方子帆　楊守期　曹　鋼　覃　濤　馬增武　杜義賢,2　何孔德

(1. 三峽大學(xué) 機械與動力學(xué)院， 湖北 宜昌　443002； 2. 三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌　443002； 3. 三峽大學(xué) 水電機械設(shè)備設(shè)計與維護湖北省重點實驗室， 湖北 宜昌　443002)

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隨動裝置數(shù)字化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究

方子帆1,2,3楊守期1曹鋼1覃濤1馬增武1杜義賢1,2何孔德1

(1. 三峽大學(xué) 機械與動力學(xué)院， 湖北 宜昌443002； 2. 三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌443002； 3. 三峽大學(xué) 水電機械設(shè)備設(shè)計與維護湖北省重點實驗室， 湖北 宜昌443002)

摘要：為解決隨動裝置傳統(tǒng)設(shè)計模式的成本高、周期長、質(zhì)量差的問題，采用數(shù)字化設(shè)計方法，對隨動裝置進行方案設(shè)計、虛擬樣機與功能分析、控制策略、性能評價及優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究．根據(jù)需求分析，進行隨動裝置方案設(shè)計，應(yīng)用優(yōu)化算法對系統(tǒng)布局方案進行了優(yōu)化計算，優(yōu)化后電動缸最大作用力減小28%，最小傳動角增加30%．建立隨動裝置虛擬樣機模型，以位置控制為目標(biāo)設(shè)計了控制系統(tǒng)．通過虛擬樣機仿真與物理樣機伺服控制試驗，驗證了虛擬樣機模型的正確性、控制策略的有效性以及功能的可實現(xiàn)性．對隨動裝置力學(xué)性能、零部件結(jié)構(gòu)強度、整機抗沖擊性能進行了分析與評價，以U型架為例進行了結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，優(yōu)化后U型架重量減輕9.2%．研究結(jié)果表明：由系統(tǒng)方案優(yōu)化技術(shù)、虛擬樣機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化技術(shù)構(gòu)成的復(fù)雜機電系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)新產(chǎn)品設(shè)計過程的數(shù)字化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能．

關(guān)鍵詞：隨動裝置；虛擬樣機；性能評價；控制策略；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；數(shù)字化設(shè)計

新產(chǎn)品的研發(fā)按照傳統(tǒng)的設(shè)計模式通常要經(jīng)過設(shè)計、樣機試制、工業(yè)性試驗、改進定型和批量生產(chǎn)幾個步驟．由于這種基于物理樣機的設(shè)計研發(fā)模式的不足(成本高、周期長、質(zhì)量差)，往往使物理樣機反復(fù)性試驗不夠充分，加上設(shè)計人員通常不愿為修改局部而給整機帶來不可預(yù)知的結(jié)果，這就使機械產(chǎn)品造型、結(jié)構(gòu)和功能嚴重老化，從而在市場上缺乏競爭能力．這種基于樣機制造、試驗的設(shè)計方法增加了新產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本．產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，研發(fā)周期和成本越高，從而嚴重制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高[1]．在這種形勢下，在計算機上完成產(chǎn)品的開發(fā)，通過對產(chǎn)品模型的分析，改進產(chǎn)品設(shè)計方案，在數(shù)字狀態(tài)下進行產(chǎn)品的虛擬試驗和制造，再對設(shè)計進行改進或完善的數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)變得越來越重要[2]．

M. Khorshidi[3]等對四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)考慮了跟蹤誤差、傳動角偏差以及最大轉(zhuǎn)速比，采用遺傳算法求取了使目標(biāo)函數(shù)最小的一組設(shè)計變量．方子帆等[4]應(yīng)用復(fù)合形優(yōu)化算法對某型大俯仰機構(gòu)進行了布局方案優(yōu)化研究，并利用虛擬樣機技術(shù)研究了產(chǎn)品性能評價的方法．赫赤等[5]對火炮液壓式隨動系統(tǒng)的性能參數(shù)測控系統(tǒng)進行了設(shè)計，并分析了表征液壓火炮隨動系統(tǒng)性能的各參數(shù)特性．2010年，李斌茂等[6]采用ADAMS與Matlab聯(lián)合仿真技術(shù)對AUV發(fā)動機進行了運動學(xué)動力學(xué)分析，并研究了圓柱凸輪與滾輪間間隙對運動的影響．Dong-Chan Lee等[7]提出有必要將模型修正技術(shù)引入到現(xiàn)有的有限元軟件和優(yōu)化設(shè)計中，因為線性與非線性有限元分析預(yù)測的準確性變得越來越重要，它直接影響到產(chǎn)品的競爭力．Hong-Seok Park等[8]則基于CAD-CAE集成與元建模技術(shù)做了一些結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用實例．

