賈志強(qiáng) 劉歡 蔣濟(jì)武

JIA Zhiqiang1 LIU Huan2 JIANG Jiwu1

1.廣東美的洗滌電器制造有限公司 廣東佛山 528311；2.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東廣州 511483

1. Guangdong Midea Washing Appliance Manufacturing Co.,Ltd. Foshan 528311; 2. Guangzhou Panyu Polytechnic Guangzhou 511483

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，家用廚房電器也在不斷的升級換代，消毒柜便是其中較為重要的一種。目前市場中的大多數(shù)消毒柜都與洗碗機(jī)等相關(guān)電器配套使用，安裝于烹飪器具下方的櫥柜中，以雙層、三層結(jié)構(gòu)為主。為解決現(xiàn)有的消毒柜下層碗籃位置低；提升過程中所需力較大；用戶體驗(yàn)差等問題[1]，已有人設(shè)計(jì)了一種家用雙層消毒柜碗籃抬升機(jī)構(gòu)[2]。本文對現(xiàn)有的抬升機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，加入氣彈簧緩沖裝置，實(shí)現(xiàn)省力緩沖的作用；并基于ADAMS對整套裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，對比有無氣彈簧的仿真結(jié)果，驗(yàn)證層架升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2 層架升降機(jī)構(gòu)簡介

消毒柜層架升降機(jī)構(gòu)的主體采用四連桿機(jī)構(gòu)，碗籃抬升過程分為兩步：第一步是水平滑軌抽拉至限定位置；第二步是四連桿從豎直狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，其機(jī)構(gòu)圖以及提升過程中的狀態(tài)圖如圖1所示。

四連桿式消毒柜升降機(jī)構(gòu)主要由以下幾個(gè)模塊組成：滑軌抽拉及抬升模塊、氣彈簧緩沖省力模塊、限位及鎖死模塊，以及門把手釋放模塊。本文針對抬升中的第二步垂直抬升過程，基于ADAMS軟件平臺進(jìn)行裝置的動(dòng)力學(xué)仿真，并結(jié)合理論分析驗(yàn)證層架升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

3 消毒柜層架機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真

圖1 消毒柜層架升降機(jī)構(gòu)圖及狀態(tài)圖

圖2ADAMS的消毒柜層架升降機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)

圖3施加載荷及約束模型圖

ADAMS軟件為用戶提供了強(qiáng)大的仿真環(huán)境，使用戶能夠?qū)Ω鞣N機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，精確預(yù)測載荷的變化，計(jì)算速度、加速度以及力矩的變化曲線。因此本文利用ADAMS軟件作為仿真的平臺，進(jìn)行層架升降機(jī)構(gòu)模型的動(dòng)力學(xué)分析[3-5]。以整個(gè)層架升降機(jī)構(gòu)剛體系統(tǒng)為研究對象，當(dāng)在剛體系統(tǒng)上施加力和給定指定運(yùn)動(dòng)后，考查多大的力和力矩可以產(chǎn)生這種運(yùn)動(dòng)；驗(yàn)證層架升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

ADAMS軟件仿真分析的流程一般包含以下四步：模型預(yù)處理；施加約束和載荷；仿真分析；結(jié)果后處理[6]。ADAMS軟件在進(jìn)行仿真分析時(shí)，會(huì)先讀取輸入的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行檢查，判斷系統(tǒng)自由度。如果系統(tǒng)的自由度不為零，則ADAMS軟件通過分析給定的初始約束條件，判斷是動(dòng)力學(xué)分析還是靜力學(xué)分析。如果自由度為零，則為動(dòng)力學(xué)分析。消毒柜層架升降機(jī)構(gòu)屬于多連桿單自由度機(jī)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)原件作用下進(jìn)行升降，升降過程屬于動(dòng)力學(xué)分析問題。

3.1 模型預(yù)處理

進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析首先需要建立虛擬樣機(jī)模型，ADAMS雖然具備簡單的三維建模能力，但建模過程操作起來較不友好。因此，利用ADAMS軟件對消毒柜層架升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，需要將SolidWorks中的模型導(dǎo)入ADAMS中。仿真時(shí)，先在SolidWorks軟件中建立消毒柜層架升降機(jī)構(gòu)的三維模型，并把模型導(dǎo)出為對應(yīng)格式文件，然后導(dǎo)入到ADAMS仿真環(huán)境中。

在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真過程中，很多結(jié)構(gòu)對仿真過程和仿真結(jié)構(gòu)并無影響。為方便后續(xù)模型的動(dòng)力學(xué)分析，也需要在SolidWorks軟件中對消毒柜層架升降機(jī)構(gòu)三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，簡化包括刪除一些起固定或緊固作用的零件，如消毒柜的外殼以及螺栓螺母等連接件。

模型中的力學(xué)原器件可通過添加作用力來代替，如普通彈簧可通過在ADAMS中添加柔性連接力來代替；對于平行四邊形抬升機(jī)構(gòu)中的氣彈簧，則需預(yù)先建立氣彈簧力矩模型，通過在平行四邊形機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)處添加驅(qū)動(dòng)力矩[7]，并設(shè)置該作用力矩的力矩函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)仿真氣彈簧在層架升降過程中力矩的變化過程。對于一些僅僅起到限位作用的零部件，通過對物體進(jìn)行布爾操作將零件合并，盡量減少模型中的約束關(guān)系。

