一种机电俯仰机构铰接支点布局优化设计方法

技术领域

本发明属于机电技术领域，具体涉及一种机电俯仰机构铰接支点布局优化设计方法。

背景技术

机电俯仰机构是完成所属机电产品所需的俯仰调转运动的主要部件，在起重机、挖掘机等工程机械和导弹发射系统、车载雷达等高端装备中得到广泛应用。参见图1和图2，机电俯仰机构主要由工作平台、电动缸、俯仰电机、起落架等组成。其中，俯仰电机为原动机，提供动力源；电动缸为执行机构；起落架为主承力构件，负责承载与其固连的有效载荷；工作平台为各组件提供机械安装接口，电动缸通过电动缸下支耳与工作平台前支耳在铰接支点Ⅰ处铰接、通过电动缸上支耳与起落架前支耳在铰接支点Ⅲ处铰接，起落架通过起落架后支耳与工作平台后支耳在铰接支点Ⅱ处铰接。电动缸将俯仰电机的旋转运动转化为电动缸推杆在电动缸缸筒内部的往复直线伸缩运动，从而驱动起落架及其承载的有效载荷绕铰接支点Ⅱ作俯仰回转运动，将起落架及其承载的有限载荷调转到控制系统指令给定的仰角。

机电俯仰机构铰接支点包括电动缸下支耳与工作平台前支耳的铰接支点Ⅰ、起落架后支耳与工作平台后支耳的铰接支点Ⅱ、电动缸上支耳与起落架前支耳的铰接支点Ⅲ。这三个铰接支点的位置布局对机电俯仰机构的性能有重要影响，决定着电动缸伸长比例系数、俯仰负载力矩、俯仰传动比、电动缸轴向推力、俯仰电机输出扭矩需求和输出转速需求等关键性能参数。

传统机电俯仰机构铰接支点布局设计主要以基于工程经验的试凑法为主，通过若干种设计方案的直接对比，经作图或手工验算后选定相对较好的可行方案，这类方法流程繁琐、效率低且易出错。另外，机电俯仰机构的电动缸伸长比例系数、俯仰负载力矩、俯仰传动比、电动缸轴向推力、俯仰电机输出扭矩需求和输出转速需求等性能是关于仰角和铰接支点位置的非线性函数，且存在较为复杂的耦合关系，因此基于经验的设计方法存在很大局限性，难以达到最优的设计效果，不能满足工程机械和高端装备紧凑化和集成化的发展需求。

文献1“方子帆, 高术, 周刚, 张毅敏, 黄朝学, 何孔德. 大仰角俯仰机构布局方案优化方法及应用[J]. 机械设计与研究, 2015, 31(01): 17-21.”提出了一种大仰角俯仰机构布局方案优化方法，该方法以始末状态中俯仰传动油缸最大作用力和近似功率的加权函数最小为优化目标，考虑了空间铰接支点位置、机构传动角、俯仰传动油缸稳定性等约束条件。不过该方法是针对液压缸式俯仰机构提出的，不适用于采用电动缸作为执行机构的机电俯仰机构的布局优化设计。

文献2“刘威. 基于复合形法的火箭发射装置俯仰机构优化设计[J]. 水雷战与舰船防护, 2017, 25(02): 10-15+42.”公开了一种俯仰机构铰接支点布局优化设计方法，实现了某火箭发射装置的俯仰机构优化设计。由于该方法采用复合形法对优化问题进行求解，存在寻优过程要求初始解必须满足约束条件、寻优效率低、容易陷入局部解等缺点，实用性较差。

文献3“孟利军, 郭云鹤, 凡永华. 大型导弹起竖机构三铰点配置优化技术研究[J]. 弹箭与制导学报, 2019, 39(05): 85-88.”公开了一种大型洲际导弹起竖机构的优化方法，该方法基于力学和运动学分析，通过参数化分析研究总结出铰接支点位置对起竖过程的驱动力和起竖时间的影响，据此利用图表法对该起竖俯仰机构进行了优化设计。该方法的不足之处是优化过程采用图表法，依赖设计人员的手动干预，寻优效率低，通用性和实用性差。