從文獻分析看，對復(fù)雜機電系統(tǒng)的系統(tǒng)研究成果較少，大都集中于某一方面進行研究．本文就隨動裝置方案設(shè)計、功能分析、性能評價及優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)進行系統(tǒng)研究，研究流程如圖1所示．

圖1　隨動裝置數(shù)字化設(shè)計方法流程圖

1隨動裝置方案設(shè)計

1.1需求分析

某型隨動裝置由隨動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)三大部分組成，要求在滿足產(chǎn)品功能和性能要求的前提下，完成結(jié)構(gòu)的輕量化，同時保證其良好的動態(tài)性能與控制性能，即保證運轉(zhuǎn)的快速性與準確性．

1.2方案實現(xiàn)

傳統(tǒng)設(shè)計方法是根據(jù)專家經(jīng)驗完成方案初步設(shè)計，然后試制實物樣機并進行各種試驗來改進產(chǎn)品方案中布局不合理的地方，以滿足產(chǎn)品的功能和性能要求．傳統(tǒng)設(shè)計方法在產(chǎn)品樣機試驗過程中難免受到嚴重破壞，需要重新試制新的實物樣機來進行試驗，這樣大大增加了產(chǎn)品的設(shè)計周期和成本，而且難以保證產(chǎn)品質(zhì)量和長期使用性能．

以隨動裝置俯仰傳動系統(tǒng)為例，采用：初步方案設(shè)計→布局優(yōu)化的現(xiàn)代設(shè)計方法完成隨動裝置的方案設(shè)計．

1.3方案優(yōu)化

1)設(shè)計變量

圖2為隨動裝置俯仰傳動系統(tǒng)簡圖，G為俯仰體重心，鉸點A、B布置在底座上，鉸點C布置在俯仰體上，AC為俯仰傳動油缸，α為BC與水平線初始夾角，A(x1，x2)，B(x3，x4)，C(x5，x6)為各鉸點初始坐標(biāo)，C1(xC，yC)為俯仰角位移為θ度時C點的坐標(biāo)，∠XBG即為俯仰體仰角．

圖2　俯仰機構(gòu)簡圖

由圖2可知，該俯仰機構(gòu)有A(x1，x2)，B(x3，x4)，C(x5，x6)3個鉸點，這些鉸點一旦確定，整個俯仰機構(gòu)的方案布局也隨之確定．因此，其設(shè)計變量為：

(1)

2)目標(biāo)函數(shù)

以提高整機工作效率和節(jié)約成本為總目標(biāo)，取俯仰傳動油缸始末狀態(tài)中的最大作用力與近似功率的加權(quán)函數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)．設(shè)俯仰傳動油缸初始推力為FCT，最終拉力為FCL，近似功率為P，最大作用力與近似功率的加權(quán)系數(shù)分別取為k1與k2，則目標(biāo)函數(shù)可以表示為

(2)

3)約束條件

鉸點及重心空間約束：各點坐標(biāo)應(yīng)滿足空間布置的可能性；俯仰傳動油缸初始長度、行程及穩(wěn)定性約束；傳動角約束：為保證俯仰機構(gòu)傳動性能，應(yīng)使其傳動角大于10°．俯仰運動防死點約束：當(dāng)A、B、C共直線時，會出現(xiàn)死點位置．俯仰傳動油缸推力與拉力約束：將俯仰傳動油缸初始推力與最終拉力的較大者限制在一定范圍內(nèi)．

