基于ADAMS的軌道運輸升降機構中蝸桿蝸輪運動學仿真研究

毛龍所，張 敏，白東華，呂 忠，李 峰

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司曲靖卷煙廠，云南曲靖 655000）

1 背景

現代的升降機是19 世紀蒸汽機發明后的產物，具有設計新穎、結構合理、升降平衡、操作簡單、維修方便等其他產品不可替代的優點。但部分地方還需不斷完善，如啟動停止和運行不平穩、升降運動過程動作不可靠、自動化程度不高、故障率較高、設備能耗高、無法應急運行和存在安全隱患等?；诖?，文章主要研究如何使運輸升降機構在生活生產中得到更廣泛的運用，提高其可操作性、安全性及使用壽命。

虛擬樣機技術（Virtual Prototyping Technology，簡稱VPT）是一種基于虛擬樣機的數字化設計方法，是各領域CAx/DFx 技術的發展和延伸。虛擬樣機技術進一步融合了先進建模/仿真技術、現代信息技術、先進設計制造技術和現代管理技術，將這些技術應用于復雜產品全生命周期和全系統的設計，并對它們進行綜合管理。與傳統產品設計技術相比，虛擬樣機技術強調系統的觀點，涉及產品全生命周期，支持對產品的全方位測試、分析與評估，強調不同領域虛擬化的協同設計。如使用ADAMS 建立某航天器動力學虛擬樣機模型，對其進行運動仿真分析驗證，結果表明，ADAMS 軟件對于機械手的運動仿真研究是有效的。通過建立虛擬樣機并進行運動分析是評判幾何模型可行性一種有效方法。

使用ADAMS 軟件的分析方法，可通過減少對復雜機械手動力學的影響來簡化控制器設計。如使用ADAMS 對移動機器人進行仿真模擬，從而對其機構進行優化設計。再如用ADAMS 軟件對多自由度空間機器人進行建模和仿真，仿真結果同替代算法SOA算法進行對比。結果表明，ADAMS 在虛擬樣機設計過程中有重要的作用，可對復雜結構的多剛體結構進行運動學、動力學仿真模擬，利于設計者在設計中途對結構進行評估，從而在制造過程開始前對設計結構進行修改、優化。建立虛擬樣機三維模型方面Solid Edge V20軟件相對于ADAMS 具有更加強大的建模功能，并且其可實現與ADAMS 的數據傳輸功能。鑒于此，文章在Solid Edge V20中對多自由度軌道運輸升降機構虛擬樣機進行建模和裝配，將簡化的模型導入到ADAMS 中，在模型中指定各個部件的物理參數，并施加構件間約束條件和運動、作用力等。

2 ADAMS運動學仿真求解過程

2.1 三維模型構建

目前，機械行業內對軌道運輸升降機構中蝸桿蝸輪運動的仿真較為鮮少，特別是利用ADAMS 運動仿真軟件對蝸桿蝸輪運動機構進行運動仿真的研究。文章對軌道運輸升降機構中蝸桿蝸輪運動仿真的整個過程分為兩大部分來實現：①在Solid Edge V20中建立出軌道運輸車及蝸桿蝸輪的虛擬樣機三維模型，并另存為Parasolid（*.X_T）格式的文件；②將該文件導入到ADAMS2018中，將導入的模型材料根據實際使用情況進行修改保存，保存完成后方可進行運動學的分析研究。圖1為在Solid Edge V20中建立的軌道運輸機構的虛擬樣機模型。此軌道小車主要由驅動輪、從動輪、防撞裝置、支撐架、機架、檢測開關、減速電機、軌道、驅動系統裝配組成。其驅動系統是一個包含慣性、彈性、阻尼等運動學特征的復雜非線性系統，運動零件多，受力復雜。由于組成小車各機械系統間的相互耦合作用，使得小車動態特征復雜。

