基于ADAMS的轨道运输升降机构中蜗杆蜗轮运动学仿真研究

毛龙所，张 敏，白东华，吕 忠，李 峰

（红云红河烟草（集团）有限责任公司曲靖卷烟厂，云南曲靖 655000）

1 背景

现代的升降机是19 世纪蒸汽机发明后的产物，具有设计新颖、结构合理、升降平衡、操作简单、维修方便等其他产品不可替代的优点。但部分地方还需不断完善，如启动停止和运行不平稳、升降运动过程动作不可靠、自动化程度不高、故障率较高、设备能耗高、无法应急运行和存在安全隐患等。基于此，文章主要研究如何使运输升降机构在生活生产中得到更广泛的运用，提高其可操作性、安全性及使用寿命。

虚拟样机技术（Virtual Prototyping Technology，简称VPT）是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域CAx/DFx 技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合了先进建模/仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并对它们进行综合管理。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持对产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域虚拟化的协同设计。如使用ADAMS 建立某航天器动力学虚拟样机模型，对其进行运动仿真分析验证，结果表明，ADAMS 软件对于机械手的运动仿真研究是有效的。通过建立虚拟样机并进行运动分析是评判几何模型可行性一种有效方法。

使用ADAMS 软件的分析方法，可通过减少对复杂机械手动力学的影响来简化控制器设计。如使用ADAMS 对移动机器人进行仿真模拟，从而对其机构进行优化设计。再如用ADAMS 软件对多自由度空间机器人进行建模和仿真，仿真结果同替代算法SOA算法进行对比。结果表明，ADAMS 在虚拟样机设计过程中有重要的作用，可对复杂结构的多刚体结构进行运动学、动力学仿真模拟，利于设计者在设计中途对结构进行评估，从而在制造过程开始前对设计结构进行修改、优化。建立虚拟样机三维模型方面Solid Edge V20软件相对于ADAMS 具有更加强大的建模功能，并且其可实现与ADAMS 的数据传输功能。鉴于此，文章在Solid Edge V20中对多自由度轨道运输升降机构虚拟样机进行建模和装配，将简化的模型导入到ADAMS 中，在模型中指定各个部件的物理参数，并施加构件间约束条件和运动、作用力等。

2 ADAMS运动学仿真求解过程

2.1 三维模型构建

目前，机械行业内对轨道运输升降机构中蜗杆蜗轮运动的仿真较为鲜少，特别是利用ADAMS 运动仿真软件对蜗杆蜗轮运动机构进行运动仿真的研究。文章对轨道运输升降机构中蜗杆蜗轮运动仿真的整个过程分为两大部分来实现：①在Solid Edge V20中建立出轨道运输车及蜗杆蜗轮的虚拟样机三维模型，并另存为Parasolid（*.X_T）格式的文件；②将该文件导入到ADAMS2018中，将导入的模型材料根据实际使用情况进行修改保存，保存完成后方可进行运动学的分析研究。图1为在Solid Edge V20中建立的轨道运输机构的虚拟样机模型。此轨道小车主要由驱动轮、从动轮、防撞装置、支撑架、机架、检测开关、减速电机、轨道、驱动系统装配组成。其驱动系统是一个包含惯性、弹性、阻尼等运动学特征的复杂非线性系统，运动零件多，受力复杂。由于组成小车各机械系统间的相互耦合作用，使得小车动态特征复杂。

图1 升降机构虚拟样机模型

2.2 相关功能需求分析

轨道运输升降机构的研制与开发，虽然在一定的程度上得到成熟发展，但有些地方还需完善和改进，如启动停止阶段，该运行过程中的加减速过程，速度过渡不平稳，出现较大的振动，对运输车运输材料物资极其不利，同时也存在安全隐患。目前，轨道运输车上使用的蜗轮蜗杆升降机构，运动过程中的动作不可靠，自动化程度不高，故障率较高，设备能耗高，无法应急运行和存在安全隐患等。随着我国工业技术的发展，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的安全性，可操作性还有待提高。

2.3 轨道运输升降机构的结构和分析

根据轨道运输车的设计原理，轨道运输车的蜗轮蜗杆升降机构主要依靠独立驱动电机产生动力，再通过联轴器及传动轴把动力传送到蜗轮蜗杆升降机构的左右两个转换器上。然后，再由转换器把动力转换到纵向的丝杆上。在这个过程中通过两次垂直方向上运动方向的转换，将横向传动力转变为纵向升降力，以实现轨道运输车载物平台整个升降机构的上下运动。

3 ADAMS运动学仿真及分析

3.1 模型简化及导入

为保证轨道运输升降机构中蜗杆蜗轮运动的仿真工作顺利进行，需在Solid Edge V20建立蜗杆蜗轮模型后，导入ADAMS2018前，对蜗杆蜗轮模型进行简化处理，在满足虚拟样机对模型仿真运动的完整性前提下，三维结构模型的建立要尽可能地简化，零件数量应尽可能的少，只保留基本的运动部件，简化后的模型如图2所示。

图2 在Solid Edge V20中的简化

ADAMS2018主要作为运动学和动力学的仿真软件，其自身不具备建立复杂三维模型的功能，故所用仿真模型应先在专业的机械结构三维建模软件Solid Edge V20 中建立，保存成Parasolid（*.X_T）格式，利用ADAMA/View 提供的Parasolid 模型数据交换接口，将模型导入ADAMS2018 软件中。导入后为模型的每个零件重命名和添加材料属性（steel）。在ADAMS2018软件中，通过建立仿真模型来模拟车辆在不同路面和速度的激励条件下频率、振幅、加速度等动态特性指标。

鉴于文章只研究升降机构丝杆动力部分的运动，故删除了模型中底座、机架、箱盖的结构，完成简化后，为使各个相对运动的部分形成有机的整体，根据构件间相对运动，在模型中利用ADAMS/View 中的约束工具为各个构件间引入约束。

3.2 仿真分析

通过在ADAMS2018中对蜗杆蜗轮中的固定件加上约束，再给动力轴上施加转动驱动命令，然后进行运动仿真得到两个蜗轮蜗杆升降速度及加速度曲线图。图3和图4分别为蜗杆蜗轮在工作中的速度和加速度曲线图。

图3 蜗杆蜗轮的速度曲线

图4 蜗杆蜗轮的加速度

4 结束语

轨道运输车升降机构在生产制造业中起着很大的作用，而其中，蜗杆蜗轮在平台升降机构中有着核心精准控制作用。文章对蜗杆蜗轮升降机构建模并进行了运动学的仿真，发现该升降机构在运动过程中需各部分的相互配合，才能保证升降机构动力传输和方向转换的平顺性。所以在各部件的搭配中需有很高的加工制造及装配精确度，避免动力传送过程中不必要的损失，从而可实现升降机构的高效运作，降低生产运作成本。借助ADAMS 强大的虚拟样机技术，对升降机构的运动学过程进行仿真，然后，输出机构运动的力学曲线，并分析各部件间的配合情况，验证设计方案的正确性。这样可很好地预期到该设计能否达到预定目标，为后续轨道运输车蜗轮蜗杆升降机构能否投入实际生产过程奠定了理论支撑。