老人椅辅助站立机构参数优化设计【三维UG】

喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:414951605或者1304139763 ======================== 第 40 卷 第 2 期 老人椅辅助站立机构参数优化设计 91 文章编号: 1004 －2539( 2016) 02 －0091 －04 DOI: 10． 16578 /j． issn． 1004． 2539． 2016． 02． 021 老人椅辅助站立机构参数优化设计 周 辉1 秦宝荣1 张冬冬1 项秉乐1 鲍家华1 王郑兴2 ( 1 浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室， 浙江 杭州 310014) ( 2 浙江恒林椅业股份有限公司， 浙江 安吉 313300) 摘要 简述了老人椅辅助站立机构的工作原理，并对辅助站立机构进行传力特性分析，得到机构传动角运动规律。针对传统辅助站立机构传力特性和机构效率较差的问题，利用多体动力学仿真软件 ADAMS 对该机构进行了运动仿真及参数化建模，然后以辅助站立四杆机构传动角取得最大值为目标进行优化分析，最终确定了影响传动角主要设计变量的参数。研究结果表明，通过优化后，辅助站立机构的传动角得到明显增加，提高了机构传力特性和机械效率，同时也增大了机构的前倾程度，有助于老人站立。关键词 辅助站立机构 ADAMS 运动仿真 参数优化设计 Parameter Optimization Design of the Aged Chair Auxiliary Standing Mechanism Zhou Hui1 Qin Baorong1 Zhang Dongdong1 Xiang Bingle1 Bao Jiahua1 Wang Zhengxing2 ( 1 Key Laboratory of Special Equipment Manufacturing and Advanced Processing Technology of Ministry of Education and Zhejiang Province， Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China) ( 2 Zhejiang Henglin Chair Industry Co． ，Ltd． ，Anji 313300，China) Abstract The working theory of the aged chair auxiliary standing mechanism is introduced，the force transmission characteristic analysis for auxiliary standing mechanism is carried out，and the motion regular of transmission angle for this mechanism is obtained． For the problem that the traditional auxiliary standing mechanism have the poor force transmission characteristic and mechanism efficiency，a motion simulation and parametric modeling is carried out by using the multi － body dynamics simulation software ADAMS． Then，the optimization analysis with the target that transmission angle of auxiliary standing four － bar mechanism obtain maximum value is carried out． Finally，the parameter effecting on the main design variables of transmission angle is defined． The results show that transmission angle is obviously improved after the optimization，the force transmission characteristics and mechanism efficiency of auxiliary standing mechanism are improved，as the same time front rake level of mechanism is increased to help the aged standing． Key words Auxiliary standing mechanism ADAMS Motion simulation Parameter optimization design 0 引言 辅助站立机构是老人椅机构的重要组成部分，其功能是通过电动推杆使辅助站立机构抬升，使得老人不用费力就能达到站立的目的，有助于提高老人的晚年生活质量。辅助站立机构的设计要求机构运行平稳无突变、机构传力特性好，由于电动推杆主动件具有速度小、平稳等特点，运行过程中一般速度很小不会有突变。