基于ADAMS的剪式升降平臺的仿真與優化

桑錦凱　徐世福　葉圣義

摘要：對剪式升降平臺的結構進行了簡要分析，利用CAD軟件繪制了升降平臺的模型圖紙，利用ADAMS軟件進行了平臺建模及仿真，并對平臺連桿進行了受力分析，在此基礎上，對連桿進行了優化，同時通過在平臺上增加梯形槽降低了平臺的總重量。

關鍵詞：虛擬樣機;剪式升降平臺;建模;仿真;PROE;ADAMS

0 引言

虛擬樣機技術是當前設計制造領域的一門新技術，可應用于汽車制造、工程機械、航空航天、通用機械等諸多領域。虛擬樣機技術在工程咨詢方面具有很高的應用價值，可為產品研發提供預測試功能。

虛擬樣機技術又被稱為動態仿真技術，是指產品在研發制造過程中，利用計算機對產品的各個零件進行虛擬建模，并在計算機中完成組裝，為產品添加相應的現實工作狀況的模擬條件，最后利用計算機的運算能力推測出產品的整體性能，進而實現改進產品設計，提高產品質量的目的。

1 剪式升降平臺的結構分析

剪式升降平臺一般由平臺、升降機構和底座3個部分構成。雙向絲杠的剪式升降平臺的連桿數目和絲桿螺距決定了平臺升降的高度和速度。其中，自行式平臺底座的設計最為精密緊湊，在研制自行式平臺的剪式起升零部件時，涉及起升油缸與平臺底座內各零部件的幾何關系，要避免相互干涉，例如當剪叉臂桿處于初始狀態時，其不可與起升油缸有接觸或互相形成壓力;平臺底座內零部件也不可與起升油缸有任何接觸等。

2 剪式升降平臺模型的建立與仿真

2.1? ? 繪制模型圖紙

（1）通過CAD 2007軟件繪制剪式升降平臺的二維裝配圖，如圖1所示。

（2）繪制剪式升降平臺的三維裝配圖：利用PROE軟件描繪該平臺的各個元件圖，并將元件圖組合為三維裝配圖。圖2為PROE軟件繪制的三維剪式升降平臺模型。

2.2? ? 平臺仿真

將剪式升降平臺模型導入ADAMS中，對模型的各個零件進行命名并對各個零件添加質量。通過軟件分析可知，升降平臺質量為3.5 kg，分析平臺各個零件后計算得到升降平臺的總質量為8.5 kg。

2.3? ? 約束與驅動的添加

（1）本次模型設計主要用到了螺旋副、平移副、點重合副、旋轉副和固定副。根據平臺工作原理，對平臺的各個零件之間添加相應約束，例如平臺底座與大地之間添加固定副;連桿與連桿之間添加旋轉副，連桿與螺母之間添加點重合副;引導平移副與螺母之間添加移動副。

（2）添加約束后，利用軟件對平臺的自由度進行分析可知，平臺自由度為2。

（3）添加驅動。為了方便分析平臺的運動情況，同時保證平臺不發生過約束現象，可以將旋轉驅動等效為滑移驅動來簡化模型。添加驅動函數為位移與時間關系的函數（即為滑移驅動添加速度與時間的函數關系）作為動力，以便控制平臺的運動。

3 剪式升降平臺的分析與優化

3.1? ? 剪式升降平臺的運動分析

取平臺最高點分析平臺的極限位移。觀察并分析平臺位移坐標可知，平臺的極限位移為90～200 mm，符合設計要求。再對連桿端點的運動速度與時間關系進行分析，水平方向的連桿運動速度Vx基本不變，垂直方向上連桿的運動速度Vv隨時間的增大而減小。由此可知，在水平方向上連桿做勻速運動，而在垂直方向上連桿做變速運動。

觀察并分析平臺垂直方向上的加速度-時間曲線圖可知，平臺在水平方向上勻速運動時，在垂直方向上做變速運動，在平臺上升過程中加速度由高到低變化，在平臺下降過程中加速度由低到高變化。

變速的升降平臺會對平臺產生較大的振動，且不利于平臺高度的調整，因此，通過改進步進電機的脈沖頻率，調整電機不同時刻的轉速，可使平臺達到勻速運行的目的。

3.2? ? 連桿的受力分析

取連桿的端點和中心坐標對連桿進行受力分析，為平臺增加300 N負載，重力加速度取9.8 N/kg。

觀察并分析連桿端點在X軸方向上在平臺升降過程中隨時間變化的受力情況時，根據連桿中心在X軸方向上在平臺升降過程中隨時間變化的受力情況可知，連桿端點在最低點處能取到最大值。

觀察并分析連桿中心Z軸上的受力情況可知，連桿兩端受力小于中心受力，且受力方向為連桿的徑向。連桿過薄可能會發生彎折現象，故優化連桿，將連桿變為圓柱體，能增加其抗彎能力，同時增加連桿的橫截面厚度。

將平臺的固定方式改為梯形槽固定，能夠減少平臺的總重量，同時不會改變平臺的高度。將平臺模型主視圖截面開若干個梯形槽后，導入ADAMS中分析平臺質量可得，相對于原來的平臺質量，優化后的平臺質量減少了0.47 kg。

3.3? ? 優化后的平臺二維裝配圖

優化后的剪式升降平臺二維裝配圖如圖3所示。

4 結語

本次設計通過運用多個軟件，以剪式升降平臺為研究對象，完成了對該平臺的設計、建模和仿真。利用專業軟件ADAMS對仿真平臺的運動過程進行了分析，提出了通過改變步進電機的脈沖頻率來調整剪式升降平臺運行速度的建議，使平臺在升降過程中能夠更加平穩，同時又有利于平臺高度的調整。本次設計還通過ADAMS軟件對平臺連桿進行了受力分析，對連桿進行了改進，同時通過在平臺上增加梯形槽降低了平臺的總重量。

[參考文獻]

[1] 劉琨.現代機械工程設計中的虛擬制造技術探討[J].現代信息科技，2018（6）：180-181.

[2] 陳傳燕.剪叉式液壓升降機結構的優化設計[J].山東工業技術，2017（24）：44.

[3] 鄧宏光，孫大剛，游思坤，等.剪叉式升降平臺建模及關鍵參數研究[J].機電工程技術，2005（7）：20-22.

[4] 海闖，趙騰，冶曉慧.液壓剪叉升降平臺動力學仿真分析[J].機械設計與制造工程，2017，46（3）：41-44.

[5] 剡昌鋒，易程，高崇仁.基于Mathcad剪叉式液壓升降平臺的參數化設計[J].中國工程機械學報，2013，11（6）：506-511.

[6] 胥軍，李剛炎，楊飛，等.剪叉式升降機舉升機構分析與優化[J].機械科學與技術，2013（6）：919-922.

收稿日期：2020-03-30

作者簡介：桑錦凱（1999—），男，浙江人，研究方向：機械設計。