中国地质大学长城学院本科毕业设计外文资料翻译系 别：工程技术系 专 业：机械设计制造及其自动化姓 名：殷玉磊 学 号：05211521 2015年 4 月 1 日外文资料翻译译文通过键合图对剪刀举升原理做动态分析Md Toufiqul Islam, Cheng Yin, Shengqi Jian, and Luc Rolland摘要本文描绘了基于键合图建模框架的剪刀举升机理（即四杆并联机构）下普通多体系统动力的实现。剪刀举升机理是高低汽车工业的首选，系统有一个自由度，有一些源于经典力学刚体动力学方程的程序(例如 Classic Newton-DAlembert, Newton-Euler, Lagrange, Hamilton, kanes to name a few)，但是这些对于大型复杂系统计算量特别大，从而容易出错，这里我们将生成机理的多体动力学模型键合图，因为它为不包含任何因果关系冲突和控制工程的闭环运动模型提供了灵活性。本文中的机理是建模和模拟，以便评估一些特定应用需求，如动态和位置精度。提出的机理的多体动力模型提供一个准确快捷的方法来交接分析动态机理，这里没有采用剪刀举升机构。仿真给了一个关于处于线性位移机理的不同链接长度的电动机转矩大小的清晰想法。1、 介绍剪刀举升类型升降平台的主要用途是有无人工的负载垂直运动，它们被广泛用于组装工作(如飞机零部件装配,发动机部件组装)，维护结构也可用于内部材料运输系统。如果正确安装在汽车或卡车，即适应不同的用途，剪刀举升机构可以移动1。大型复杂的机械系统越来越重要，为了剪刀举升机理的特有性和功能性，动态仿真系统非常重要，因为他们的主要功能是提高劳动者的工具和负载所需的高度,同时允许操作员控制电梯的运动和位置。因此剪刀举升机理的适当设计、制造和维护，提高了劳动者的工作效率和安全系数2。不幸的是，剪刀举升操作中也会发生致命和非致命事故事故3,4。因此对于调查系统的动态行为，适当的动态模型是很有必要的。这种机理有四杆机构和曲柄滑块机构组成，图1显示了这两种机构，图2显示了完整的剪刀举升机理。这些链接形成了一个平行运动机理并有转动关节链接。每个四个链接形成一个所有链接长度一样的菱形结构，驱动机构与位于地面移动平台的底部连接，基于设计准则，驱动机构可以是电动、液压、气动，系统可以以不同的方式连接它们，连接它们的一些受欢迎方法用来连接弯管接头的中心，或者作为曲柄滑块固定在底座上，或者连接到执行机构（如液压、气动）。这里我们把直流电机作为驱动机构，它位于底部与曲柄滑块连接，第二节中介绍关于多体动力学的问题，第三节分析机构运动，第四节介绍系统动态模型的开发过程，第五节提出了仿真结果，第六节进行模型验证，第七节讨论模型，最后，第八节得出结论。图1.四杆机构和曲柄滑块机构图2.2个剪刀举升机构的基本框架2、 背景研究1603年，缩放仪由Christopher Scheiner发明，被视为四杆机构的第一个例子5，后来，James Watt提出四杆机械装置，可以做近似直线运动6。一些机构用来产生直线输出运动，其输入元素在一天旋转、震荡、移动的直线上。由四连杆机构组成的剪刀举升装置是Larson等人于1966年创建的7，这种机械装置与可扩展的负载升降机构相关，更特别的是，这涉及到包括相对立的剪刀机构，每一个剪刀机构包含一对完全连接的剪刀手臂，伴随着升降相对关键的运动。与当代设计相比，可以提供相对大量链接长度相对较短向上扩展，由于是并行装置，重量非常小刚性更好。这种机制的另一个优点是,它是相对自由的复杂的连锁系统,但仍有高能力的扩展与短臂。A 多体动力学在6中讨论奇点配置和菱形的运动机构，在8中探讨了基于Matlab仿真描绘系统运动分析的另一种方法。