而传统的辅助站立机构具有传动性能差、前倾量不足等缺点。因此，本文中我们主要研究机构的传动特性，在辅助站立四杆机构中传动角越大对机构的传动越有利，效率也越高。因此，在杆件机构中常用传动角的大小来衡量机构传力特性的好坏。以辅助站立四杆机构为研究对象，以传动角取得最大值为优化目标，在分析其工作原理基础上，利用 ADAMS 软件对辅助站立机构进行参数化建模及优化设计。仿真结果表明，优化后的辅助站立机构具有良好的传力特性和较大的前倾量。同时以 ADAMS 为设计平台可以很好地解决杆件机构的参数优化设计问题，具有普遍的应用意义。 机械传动 2016 年 1 辅助站立机构 辅助站立机构作为老人椅的重要组成部分主要包括基板、上方管、下方管、连接板，如图 1 所示。辅助站立机构一般采用双摇杆机构，上方管和下方管均可绕基板转动，连接板分别与上方管、下方管铰接，并且与老人椅基架通过孔销锁定在一起，带动老人椅站立。其工作原理为: 电动推杆作 为主动件通过一组杆件机构 图 1 辅助站立机构结构模型带动下方管绕基板转动，进而带动连接板和上方管转动，由于连接板与老人椅基架锁定在一起，因此带动老人椅基架抬升，实现辅助站立功能。 2 辅助站立机构传力特性分析 辅助站立双摇杆四杆机构不仅要考虑其运动要求，以实现预定的运动规律或者运动轨迹，还必须希 望机构的传力性能良好，以使机构的运行轻便、高效。 如图 2 所示为辅助站立机构极限位置机构简图，图中显示出了该辅助站立双摇杆机构的两种极限位置［1］。第一种极限位置是 AD1 与 D1C1 重合，此时的传动角为 γmin = ∠BC1D1，设 AD1 = L1， D1C1 = L2，BC1 = L3，AB = 图 2 辅助站立机构 L4，在△ABC1 中使用余弦定 极限位置图理可 得: γmin1 = ∠BC1D1 = ［L32 + ( L1 + L2) 2］－ L 2 arccos ; 第二种极限位置为 3 1 2 BC2 与 C2D2 共线时，这时主动件 AD2 通过连杆 C2D2 作用在从动件 BC2 上的力恰好通过其转动中心，所以不能使从动件 BC2 转动而出现“顶死”现象，此时机构处于死点位置。对于该辅助站立机构而言，AD 杆不能向下转动，该种极限状态不存在。 一般规定，对于一般机械，要求 γmin≥40°，对于大功率机械，要求 γmin≥50°。另外，机构在运动过程中，传动角 γ 的大小是时刻变化的，所以要求保证机构具有良好的传力性使机构能够正常工作［2］。 综上所述，该辅助站立机构传动角为: 当∠BCD ＜90° 时，γ = ∠BCD，γmin = ∠BC1D1 = arccos{ ［L32 + ( L1 + L2) 2］－ L42} /［2 L3( L1 + L2 ) ］;当∠BCD = 90°，γ = 90°; 当∠BCD ＞90°时，γ =180° － ∠BCD。 3 辅助站立机构的仿真分析 运用 ADAMS/view 进行仿真分析，一般包括简化模型、创建几何点、创建几何体、添加约束、添加驱动和进行仿真分析等步骤［3］。表 1 为初始位置几何点的坐标。另外，在添加驱动时由于整体机构比较复杂，ADAMS 中的建模能力相对较弱，而通过其他三维软件导入的模型无法进行后续的参数化设计。因此，采用调用后处理曲线数据的方法来添加驱动，即通过给电动推杆添加正常驱动，测得下方管绕 A 点的角速度，导出其数据，然后通过调用函 CUBSPL( time ，0 ， q1) * PI/180 来建立导出数据所代表的驱动，其中 q1 代表导出数据创建的样条曲线。建立好的虚拟样机模型如图 3 所示。 表 1 几何点的坐标 POINTA/mm POINTB/mm POINTC/mm POINTD/mm X 0 －84 230 286 Y 0 115 46 0 图 3 辅助站立机构虚拟样机模型 为了便于后面参数化的研究，建立传动角测量曲线，如图 4 所示。 图 4 传动角测量曲线由图 4 的仿真结果，可得出以下结论: ( 1) 传动角开始一段时间和结束前一段时间传动角比较小，大概在 25° ～30°，传力性能差，机械效率低。 第 40 卷 第 2 期 老人椅辅助站立机构参数优化设计 93 ( 2) 传动角的最大值没有达到 90°，说明辅助站立机构上方管和连接板在整个运动周期中始终没有垂直，不能使辅助站立机构在抬升的同时也能够向前倾倒，不能很好的满足辅助站立机构的功能要求。图 4 中曲线出现平行段是因为驱动函数中设置了静止时间段的原因。综合以上两点，有必要对机构进行优化设计。 4 辅助站立机构参数化优化设计 4． 1 模型的参数化 各铰接点的位置为辅助站立机构的主要参数，当各点位置发生变化时，杆件尺寸也会发生变化。本次分析以 A 点为坐标原点不变，AD 杆处于水平位置，所以选取 B 点、C 点横纵坐标，D 点横坐标作为设计变量，依次为 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 优化分析 在已经建立的参数化模型的基础上，通过改变设计变量的值，系统自动的运行一系列的仿真分析，然后返回分析结果，通过对参数化结果的分析，求得最优样机。ADAMS/view 提供了三种类型的参数化分析方法: 设计研究、试验设计、优化设计。 4． 2． 1 设计研究 设计研究主要研究单个设计变量的变化或者取不同值时，对样机目标函数的影响程度。通过比较设计变量的敏感度，找到影响目标函数的主要设计变量。