該俯仰傳動系統(tǒng)布局優(yōu)化設(shè)計屬于有約束非線性的優(yōu)化問題，選擇復(fù)合形法優(yōu)化方法，基于上述建立的優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型可以寫出復(fù)合形法的數(shù)學(xué)模型為：求受約束于gj(X)≥0的目標(biāo)函數(shù)minF(X)，優(yōu)化前后主要設(shè)計性能指標(biāo)見表1，優(yōu)化后電動缸最大作用力減小28%，最小傳動角增加30%，電動缸初始長度增加3.7%，電動缸行程增加18%，電動缸平均功率減小15%．

表1　優(yōu)化前后主要設(shè)計性能指標(biāo)

2虛擬樣機與功能分析

2.1虛擬樣機建模

隨動裝置樣機建模包括三維模型建模和虛擬樣機建模兩部分，運用Pro/ENGINEER建立某型隨動裝置數(shù)字化三維模型，然后將其導(dǎo)入ADAMS多體動力學(xué)分析軟件中，施加構(gòu)件間的約束、驅(qū)動等關(guān)系，可建立隨動裝置的功能虛擬樣機模型．

2.2運動學(xué)仿真

對隨動裝置俯仰運動進行運動學(xué)仿真，設(shè)置仿真時間為19 s，定義仿真步長為3 800步，按ADAMS默認求解器進行求解，提取俯仰運動運動學(xué)仿真結(jié)果如圖3所示．

圖3　俯仰運動特性輸入輸出仿真結(jié)果曲線

由以上運動學(xué)仿真曲線可知：俯仰運動滿足角位移范圍0～75°的功能要求，角速度變化范圍約為-41～41°/s，角加速度變化范圍約為-75～75°/s2．

2.3控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真

隨動裝置俯仰傳動系統(tǒng)位置控制所研究的被控制量是俯仰體的空間角位移．當(dāng)俯仰位置給定(輸入量)變化時，控制系統(tǒng)的任務(wù)是使系統(tǒng)輸出快速而準確地復(fù)現(xiàn)輸入，即要求俯仰體能夠及時地復(fù)現(xiàn)俯仰位置輸入的變化．

采用基于經(jīng)典控制理論的三閉環(huán)PID控制系統(tǒng)進行俯仰體的角位移三環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計．其中，電流環(huán)和速度環(huán)的給定來自速度反饋和位置反饋，位置環(huán)的給定來自電機的轉(zhuǎn)速輸出，隨動裝置俯仰傳動三環(huán)控制系統(tǒng)如圖4所示．

圖4　俯仰傳動機電系統(tǒng)組成圖

鑒于經(jīng)典PID控制系統(tǒng)存在超調(diào)和時滯現(xiàn)象(這在實際工程裝備控制系統(tǒng)中是不允許的)，建立了三維模糊PID自適應(yīng)控制器和加前饋環(huán)節(jié)的復(fù)合控制器，控制原理如圖5、圖6所示．

圖5　三維模糊PID自適應(yīng)控制器原理圖

圖6　復(fù)合控制器原理框圖

圖7　給定階躍信號的響應(yīng)曲線(經(jīng)典PID)

圖8　給定正弦信號的響應(yīng)曲線(經(jīng)典PID)

圖9　給定階躍信號的響應(yīng)曲線(模糊PID)

圖10　給定正弦信號的響應(yīng)曲線(模糊PID)

由以上控制系統(tǒng)仿真曲線可知：隨動裝置經(jīng)典PID控制系統(tǒng)存在嚴重的的超調(diào)和時滯現(xiàn)象，引入模糊PID自適應(yīng)控制器有效解決了系統(tǒng)的超調(diào)問題，引入復(fù)合控制器有效解決了系統(tǒng)的時滯問題．

2.4伺服控制試驗平臺

對隨動裝置俯仰伺服控制系統(tǒng)進行試驗，驅(qū)動裝置由SG7100-2型交流伺服驅(qū)動器與1FT5型交流永磁同步電機構(gòu)成．與聯(lián)合仿真一致，采用幅值為30°，周期為10 s的正弦信號作為理想輸入信號進行試驗調(diào)試．試驗結(jié)果如圖13～14所示．