尽管有两篇文献提到了动态剪刀举升机构的处理，文献数量有限，但是已经详尽研究了多体动力学建模与仿真的一般问题。尤其是多体动力分析由于像Newton, DAlembert, Euler and Lagrange这样的先驱有了丰富的历史的发展。在910中可以发现关于多体动力学的文学综述。首先，基于牛顿力学研究多体动力学系统，欧拉后来用框架来研究刚体运动，他还利用freebody原理建模约束和关节，到目前为止牛顿欧拉方程适用于多体动力学的研究。与欧拉同时代的拉格朗日还建立了约束力学系统的系统分析，变分原理应用于系统的总动能和势能考虑其运动学约束和相应的广义坐标的拉格朗日方程结果的动态分析是非常有用的多体系统，进化的多体系统动力学理论和经典力学和刚体系统的应用可以归因于有效的数值方法的发展解决高度非线性方程组产生的动态系统9。在这种演变过程中，研究人员对建模形式做出了贡献，根据9，这些形式可分为两类,即数字和符号。在10中Sinha等人把建模的方法分为两组，第一组与由基于图论的系统建模生成的组件相关，线性图理论用于分析多体动力学，例子包括1112。除了线性图，结合图也被用于多体动力学模型，如131415。在16中，Diaz等人描述了3D立体建模的线性图表方法，他们还直接推论线性图表反映了系统的拓扑结构；因此，它更容易让非专业人士创建系统描述。第二组是基于模块化、面向对象的模型,可以分层次组合成完整的系统，例如1718。在19中Antic等人描绘了结合图的优点，他们提到理论上它可以描绘子系统和形式主义之间的层次结构和联系。这提供了计算机建模和仿真的支持。B 计算多体动力学对于建模机理，多体系统社区开发了许多软件工具；然而，它们在模型描述、力学基本原理的选择和拓扑结构上广泛不同，以至于不存在统一的描述模型9。在20Gillespie等人提出了一种计算多体动力学的全面审查。一些商业软件包可用于数值解决多体动力学问题，其中一些基于计算机辅助工程(CAE)；例如包括ADAMS21 DADS 22 和 MESA VERDE 23。Dymola和Modelica是两个大型系统建模的面向对象的建模语言16。20-Sim软件是一个键合图模型多体动力学系统非常有效的和高效的工具24。它提供了允许创建模型快速和直观的工具，模型可以通过使用方程,建立块图、物理组件和结合图来建立，它提供了各种建立不同模型的工具箱，模拟和分析他们的性能。该软件还包含3 d机械工具箱为多体建模提供灵活性。图3.动力学分析3、 机理的运动分析在7中描述了基于剪刀举升机理的短暂的液压执行机构的运动分析。在多阶段剪刀举升机理中动链接形成一个菱形的配置，Dr. Rolland做了菱形结构配置和重复菱形结构的详细运动学分析5。剪刀举升的运动分析可以通过观察图3的循环。从图3中错误!未找到引用源。102循环形成一个等腰三角形，所以错误!未找到引用源。输入为s输出为h。应用勾股定理：把（4）对时间求导得到速度。由(1)我们可以得到反向关系：把（6）对时间求导得到：把h对求导得：图3中H=2h，图2中总高度是4h，把（5）和(7)对时间求导得到加速度。4、 动力学机理Dong等人调查剪刀的动态稳定性提升机制，并基于动态特性的仿真研发了集总参数模型2。这是一个基于实际工作的方法而且在整个系统上没有提出动态模型，因此本文提出一种动态模型的完整系统，有吸引力的和快速的所需的时间和精力相比,经典的动力学建模方法。图4.