本站原创摘 要 ：在某航天器装配平台中,需要设计一个翻转机构实现部件与总体结构的对接工作,其中,外舱板翻转机构的驱动系统设计是重要内容之一.从外舱板翻转系统中外舱板翻转机构驱动力的设计出发,通过对特定负载的分析和理论分析,得到驱动力的大小以及驱动系统安装的最优位置.采用Adams的优化分析功能,以驱动系统安装位置为设计变量,以外舱板翻转机构在翻转过程中所需的最大驱动力中的最小值为目标函数,进行驱动系统的最优化仿真分析.应用Adams对优化设计结果进行仿真分析验证,得到最优结果.
关 键 词 ：机构设计； 优化设计； 虚拟样机技术； Adams
中图分类号：TH112.4文献标志码：B
0引言
翻转机构作为一种典型机构,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,同时抽象出一个二元函数,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.
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,可检测设其为机架.
外舱板3的质量m等于200 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（0.166 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,求取铰链C在外舱板上的位置（即B与C铰链之间的距离lBC）,使得外舱板翻转机构在翻转90°的过程中,电动缸驱动力的最大值为最小.
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,θ为外舱板的转角,铰链A与B的竖直距离d等于780 mm,外舱板重力G等于1 960 N（取g等于9.8 m/s2）,电动缸输出的驱动力为F.
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,即可满文翻转系统的需求.
4结束语
以驱动力的优化为切入点,深入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.