文献4“蔡威, 马尚君, 张建新, 周勇, 陈香, 刘更. 机电起竖装置铰链位置及输出速度优化研究[J]. 机械传动, 2021, 45(08): 1-7.”公开了一种基于遗传算法的俯仰机构优化方法，实现了机电起竖装置铰接支点位置和输出速度的优化设计。但该方法在求解3个设计变量优化问题时所需的迭代步数就达到了18000步，求解效率低，实用性差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种机电俯仰机构铰接支点布局优化设计方法，用于解决现有机电俯仰机构优化设计方法实用性差的技术问题。该方法首先根据机电俯仰机构铰接支点的位置计算电动缸伸长比例系数、俯仰负载力矩、俯仰传动比、电动缸轴向推力、俯仰电机输出扭矩需求和输出转速需求等性能参数；然后选定设计变量、目标函数和约束函数，建立优化问题数学模型；之后进行灵敏度分析，得到目标函数和约束函数关于设计变量的导数信息；最后采用梯度优化算法求解优化问题，根据灵敏度信息进行高效寻优，得到优化设计结果。本发明在改善机电俯仰机构性能的同时，得到满足约束条件的优化设计结果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：拟定铰接支点初始布局方案；

根据机电俯仰机构所属产品给定的设计空间，拟定三个铰接支点初始布局方案，即确定电动缸下支耳与工作平台前支耳的铰接支点

根据拟定的铰接支点初始布局方案，确定铰接支点

步骤2：计算电动缸长度；

铰接支点

铰接支点

起落架仰角为0°时铰接支点

电动缸长度

步骤3：计算电动缸伸长比例系数；

给定起落架仰角的变化范围[

将

将

电动缸伸长比例系数为：

步骤4：计算俯仰负载力矩；

俯仰负载力矩

其中，

俯仰重力矩

其中，

俯仰动力矩

其中，

步骤5：计算俯仰传动比；

俯仰传动比

其中，

其中，

步骤6：计算电动缸轴向推力；

在起落架仰角为

其中，

步骤7：计算俯仰电机输出扭矩需求和输出转速需求；

根据俯仰负载力矩

根据俯仰传动比

步骤8：建立俯仰机构优化设计数学模型；

选取

其中，find表示搜寻设计变量的最优解，min表示对目标函数进行最小化寻优，s.t.表示优化问题受约束函数的限制；

步骤9：灵敏度分析和优化问题求解；

对步骤8中优化问题的目标函数和约束函数进行灵敏度分析，得到各目标函数和约束函数关于设计变量的灵敏度信息；调用梯度优化算法对步骤8中的优化问题进行迭代求解，获得优化后的俯仰机构铰接支点布局设计方案。

本发明的有益效果如下：

本发明在改善机电俯仰机构性能的同时，得到满足约束条件的优化设计结果。并且相比于背景技术的优化设计方法，本发明不要求初始解必须满足设计约束，本发明实施例1和实施例2应用本发明方法获得满足设定约束函数的优化解所需要的迭代步数均在30步之内，设计效率高，工程实用性强。

附图说明

图1是背景技术及本发明所涉及的机电俯仰机构结构示意图。

图2是背景技术及本发明所涉及的机电俯仰机构简图。

图3是本发明实施例1和实施例2所涉及的机电俯仰机构初始设计方案简图。

图4是本发明实施例1所涉及的机电俯仰机构优化设计方案简图。

图5是本发明实施例2所涉及的机电俯仰机构优化设计方案简图。

图中，1：工作平台；2：电动缸；3：电动缸下支耳；4：工作平台前支耳；5：铰接支点Ⅰ；6：俯仰电机；7：起落架后支耳；8：工作平台后支耳；9：铰接支点Ⅱ；10：有效载荷；11：起落架；12：起落架前支耳；13：铰接支点Ⅲ；14：电动缸上支耳；15：电动缸推杆；16：电动缸缸筒；O：坐标系原点；x：横向坐标轴；y：纵向坐标轴；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

为了解决现有机电俯仰机构优化设计方法实用性差的技术问题，本发明提供一种机电俯仰机构铰接支点布局优化设计方法。

实施例1：

图3给出了某产品机电俯仰机构的初始设计方案简图，本实施例对该机电俯仰机构的铰接支点先进行初始布局设计，然后在电动缸伸长比例系数约束下最小化电动缸轴向推力，对该机电俯仰机构铰接支点的布局进行优化设计。本实施例计算过程中，圆周率