通過前期預(yù)處理，建立起消毒柜層架升降機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，如圖2所示。

3.2 施加約束和負(fù)載

模型導(dǎo)入后首先要對構(gòu)件進(jìn)行編輯，包括顏色、位置、名稱和材料等信息，然后添加約束。依據(jù)層架升降機(jī)構(gòu)各構(gòu)件之間的關(guān)系，在對應(yīng)構(gòu)件上施加轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副；其他由緊固件固定的地方，可通過在零件之間添加固定副來實(shí)現(xiàn)緊固連接。約束和載荷施加完畢后的模型如圖3所示。

3.3 仿真分析

載荷約束添加完成后，對整個(gè)模型進(jìn)行檢查，進(jìn)入仿真界面。本文只分析層架升降機(jī)構(gòu)的抬升過程，分析抬升過程層架升降機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性，故不對碗籃拉出過程進(jìn)行分析。然后根據(jù)設(shè)計(jì)的仿真驅(qū)動(dòng)函數(shù)，設(shè)置消毒柜層架升降機(jī)構(gòu)仿真抬升時(shí)間、步長等，通過ADAMS中仿真得到層架升降機(jī)構(gòu)的抬升狀態(tài)。仿真參數(shù)設(shè)置及仿真最終狀態(tài)如圖4所示。

3.4 結(jié)果后處理

ADAMS的結(jié)果后處理是為了在仿真后得到更加直觀的數(shù)據(jù)顯示。后處理過程中對所分析結(jié)構(gòu)選取相關(guān)的結(jié)果參數(shù)，便可得到所分析結(jié)構(gòu)中力或力矩隨時(shí)間變化，各構(gòu)件的位移、速度和加速度變化等數(shù)據(jù)。本文所研究的對象是驅(qū)動(dòng)原件上驅(qū)動(dòng)力矩的變化情況，因此，在分析時(shí)選取驅(qū)動(dòng)原件的驅(qū)動(dòng)力矩變化作為分析結(jié)果。

4 仿真及結(jié)果分析

在ADAMS仿真環(huán)境中建立了消毒柜層架升降機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)后，根據(jù)仿真的需求設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)和相關(guān)參數(shù)，然后進(jìn)行模型動(dòng)力學(xué)仿真。所設(shè)計(jì)的消毒柜層架抬升機(jī)構(gòu)主要由平行四邊形抬升機(jī)構(gòu)和氣彈簧部件組成。其中氣彈簧組件的設(shè)計(jì)是為了抬升碗籃時(shí)起到省力的作用，同時(shí)在將碗籃收回至消毒柜內(nèi)時(shí)起到緩沖作用，從而不至于因碗籃內(nèi)餐具過重導(dǎo)致碗籃快速下落而產(chǎn)生沖擊，甚至損壞消毒柜。因此，動(dòng)力學(xué)仿真分為有氣彈簧和無氣彈簧兩種情況進(jìn)行仿真；同時(shí)結(jié)合氣彈簧力學(xué)模型進(jìn)行結(jié)果分析驗(yàn)證。

圖4仿真參數(shù)設(shè)置及仿真最終狀態(tài)

圖5旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的變化規(guī)律

圖6氣彈簧力學(xué)模型圖

4.1 驅(qū)動(dòng)函數(shù)

為了使機(jī)構(gòu)按照所需的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)以及仿真在實(shí)際抬升碗籃過程中的時(shí)間和抬升速度，需對整個(gè)虛擬樣機(jī)的某一轉(zhuǎn)動(dòng)副處添加一個(gè)驅(qū)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)。所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)如式（1）所示，其中θ為角度，ω為角速度，β角加速度，d為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)：

圖7氣彈簧力矩隨時(shí)間變化曲線圖

圖8有氣彈簧時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩變化曲線

圖9無氣彈簧時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩變化曲線

圖10力矩曲線對比圖

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)角度與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示，其中橫坐標(biāo)的單位為秒（符號：s），縱坐標(biāo)的單位為弧度（符號：rad）。實(shí)際過程中消毒柜層架升降機(jī)構(gòu)完成抬升過程需要的時(shí)間約為2.5s，故設(shè)計(jì)碗籃仿真抬升時(shí)間為2.5s；設(shè)置步長為150。平行四邊形曲柄的實(shí)際抬升角度約為90度。

4.2 氣彈簧結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析

氣彈簧在助力運(yùn)動(dòng)的過程中，其作用力基本保持恒定，不會(huì)產(chǎn)生太大變化，所以在運(yùn)動(dòng)的過程中，假定氣彈簧的彈力恒定為F，其助力效果的變化主要是由于氣彈簧的作用力臂改變引起的[8]，所以對氣彈簧的整個(gè)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的分析也就是主要分析其力臂的變化，氣彈簧力學(xué)模型圖如圖6所示，具體分析過程如下。