圖13　俯仰系統(tǒng)正弦跟蹤試驗曲線(經(jīng)典PID)

圖14　俯仰系統(tǒng)正弦跟蹤試驗曲線(復(fù)合模糊PID)

由圖13、圖14可以看出，隨動裝置俯仰傳動控制系統(tǒng)試驗調(diào)試與聯(lián)合仿真結(jié)果一致，驗證了機械模型和控制系統(tǒng)建模的正確性和可行性，同時保證了隨動裝置運轉(zhuǎn)的快速性與準確性．

3性能評價及優(yōu)化

3.1動力學(xué)仿真

對隨動裝置俯仰運動進行動力學(xué)仿真，按ADAMS默認求解器進行動力學(xué)仿真分析，提取俯仰運動動力學(xué)仿真結(jié)果如圖15所示．

圖15　各關(guān)鍵零部件所受合力

由以上動力學(xué)仿真曲線可知：機構(gòu)A、B、C三鉸點的受力曲線變化趨勢基本一致，由于其雙傳動系統(tǒng)是對稱布局的，故俯仰雙傳動系統(tǒng)相對應(yīng)的鉸點受力應(yīng)基本相同，均承擔(dān)相應(yīng)負載力的一半，而圖15的動力學(xué)仿真結(jié)果剛好符合了這一點．

3.2結(jié)構(gòu)強度分析

在保證產(chǎn)品功能與性能的基礎(chǔ)上，進行主要零部件的有限元仿真分析評估，從而驗證所設(shè)計出來的零部件結(jié)構(gòu)強度與剛度是否滿足要求，對于保證產(chǎn)品在工作過程中不出現(xiàn)主要零部件失效或破壞具有重要意義．

以隨動裝置固定基座為例進行有限元仿真評估，施加動力學(xué)分析所獲得的約束與載荷，設(shè)置固定基座的總變形云圖和應(yīng)力云圖進行求解，并提取其響應(yīng)云圖結(jié)果如圖16～17所示．

圖16　固定基座總變形云圖

圖17　固定基座等效應(yīng)力云圖

由圖16、17可看出固定基座最大總變形量0.288 5 mm，為彈性變形，且位于與支撐軸承內(nèi)圈結(jié)合的支撐圓環(huán)板上，最大等效應(yīng)力為133.57 MPa，且位于固定基座支撐圓環(huán)板附近的支撐板頂端．固定基座選用的材料為Q235鋼材，故滿足設(shè)計要求．

3.3整機抗沖擊分析

論文研究的隨動裝置作為海上交戰(zhàn)的作戰(zhàn)平臺，不可避免地遭受沖擊環(huán)境的作用，遠距離爆炸時，由于水的不可壓縮性和氣泡的脈動作用，水中非接觸性爆炸對艦船及設(shè)備產(chǎn)生的沖擊加速度對設(shè)備和人員造成的損傷非常嚴重，因此進行裝置的抗沖擊分析具有重要意義．隨動裝置抗沖擊分析是在模態(tài)分析基礎(chǔ)上完成的．首先計算整個隨動裝置的固有頻率與各階振型，取其前8階頻率及振型結(jié)果進行模態(tài)分析．然后分別對隨動裝置在3個方向上進行譜分析，然后進行模態(tài)合成，得到隨動裝置在3個方向上的沖擊響應(yīng)情況．

圖18　U型架橫向應(yīng)力云圖

由圖18可知，在橫向沖擊(Y方向)作用下，U型架的應(yīng)力超過235 MPa區(qū)域在U型架支撐與U型架聯(lián)接處以及U型架支撐正下方的底板處，需在這些地方進行結(jié)構(gòu)改進．

3.4結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

對隨動裝置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化有利于減輕產(chǎn)品重量和降低成本，以U型架為例對隨動裝置進行拓撲優(yōu)化．首先，應(yīng)用有限元軟件畫出U型架的網(wǎng)格模型，導(dǎo)入到HyperWorks/OptiStruct軟件中，添加約束條件，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，進行優(yōu)化計算，查看優(yōu)化結(jié)果如圖19所示．

