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

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第二種極限位置為312BC2 與 C2D2 共線時，這時主動件 AD2 通過連桿 C2D2 作用在從動件 BC2 上的力恰好通過其轉(zhuǎn)動中心，所以不能使從動件 BC2 轉(zhuǎn)動而出現(xiàn)“頂死”現(xiàn)象，此時機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置。對于該輔助站立機(jī)構(gòu)而言，AD 桿不能向下轉(zhuǎn)動，該種極限狀態(tài)不存在。一般規(guī)定，對于一般機(jī)械，要求 min40，對于大功率機(jī)械，要求 min50。另外，機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，傳動角 的大小是時刻變化的，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)傳動角為: 當(dāng)BCD 90 時， = BCD，min = BC1D1 = arccos L32 + ( L1 + L2) 2 L42 /2 L3( L1 + L2 ) ;當(dāng)BCD = 90， =90; 當(dāng)BCD 90時， =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)動時由于整體機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，ADAMS 中的建模能力相對較弱，而通過其他三維軟件導(dǎo)入的模型無法進(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)的方法來添加驅(qū)動，即通過給電動推桿添加正常驅(qū)動，測得下方管繞 A 點(diǎn)的角速度，導(dǎo)出其數(shù)據(jù)，然后通過調(diào)用函 CUBSPL( time ，0 ， q1) * PI/180 來建立導(dǎo)出數(shù)據(jù)所代表的驅(qū)動，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/mmPOINTB/mmPOINTC/mmPOINTD/mmX084230286Y0115460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，建立傳動角測量曲線，如圖 4 所示。圖 4 傳動角測量曲線由圖 4 的仿真結(jié)果，可得出以下結(jié)論:( 1) 傳動角開始一段時間和結(jié)束前一段時間傳動角比較小，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) 傳動角的最大值沒有達(dá)到 90，說明輔助站立機(jī)構(gòu)上方管和連接板在整個運(yùn)動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)動函數(shù)中設(shè)置了靜止時間段的原因。綜合以上兩點(diǎn)，有必要對機(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，桿件尺寸也會發(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，通過改變設(shè)計(jì)變量的值，系統(tǒng)自動的運(yùn)行一系列的仿真分析，然后返回分析結(jié)果，通過對參數(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)研究主要研究單個設(shè)計(jì)變量的變化或者取不同值時，對樣機(jī)目標(biāo)函數(shù)的影響程度。通過比較設(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 DV_1 DV_5 進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，得到各個設(shè)計(jì)變量在初始值對目標(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_1POINTB_X840 037 68DV_2POINTB_Y1150 173 88DV_3POINTC_X2300 544 52DV_4POINTC_Y460 796 08DV_5POINTD_X2860 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 對樣機(jī)性能的影響。圖 5 所示為 DV_3 和 DV_4 對目標(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)主要研究多個設(shè)計(jì)變量組合發(fā)生變化時，對目標(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 組合時對目標(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，對目標(biāo)函數(shù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析數(shù)據(jù)結(jié)果用表 3 來表示，豎列表示DV_3 取值，橫列表示 DV_4 取值。圖 5DV_3、DV_4 對目標(biāo)函數(shù)影響曲線圖 6DV_3、DV_4 組合時對目標(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，CDJ_r 值處于最大區(qū)域，目標(biāo)函數(shù)傳動角取得最大值區(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，還需要創(chuàng)建一定的約束條件，用來滿足樣機(jī)性能及要求。在 ADAMS 中約束通過建立測量函數(shù)來表示7，本文中我們創(chuàng)建了 6 個約束條件來控制四桿機(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)化后傳動角對比曲線，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、后傳動角對比從圖 8 的對比曲線可以看出: 一方面，優(yōu)化前機(jī)構(gòu)整個運(yùn)動周期的傳動角最小值為 27 007 2，優(yōu)化后變?yōu)?68 679，增加了 154% ，傳動角得到明顯提高，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角在 10 s 左右就達(dá)到最大值 90，說明機(jī)構(gòu)在 10 s 以后，在抬升的同時也會向前傾倒，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 由原來的230mm變?yōu)楝F(xiàn)在的266 078mm，增加了 15 7% ，DV _ 4 由 原 來 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)束語輔助站立四桿機(jī)構(gòu)的傳動特性參數(shù)是評價其工作性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)，也是對機(jī)構(gòu)傳動角進(jìn)行優(yōu)化的基本依據(jù)，在通過作圖法分析該機(jī)構(gòu)兩個極限位置傳動特性的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多體動力學(xué)仿真軟件 ADAMS 對輔助站立機(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)行過程各個時刻的傳動角都較大，大大提高了機(jī)構(gòu)的傳動特性和機(jī)械效率，同時也增加了機(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)最佳傳動角分析J 安徽工學(xué)院學(xué)報，1986( 1) : 142 1432 郭衛(wèi)東 機(jī)械原理M 北京: 科學(xué)出版社，2010: 38 393 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: 55 604 朱會玲，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) : 30 325 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: 33 356 魏寶東 基于 ADAMS 軟件的封閉式組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性分析及參數(shù)優(yōu)化D 北京: 北京化工大學(xué)，2005: 29 327 楊益 單自由度八連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析與優(yōu)化研究D 揚(yáng)州: 揚(yáng)州大學(xué)，2013: 49 508 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作者簡介: 周輝( 1990 ) ，男，安徽蚌埠人，碩士研究生。