设置设计变量的取值范围，DV_1 的最小值为 － 100，最大值为 0，初始值为 － 84; DV_2 的最小值为 110，最大值为 150，初始值为 115; DV_3 的最小值为 180，最大值为 270，初始值为 230; DV_4 的最小值为 35，最大值为 90，初始值为 46; DV_5 的最小值为 260，最大值为 330，初始值为 286。 分别对 DV_1 ～ DV_5 进行设计研究，得到各个设计 变量在初始值对目标函数的敏感度值［4］，如表 2 所示。表 2 设计变量的敏感度 设计变量 设计点位置 初始值/mm 初始值处敏感度/( 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 从表 2 中可以看出，设计变量“DV_3”和“DV_4” 的敏感度值最大，即 POINTC_X 和 POINTC_Y 的位置变化对目标函数影响最大，为了减少计算量，下面的试验设计和优化设计只考虑 DV_3、DV_4 对样机性能的影响。图 5 所示为 DV_3 和 DV_4 对目标函数的影响曲线图。 4． 2． 2 试验设计 试验设计主要研究多个设计变量组合发生变化时，对目标函数的影响，选取设计变量 DV_3 和 DV_4 组合作为设计变量进行试验分析。图 6 所示为DV_3、 DV_4 组合时对目标函数的影响曲线［5］。 把设计变量 DV_3 和 DV_4 组合时，对目标函数的试验设计分析数据结果用表 3 来表示，竖列表示DV_3 取值，横列表示 DV_4 取值。 图 5 DV_3、DV_4 对目标函数影响曲线 图 6 DV_3、DV_4 组合时对目标函数的影响曲线表 3 试验设计分析结果 使用 MATLAB 软件对表 3 数据进行编程处理，可生成实验数据的三维图形，如图 7 所示［6］。 仿真完成后，生成实验数据三维图形，如图 7 所示。由图可知，当设计变量 DV_3 取值在 230 ～ 270， DV_4 取值在 45 ～90 时，CDJ_r 值处于最大区域，目标函数传动角取得最大值区域。为后面优化设计的设计变量取值范围提供重要依据。 4． 2． 3 优化设计 94 机械传动 2016 年 在优化分析中可以重新设置设计变量的取值范围，并且施加一定的约束来保证最优设计满足机构的功能要求。由图 7 可知，修改 DV_3、DV_4 的取值范围，DV_3 最小值 230，最大值 270; DV_4 最小值 45，最大值 90。此外，还需要创建一定的约束条件，用来满足样机性能及要求。在 ADAMS 中约束通过建立测量函数来表示［7］，本文中我们创建了 6 个约束条件来控制四杆机构的约束和机构需要满足的功能要求。进行优化设计，得到优化前、优化后传动角对比曲线，如图 8 所示。 图 7 试验设计数据三维图形 图 8 优化前、后传动角对比 从图 8 的对比曲线可以看出: 一方面，优化前机构整个运动周期的传动角最小值为 27． 007 2°，优化后变为 68． 679°，增加了 154% ，传动角得到明显提高，机械效率增加［8］; 另一方面，从优化后的曲线可以看出传动角在 10 s 左右就达到最大值 90°，说明机构在 10 s 以后，在抬升的同时也会向前倾倒，有助于老年人站立。从分析结果可以看出，最终设计变量 DV_3 由原来的230mm变为现在的266． 078mm，增加了 15． 7% ，DV _ 4 由 原 来 的 46 mm 变 为 现 在 的 75． 334 7 mm，增加了 63． 82% ，与图 7 中的结果吻合，进一步验证了其准确性。 5 结束语 辅助站立四杆机构的传动特性参数是评价其工作性能好坏的标准，也是对机构传动角进行优化的基本依据，在通过作图法分析该机构两个极限位置传动特性的基础上，运用多体动力学仿真软件 ADAMS 对辅助站立机构虚拟样机模型进行参数优化设计，最终确定了最佳的机构参数。结果表明，优化后的机构在运行过程各个时刻的传动角都较大，大大提高了机构的传动特性和机械效率，同时也增加了机构前倾程度，能够更好的帮助老年人站立。本研究也表明使用虚拟样机技术相比传统的设计方法更加简单快捷，能够大大缩短产品的开发周期和制造成本，也为同类机构的设计优化提供了实用性的方法和参考。 参 考 文 献 ［1］ 李钧． 平面双摇杆机构最佳传动角分析［J］． 安徽工学院学报， 1986( 1) : 142 －143． ［2］ 郭卫东． 机械原理［M］． 北京: 科学出版社，2010: 38 －39． ［3］ 李军，邢俊文，谭文洁． ADAMS 实例教程 ［D］． 北京: 北京理工大学出版社，2002: 55 －60． ［4］ 朱会玲，段志善，史丽晨，等． 基于 ADAMS 的轧管机工作机构仿真与优化［J］． 煤矿机械，2009，30( 11) : 30 －32． ［5］ 李体振． 基于多杆系统的高速辊床研究与优化设计 ［D］ ． 合肥: 合肥工业大学，2013: 33 －35． ［6］ 魏宝东． 基于 ADAMS 软件的封闭式组合机构的运动特性分析及参数优化［D］． 北京: 北京化工大学，2005: 29 －32． ［7］ 杨益． 单自由度八连杆机构运动学分析与优化研究［D］． 扬州: 扬 州大学，2013: 49 －50． ［8］ 谢慧萍，季英瑜． 基于 ADAMS 软件的六连杆冲压机构的优化设计［J］． 轻工机械，2009，27( 2) : 47 －50． 收稿日期: 2015 －05 －25 作者简介: 周辉( 1990— ) ，男，安徽蚌埠人，硕士研究生。