圖19　U型架密度云圖

圖中藍色部分為小密度部分，即可去除材料部分，紅色部分為大密度部分，即保留材料部分．從圖19可以看出，U型架前端和中部受力較小，可以適當(dāng)去除材料，從而減輕質(zhì)量，優(yōu)化后的U型架三維模型如圖20所示，優(yōu)化結(jié)果見表2，優(yōu)化后U型架重量減輕9.2%．

圖20　優(yōu)化后U型架三維圖

優(yōu)化前優(yōu)化后減輕質(zhì)量U型架質(zhì)量/kg56451252

4結(jié)語

針對隨動裝置數(shù)字化設(shè)計問題，進行了從設(shè)計到分析到評估與優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)研究．

1)進行了產(chǎn)品設(shè)計需求分析，根據(jù)專家經(jīng)驗完成隨動裝置的初步方案設(shè)計，以俯仰傳動系統(tǒng)為例進行了基于復(fù)合形優(yōu)化算法的俯仰傳動方案布局優(yōu)化，優(yōu)化后電動缸最大作用力減小28%，最小傳動角增加30%．

2)建立了隨動裝置虛擬樣機模型，以位置控制為目標(biāo)設(shè)計了控制系統(tǒng)．通過虛擬樣機仿真與物理樣機伺服控制試驗，驗證了虛擬樣機模型的正確性、控制策略的有效性和功能的可實現(xiàn)性．

3)對隨動裝置力學(xué)性能、零部件結(jié)構(gòu)強度、整機抗沖擊性能進行了評價與改進，并以U型架為例進行了結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，優(yōu)化后U型架重量減輕了9.2%．

4)研究結(jié)果表明：由系統(tǒng)方案優(yōu)化技術(shù)、虛擬樣機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化技術(shù)構(gòu)成的復(fù)雜機電系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)新產(chǎn)品設(shè)計過程的數(shù)字化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能．

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[責(zé)任編輯王康平]

收稿日期：2015-10-08

基金項目：湖北省教育廳自然科學(xué)基金(D20141202)；湖北省自然科學(xué)基金(2015CFB559)；

通信作者：方子帆(1963-)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為機械系統(tǒng)動力學(xué)與控制．E-mail：fzf@ctgu.edu.cn

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.015

中圖分類號：TJ303+.8

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)02-0065-06

Research on Digital Design Key Technologies of Servo Device and Their Applications

Fang Zifan1,2,3Yang Shouqi1Cao Gang1Qin Tao1Ma Zhenwu1Du Yixian1,2He Kongde1

(1. College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China； 2. New Energy and Micro Grid Collaborative Innovation Center in Hubei Province, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China； 3. Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design and Maintenance, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractIn order to solve the traditional design mode of the device with high cost, long cycle and poor quality problems, by using the digital design method, some researches on the design, virtual prototype and function analysis, control strategy, performance evaluation and optimization of key technology for servo device and their applications, are carried out. According to the demand analysis, the preliminary design of servo device is made; application of optimization algorithm to optimize the layout of pitch drive system is made. After optimization, the optimized electric cylinder maximum force decreases 28%; the minimum transmission angle is increased by 30%. A servo device virtual prototype model is built to achieve the goal of displacement, design of the control system. Through the simulation of virtual prototype and the physical prototype servo control test, the correctness of the virtual prototype model and the feasibility of the function are verified. At last, some valuation and improvment structure of the servo device about mechanical properties, strength and the impact resistance are analyzed; and then taking U-type frame for example of the frame structure topology optimization, after optimization the U-type frame weight decreased 9.2%.The results show that the scheme of the system optimization technology, virtual prototype technology, modern control methods, and topology optimization technology of complex mechanical system digitial design technology, can realize the process of new product design digital,shorten the product development cycle and improve product performance.

Keywordsservo device;virtual prototype;performance analysis;control strategy;structure optimization;digital design