链接示意图A、 每个链接的键合图模型对于一个单波束的键合图模型身体被认为是质量和转动惯量，外部力量应用于A、B端口，当多体系统中的所有身体包含三个惯性坐标(x,y,)，制定会变得更容易，B点速度相对G点的速度关系为：G点是链接的重力中心，设G点到B点的距离为r，则方程将是：根据以上方程，B点的x、y轴的分量为： （14）G点相对A点的速度为：A点在x、y轴的速度矢量和表示为：为使A、B固定，我们只需在附加力的键合图上应用零流源或近零，MTF用于键合图的速度限制。图4显示了梁的键合图，其中长度、质量和惯性参数被视为总体参数。图5.链接键合图B、 寄生刚度和阻尼为了建模每个机械联合，要考虑寄生刚度和阻尼。刚度和阻尼是许多机械系统设计的重要标准。刚性联轴器弹簧用于使用机械连接来消除系统的微分因果关系。我们可以用寄生刚度和/或电阻元素移除能量储存元素之间的依赖关系25，图6. 显示了寄生刚度和阻尼结构应用于键合图的设计。C、 电机建模在提供的直流电机中，电压通过串行连接的电感和电阻去向电枢，然后电枢提供电动势作为机械输出。为了在键合图中建模直流电机，阻力和回转器元素用于表示上述标准。电机轴是通过电感和电阻元件建模，图7显示了直流电机的键合图模型。D、 控制机制作为单自由度系统，PID控制器已被选中，PID将在当前平台位置和期望平台位置相比较，基于两个高度之间的差异控制电动机的输出，图8显示控制机制的示意图。图6. 寄生刚度和阻尼图7. 直流电机键合图PID分别代表比例、积分和导数，PID参数调优实现了反复试验优化方法，这主要基于猜测和检测。在这种方法中，主要贡献是比例作用,它可以通过积分和微分作用。控制机制是有限制的，它将把输出限制在制定范围内，以便不切实际的的值驱动电机，限制块后面是一个调制源。有两种可用的键合图工作源，一个是固定的,另一个是可变的，对于PID控制器提供的电机不同输入，这里我们使用不同的变量工作源。电机之后的变压器把旋转运动变为直线运动。图8.控制机制5、 仿真表1.仿真结果图9.菱形阶梯剪刀举升平台的键合图A、 向上运动的仿真（期望高度为6m，初始高度为5m）图10.平台从初始高度到期望高度图11.原动件初始运动需求图12.原动件速率图13.加速效应B、 向下运动仿真（期望高度为4m，初始高度为5m）图14. 平台从初始高度到期望高度图15. 原动件初始运动需求图16. 原动件速率图17.加速效应6、 仿真结果对于第一次仿真平台从初始高度5m移动到6m（图10），根据图2的剪刀升升机制基础上的驱动链接应该从其原始位置向后的方向在D增加平台的高度从5米到6米(图11)。图12显示了驱动链的速率。衍生物的速度在图13中给出了加速度。对于第二次仿真平台所需高度被设定为4m，比初始高度5m低（图14）。根据机制基础上的驱动链接应该前进的方向在点D降低平台的高度和平台高度应该从5米减少到4米(图15)。图16显示了驱动链的速率。图17显示了所需的向下运动最终效应加速度。现在我们可以说从模拟结果曲线清晰地描述该模型的功能。7、 讨论本文提出一种充分剪刀举升控制机制模型，对比结果不幸的是没有得出剪刀举升机制的产物。该模型可以描述整个动力学(位移、速度、加速度等),系统的输入是电动机转矩，模型的另一个重要方面是包含控制器的机制，对于动态系统最传统的方法可以不包括控制，但键合图提供了包括电机动力学和控制重要的优势，这实际上是允许完整的自动动态系统仿真，键合图建模框架的另一个关键优势是快速的分析机制，剪刀举升机制在速度和加速度上响应不快，但是我建议在产业中进行快速直线运动。在产业里机制可用于构建高性能线性致动器，这里键合图建模比方程建模更具优势，因为它使用了图形的方法，并能快速简易实现，键合图利用二维图纸的关系可表达方程编程相比之下更自然26。在模拟中不同参数组合可以用来模拟观察反应，从仿真输出来看，可以出发一