假設(shè)搖臂的半徑是R，氣彈簧在旋轉(zhuǎn)過程中最短的長度是L，搖臂在運(yùn)動(dòng)過程中與兩中心連線的夾角為α，α隨時(shí)間t的變化關(guān)系為：

抬升過程中氣彈簧長度為L1，兩中心連線的夾角與氣彈簧夾角為β，則有：

抬升過程中氣彈簧力臂為L2，則可知?dú)鈴椈蛇\(yùn)動(dòng)過程中力矩T為：

通過測量懸臂長度R為50mm，氣彈簧最短距離L為200mm，帶入上述公式便可得氣彈簧力矩變化過程。

4.3 仿真結(jié)果分析

本文主要對碗籃抬升的過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，具體分為有/無氣彈簧結(jié)構(gòu)兩種狀況。由上文對氣彈簧力學(xué)模型的分析可得，氣彈簧組件在碗籃抬升的過程中提供一個(gè)正向力矩，該力矩抵消一部分由載荷對驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)產(chǎn)生的重力矩，從而實(shí)現(xiàn)抬升過程省力的效果。如圖7所示，為氣彈簧組件在碗籃抬升過程中所提供力矩值的變化規(guī)律。

由圖7可得，整個(gè)過程的仿真時(shí)間設(shè)置為2.5秒，氣彈簧力矩值隨著時(shí)間先逐漸減小后逐漸增大，圖7中力矩正負(fù)只代表力矩的作用方向。其中，初始狀態(tài)時(shí)力矩值為負(fù)值，并且在時(shí)間約為0.25秒時(shí)力矩值為0，這時(shí)氣彈簧產(chǎn)生的力矩起到阻礙碗籃抬升的作用，在沒有外力作用的情況下，初始狀態(tài)氣彈簧組件對整個(gè)層架升降機(jī)構(gòu)起到限位或鎖緊作用，符合設(shè)計(jì)要求。

設(shè)置好仿真參數(shù)后，同時(shí)對有/無氣彈簧的兩種情況進(jìn)行仿真，對層架升降機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，如圖8和圖9所示，顯示了平行四邊形抬升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處驅(qū)動(dòng)力矩的變化曲線，力矩的大小反映出將碗籃抬升所需要的抬升力。

由圖8可以看出，在有氣彈簧省力機(jī)構(gòu)的情況下，抬升驅(qū)動(dòng)扭矩隨仿真時(shí)間遞進(jìn)先由大變小，緊接著由小逐漸增大。其中，由大變小的過程持續(xù)時(shí)間較短，這是氣彈簧組件從死點(diǎn)的負(fù)角度繞過死點(diǎn)位置的過程，故需要克服氣彈簧初始力所提供的反向阻礙扭矩。

圖9為在無氣彈簧時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩隨時(shí)間變化曲線圖。由圖9可以看出，驅(qū)動(dòng)力矩值隨時(shí)間逐漸增大，整個(gè)變化過程是一個(gè)逐漸遞增的過程。為了更直觀地展示氣彈簧省力結(jié)構(gòu)在碗籃抬升過程中的省力效果，結(jié)合圖7、圖8和圖9的力矩曲線圖，給出了如圖10所示的力矩曲線對比圖。

其中，藍(lán)色力矩曲線Torque_3是在無氣彈簧狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)力矩曲線，紅色力矩曲線Torque_2是在有氣彈簧狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)力矩曲線，粉色曲線Torque_1是氣彈簧力矩曲線圖。

表1 各力矩曲線的最大最小力矩值（單位：N·mm）

如圖10所示，對比曲線Torque_2和曲線Torque_3可以明顯看出，在有氣彈簧省力結(jié)構(gòu)的情況下，在整個(gè)碗籃抬升的過程中，所需要的驅(qū)動(dòng)力矩值相對于無氣彈簧時(shí)要小得多。但在初始抬升階段，由于氣彈簧省力結(jié)構(gòu)處于鎖緊狀態(tài)，氣彈簧力矩Torque_1提供一個(gè)反向力矩，在初始階段需要的驅(qū)動(dòng)力矩值會(huì)相應(yīng)大一些。如表1所示列出了三條力矩曲線力矩值的最大最小力矩值，驅(qū)動(dòng)力矩Torque_3的值等于氣彈簧力矩Torque_1和驅(qū)動(dòng)力拒Torque_2的力矩值之和，故驗(yàn)證了氣彈簧機(jī)構(gòu)在層架升降機(jī)構(gòu)中起到省力作用，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

本文基于ADAMS對消毒柜層架升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真及分析，在仿真過程中通過對比有無氣彈簧對機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動(dòng)力矩大小的影響。同時(shí)結(jié)合氣彈簧的力學(xué)模型以及仿真結(jié)果，表明了在有氣彈簧的情況下，碗籃抬升過程中所需要的驅(qū)動(dòng)力矩比無氣彈簧時(shí)要小得多；并且根據(jù)仿真曲線，驅(qū)動(dòng)力矩值等于氣彈簧力矩值和驅(qū)動(dòng)力矩值的力矩值之和。