置幾何點(diǎn)的坐標(biāo)。另外，在添加驅(qū)動(dòng)時(shí)由于整體機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，ADAMS 中的建模能力相對(duì)較弱，而通過(guò)其他三維軟件導(dǎo)入的模型無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。因此，采用調(diào)用后處理曲線數(shù)據(jù)的方法來(lái)添加驅(qū)動(dòng)，即通過(guò)給電動(dòng)推桿添加正常驅(qū)動(dòng)，測(cè)得下方管繞 A 點(diǎn)的角速度，導(dǎo)出其數(shù)據(jù)，然后通過(guò)調(diào)用函 CUBSPL( time ，0 ， q1) * PI/180 來(lái)建立導(dǎo)出數(shù)據(jù)所代表的驅(qū)動(dòng)，其中 q1 代表導(dǎo)出數(shù)據(jù)創(chuàng)建的樣條曲線。建立好的虛擬樣機(jī)模型如圖 3 所示。 表 1 幾何點(diǎn)的坐標(biāo) POINTA/mm POINTB/mm POINTC/mm POINTD/mm X 0 －84 230 286 Y 0 115 46 0 圖 3 輔助站立機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型 為了便于后面參數(shù)化的研究，建立傳動(dòng)角測(cè)量曲線，如圖 4 所示。 圖 4 傳動(dòng)角測(cè)量曲線由圖 4 的仿真結(jié)果，可得出以下結(jié)論: ( 1) 傳動(dòng)角開始一段時(shí)間和結(jié)束前一段時(shí)間傳動(dòng)角比較小，大概在 25° ～30°，傳力性能差，機(jī)械效率低。 第 40 卷 第 2 期 老人椅輔助站立機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 93 ( 2) 傳動(dòng)角的最大值沒有達(dá)到 90°，說(shuō)明輔助站立機(jī)構(gòu)上方管和連接板在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中始終沒有垂直，不能使輔助站立機(jī)構(gòu)在抬升的同時(shí)也能夠向前傾倒，不能很好的滿足輔助站立機(jī)構(gòu)的功能要求。圖 4 中曲線出現(xiàn)平行段是因?yàn)轵?qū)動(dòng)函數(shù)中設(shè)置了靜止時(shí)間段的原因。綜合以上兩點(diǎn)，有必要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 4 輔助站立機(jī)構(gòu)參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì) 4． 1 模型的參數(shù)化 各鉸接點(diǎn)的位置為輔助站立機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)，當(dāng)各點(diǎn)位置發(fā)生變化時(shí)，桿件尺寸也會(huì)發(fā)生變化。本次分析以 A 點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)不變，AD 桿處于水平位置，所以選取 B 點(diǎn)、C 點(diǎn)橫縱坐標(biāo)，D 點(diǎn)橫坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，依次為 DV_1、DV_2、DV_3、DV_4、DV_5，即 A( 0， 0) 、B( DV_1，DV_2) 、C( DV_3，DV_4) 、D( DV_5，0) 。 4． 2 優(yōu)化分析 在已經(jīng)建立的參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)變量的值，系統(tǒng)自動(dòng)的運(yùn)行一系列的仿真分析，然后返回分析結(jié)果，通過(guò)對(duì)參數(shù)化結(jié)果的分析，求得最優(yōu)樣機(jī)。ADAMS/view 提供了三種類型的參數(shù)化分析方法: 設(shè)計(jì)研究、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)。 4． 2． 1 設(shè)計(jì)研究 設(shè)計(jì)研究主要研究單個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化或者取不同值時(shí)，對(duì)樣機(jī)目標(biāo)函數(shù)的影響程度。通過(guò)比較設(shè)計(jì)變量的敏感度，找到影響目標(biāo)函數(shù)的主要設(shè)計(jì)變量。設(shè)置設(shè)計(jì)變量的取值范圍，DV_1 的最小值為 － 100，最大值為 0，初始值為 － 84; DV_2 的最小值為 110，最大值為 150，初始值為 115; DV_3 的最小值為 180，最大值為 270，初始值為 230; DV_4 的最小值為 35，最大值為 90，初始值為 46; DV_5 的最小值為 260，最大值為 330，初始值為 286。 分別對(duì) DV_1 ～ DV_5 進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，得到各個(gè)設(shè)計(jì) 變量在初始值對(duì)目標(biāo)函數(shù)的敏感度值［4］，如表 2 所示。表 2 設(shè)計(jì)變量的敏感度 設(shè)計(jì)變量 設(shè)計(jì)點(diǎn)位置 初始值/mm 初始值處敏感度/( N/mm) DV_1 POINTB_X －84 －0． 037 68 DV_2 POINTB_Y 115 －0． 173 88 DV_3 POINTC_X 230 0． 544 52 DV_4 POINTC_Y 46 0． 796 08 DV_5 POINTD_X 286 －0． 452 38 從表 2 中可以看出，設(shè)計(jì)變量“DV_3”和“DV_4” 的敏感度值最大，即 POINTC_X 和 POINTC_Y 的位置變化對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響最大，為了減少計(jì)算量，下面的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)只考慮 DV_3、DV_4 對(duì)樣機(jī)性能的影響。圖 5 所示為 DV_3 和 DV_4 對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響曲線圖。 4． 2． 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要研究多個(gè)設(shè)計(jì)變量組合發(fā)生變化時(shí)，對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響，選取設(shè)計(jì)變量 DV_3 和 DV_4 組合作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行試驗(yàn)分析。圖 6 所示為DV_3、 DV_4 組合時(shí)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響曲線［5］。 把設(shè)計(jì)變量 DV_3 和 DV_4 組合時(shí)，對(duì)目標(biāo)函數(shù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析數(shù)據(jù)結(jié)果用表 3 來(lái)表示，豎列表示DV_3 取值，橫列表示 DV_4 取值。 