圖1 升降機構虛擬樣機模型

2.2 相關功能需求分析

軌道運輸升降機構的研制與開發，雖然在一定的程度上得到成熟發展，但有些地方還需完善和改進，如啟動停止階段，該運行過程中的加減速過程，速度過渡不平穩，出現較大的振動，對運輸車運輸材料物資極其不利，同時也存在安全隱患。目前，軌道運輸車上使用的蝸輪蝸桿升降機構，運動過程中的動作不可靠，自動化程度不高，故障率較高，設備能耗高，無法應急運行和存在安全隱患等。隨著我國工業技術的發展，企業為提高生產效率，保障產品質量，普遍重視生產過程的安全性，可操作性還有待提高。

2.3 軌道運輸升降機構的結構和分析

根據軌道運輸車的設計原理，軌道運輸車的蝸輪蝸桿升降機構主要依靠獨立驅動電機產生動力，再通過聯軸器及傳動軸把動力傳送到蝸輪蝸桿升降機構的左右兩個轉換器上。然后，再由轉換器把動力轉換到縱向的絲桿上。在這個過程中通過兩次垂直方向上運動方向的轉換，將橫向傳動力轉變為縱向升降力，以實現軌道運輸車載物平臺整個升降機構的上下運動。

3 ADAMS運動學仿真及分析

3.1 模型簡化及導入

為保證軌道運輸升降機構中蝸桿蝸輪運動的仿真工作順利進行，需在Solid Edge V20建立蝸桿蝸輪模型后，導入ADAMS2018前，對蝸桿蝸輪模型進行簡化處理，在滿足虛擬樣機對模型仿真運動的完整性前提下，三維結構模型的建立要盡可能地簡化，零件數量應盡可能的少，只保留基本的運動部件，簡化后的模型如圖2所示。

圖2 在Solid Edge V20中的簡化

ADAMS2018主要作為運動學和動力學的仿真軟件，其自身不具備建立復雜三維模型的功能，故所用仿真模型應先在專業的機械結構三維建模軟件Solid Edge V20 中建立，保存成Parasolid（*.X_T）格式，利用ADAMA/View 提供的Parasolid 模型數據交換接口，將模型導入ADAMS2018 軟件中。導入后為模型的每個零件重命名和添加材料屬性（steel）。在ADAMS2018軟件中，通過建立仿真模型來模擬車輛在不同路面和速度的激勵條件下頻率、振幅、加速度等動態特性指標。

鑒于文章只研究升降機構絲桿動力部分的運動，故刪除了模型中底座、機架、箱蓋的結構，完成簡化后，為使各個相對運動的部分形成有機的整體，根據構件間相對運動，在模型中利用ADAMS/View 中的約束工具為各個構件間引入約束。

3.2 仿真分析

通過在ADAMS2018中對蝸桿蝸輪中的固定件加上約束，再給動力軸上施加轉動驅動命令，然后進行運動仿真得到兩個蝸輪蝸桿升降速度及加速度曲線圖。圖3和圖4分別為蝸桿蝸輪在工作中的速度和加速度曲線圖。

圖3 蝸桿蝸輪的速度曲線

圖4 蝸桿蝸輪的加速度

4 結束語

軌道運輸車升降機構在生產制造業中起著很大的作用，而其中，蝸桿蝸輪在平臺升降機構中有著核心精準控制作用。文章對蝸桿蝸輪升降機構建模并進行了運動學的仿真，發現該升降機構在運動過程中需各部分的相互配合，才能保證升降機構動力傳輸和方向轉換的平順性。所以在各部件的搭配中需有很高的加工制造及裝配精確度，避免動力傳送過程中不必要的損失，從而可實現升降機構的高效運作，降低生產運作成本。借助ADAMS 強大的虛擬樣機技術，對升降機構的運動學過程進行仿真，然后，輸出機構運動的力學曲線，并分析各部件間的配合情況，驗證設計方案的正確性。這樣可很好地預期到該設計能否達到預定目標，為后續軌道運輸車蝸輪蝸桿升降機構能否投入實際生產過程奠定了理論支撐。