步骤一：拟定铰接支点初始布局方案。根据机电俯仰机构所属产品给定的设计空间，拟定三个铰接支点的初始布局方案为：铰接支点

步骤二：计算电动缸长度。铰接支点

=1310.84mm

铰接支点

=810.18mm

起落架仰角

=2.05°

电动缸长度

步骤三：计算电动缸伸长比例系数。本实施例中，起落架仰角的变化范围为[

将步骤一中

电动缸伸长比例系数为

步骤四：计算俯仰负载力矩。俯仰负载力矩

其中，

俯仰重力矩

其中，

本实施例中，起落架的质量为100kg，起落架承载的组件总质量为900kg。包含起落架在内的组件数量为

俯仰动力矩

其中，

本实施例中，起落架关于铰接支点

本实施例中，起落架由静止驱动到额定调转速度过程中的角加速度为

本实施例中，俯仰机构综合传动效率为0.80，将上述计算得到的俯仰静力矩

俯仰负载力矩

其中，

步骤五：计算俯仰传动比。俯仰传动比

其中，

其中，

进而有：

俯仰传动比

956.50

1994.62

其中，

步骤六：计算电动缸轴向推力。在起落架仰角为

其中，

将上面两式中的起落架仰角

起落架仰角为0°时电动缸轴向推力取最大值，即为电动缸最大轴向推力

其中，

步骤七：计算俯仰电机输出扭矩需求和输出转速需求。根据步骤四计算得到的俯仰负载力矩

将

其中，

根据步骤五计算得到的俯仰传动比

本实施例中俯仰机构的给定调转速度

其中，

步骤八：建立俯仰机构优化设计数学模型。选取

其中，find表示搜寻设计变量的最优解，min表示对目标函数进行最小化寻优，s.t.表示优化问题受约束函数的限制。

步骤九：灵敏度分析和优化问题求解。在MATLAB平台中编制步骤一至步骤七的计算公式，对步骤八中优化问题的目标函数和约束函数进行灵敏度分析，得到各目标函数和约束函数关于设计变量的灵敏度信息。调用MATLAB中的梯度优化算法fmincon函数对步骤八中优化问题进行迭代求解，经过26步迭代得到优化解，获得机电俯仰机构铰接支点布局的优化设计方案，如图4所示。

实施例1中获得的机电俯仰机构铰接支点布局的优化设计方案为：

实施例2：

图3给出了某产品机电俯仰机构的初始设计方案简图，本实施例对该机电俯仰机构的铰接支点先进行初始布局设计，然后在电动缸伸长比例系数、俯仰电机输出扭矩需求和输出转速需求等约束下最小化电动缸轴向推力，对该机电俯仰机构铰接支点的布局进行优化设计。本实施例计算过程中，圆周率

步骤一：拟定铰接支点初始布局方案。根据机电俯仰机构所属产品给定的设计空间，拟定三个铰接支点的初始布局方案为：铰接支点

步骤二：计算电动缸长度。铰接支点

=1310.84mm

铰接支点

=810.18mm

起落架仰角

=2.05°

电动缸长度

步骤三：计算电动缸伸长比例系数。本实施例中，起落架仰角的变化范围为[

将步骤一中

电动缸伸长比例系数为

步骤四：计算俯仰负载力矩。俯仰负载力矩

其中，

俯仰重力矩

，

其中，

本实施例中，起落架的质量为100kg，起落架承载的组件总质量为900kg。包含起落架在内的组件数量为

俯仰动力矩

其中，

本实施例中，起落架关于铰接支点

本实施例中，起落架由静止驱动到额定调转速度过程中的角加速度为

本实施例中，俯仰机构综合传动效率为0.80，将上述计算得到的俯仰静力矩

俯仰负载力矩

其中，

步骤五：计算俯仰传动比。俯仰传动比

其中，

其中，

进而有：

俯仰传动比

956.50

1994.62

其中，

步骤六：计算电动缸轴向推力。在起落架仰角为

其中，

将上面两式中的起落架仰角

起落架仰角为0°时电动缸轴向推力取最大值，即为电动缸最大轴向推力

其中，

步骤七：计算俯仰电机输出扭矩需求和输出转速需求。根据步骤四计算得到的俯仰负载力矩

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将

其中，

根据步骤五计算得到的俯仰传动比

本实施例中俯仰机构的给定调转速度

其中，

步骤八：建立俯仰机构优化设计数学模型。选取

其中，find表示搜寻设计变量的最优解，min表示对目标函数进行最小化寻优，s.t.表示优化问题受约束函数的限制。

步骤九：灵敏度分析和优化问题求解。在MATLAB平台中编制步骤一至步骤七的计算公式，对步骤八中优化问题的目标函数和约束函数进行灵敏度分析，得到各目标函数和约束函数关于设计变量的灵敏度信息。调用MATLAB中的梯度优化算法fmincon函数对步骤八中优化问题进行迭代求解，经过26步迭代得到优化解，获得机电俯仰机构铰接支点布局的优化设计方案，如图5所示。

实施例2中获得的机电俯仰机构铰接支点布局的优化设计方案为：