圖 5 DV_3、DV_4 對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響曲線 圖 6 DV_3、DV_4 組合時(shí)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響曲線表 3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析結(jié)果 使用 MATLAB 軟件對(duì)表 3 數(shù)據(jù)進(jìn)行編程處理，可生成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的三維圖形，如圖 7 所示［6］。 仿真完成后，生成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)三維圖形，如圖 7 所示。由圖可知，當(dāng)設(shè)計(jì)變量 DV_3 取值在 230 ～ 270， DV_4 取值在 45 ～90 時(shí)，CDJ_r 值處于最大區(qū)域，目標(biāo)函數(shù)傳動(dòng)角取得最大值區(qū)域。為后面優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量取值范圍提供重要依據(jù)。 4． 2． 3 優(yōu)化設(shè)計(jì) 94 機(jī)械傳動(dòng) 2016 年 在優(yōu)化分析中可以重新設(shè)置設(shè)計(jì)變量的取值范圍，并且施加一定的約束來(lái)保證最優(yōu)設(shè)計(jì)滿足機(jī)構(gòu)的功能要求。由圖 7 可知，修改 DV_3、DV_4 的取值范圍，DV_3 最小值 230，最大值 270; DV_4 最小值 45，最大值 90。此外，還需要?jiǎng)?chuàng)建一定的約束條件，用來(lái)滿足樣機(jī)性能及要求。在 ADAMS 中約束通過(guò)建立測(cè)量函數(shù)來(lái)表示［7］，本文中我們創(chuàng)建了 6 個(gè)約束條件來(lái)控制四桿機(jī)構(gòu)的約束和機(jī)構(gòu)需要滿足的功能要求。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到優(yōu)化前、優(yōu)化后傳動(dòng)角對(duì)比曲線，如圖 8 所示。 圖 7 試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)三維圖形 圖 8 優(yōu)化前、后傳動(dòng)角對(duì)比 從圖 8 的對(duì)比曲線可以看出: 一方面，優(yōu)化前機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的傳動(dòng)角最小值為 27． 007 2°，優(yōu)化后變?yōu)?68． 679°，增加了 154% ，傳動(dòng)角得到明顯提高，機(jī)械效率增加［8］; 另一方面，從優(yōu)化后的曲線可以看出傳動(dòng)角在 10 s 左右就達(dá)到最大值 90°，說(shuō)明機(jī)構(gòu)在 10 s 以后，在抬升的同時(shí)也會(huì)向前傾倒，有助于老年人站立。從分析結(jié)果可以看出，最終設(shè)計(jì)變量 DV_3 由原來(lái)的230mm變?yōu)楝F(xiàn)在的266． 078mm，增加了 15． 7% ，DV _ 4 由 原 來(lái) 的 46 mm 變 為 現(xiàn) 在 的 75． 334 7 mm，增加了 63． 82% ，與圖 7 中的結(jié)果吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。 5 結(jié)束語(yǔ) 輔助站立四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性參數(shù)是評(píng)價(jià)其工作性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)，也是對(duì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角進(jìn)行優(yōu)化的基本依據(jù)，在通過(guò)作圖法分析該機(jī)構(gòu)兩個(gè)極限位置傳動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件 ADAMS 對(duì)輔助站立機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定了最佳的機(jī)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明，優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程各個(gè)時(shí)刻的傳動(dòng)角都較大，大大提高了機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性和機(jī)械效率，同時(shí)也增加了機(jī)構(gòu)前傾程度，能夠更好的幫助老年人站立。本研究也表明使用虛擬樣機(jī)技術(shù)相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法更加簡(jiǎn)單快捷，能夠大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和制造成本，也為同類機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了實(shí)用性的方法和參考。 參 考 文 獻(xiàn) ［1］ 李鈞． 平面雙搖桿機(jī)構(gòu)最佳傳動(dòng)角分析［J］． 安徽工學(xué)院學(xué)報(bào)， 1986( 1) : 142 －143． ［2］ 郭衛(wèi)東． 機(jī)械原理［M］． 北京: 科學(xué)出版社，2010: 38 －39． ［3］ 李軍，邢俊文，譚文潔． ADAMS 實(shí)例教程 ［D］． 北京: 北京理工大學(xué)出版社，2002: 55 －60． ［4］ 朱會(huì)玲，段志善，史麗晨，等． 基于 ADAMS 的軋管機(jī)工作機(jī)構(gòu)仿真與優(yōu)化［J］． 煤礦機(jī)械，2009，30( 11) : 30 －32． ［5］ 李體振． 基于多桿系統(tǒng)的高速輥床研究與優(yōu)化設(shè)計(jì) ［D］ ． 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué)，2013: 33 －35． ［6］ 魏寶東． 基于 ADAMS 軟件的封閉式組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析及參數(shù)優(yōu)化［D］． 北京: 北京化工大學(xué)，2005: 29 －32． ［7］ 楊益． 單自由度八連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與優(yōu)化研究［D］． 揚(yáng)州: 揚(yáng) 州大學(xué)，2013: 49 －50． ［8］ 謝慧萍，季英瑜． 基于 ADAMS 軟件的六連桿沖壓機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］． 輕工機(jī)械，2009，27( 2) : 47 －50． 收稿日期: 2015 －05 －25 作者簡(jiǎn)介: 周輝( 1990— ) ，男，安徽蚌埠人，碩士研究生。