副標(biāo)題#e#    0前言
   
    機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析是一個(gè)很古老的研究課題，現(xiàn)在的解決方法已經(jīng)很多。隨著較大型的計(jì)算機(jī)軟件的不斷發(fā)展，需要一種簡(jiǎn)單實(shí)用、直觀精確的研究方法。筆者發(fā)現(xiàn)，三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks建模較為簡(jiǎn)單，初學(xué)者容易上手，加之后期版本中無(wú)縫集成了全功能運(yùn)動(dòng)仿真軟件COSMOSMotion，可以對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)態(tài)靜力學(xué)分析。若將其仿真得到的大量機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)(諸如每個(gè)零部件的動(dòng)能曲線(xiàn)、系統(tǒng)平衡力矩曲線(xiàn)等)，運(yùn)用Excel電子表格進(jìn)行處理就可以建立起機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，然后用微分方程的數(shù)值解法--差分法就可以很容易地求解出機(jī)械系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
   
    基于這種思路，筆者以牛頭刨床為例，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)摸索，最終得到了一種較為簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方法。即，首先利用Solidworks軟件建立機(jī)械系統(tǒng)三維模型，然后用COSMOSMotion軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并將其仿真結(jié)果輸出到Excel電子表格中。接著在Excel電子表格中對(duì)這些仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，從而得到機(jī)械系統(tǒng)的等效參數(shù)(如等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、等效力矩等)，建立起機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程式，最后利用Excel的公式計(jì)算功能，求解出動(dòng)力學(xué)方程的數(shù)值解-機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
   
    這種機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方法，最大的優(yōu)勢(shì)在于:SolidWorks操作技術(shù)容易掌握;COSMOSMotion仿真功能強(qiáng)大，且對(duì)約束、力、力矩、運(yùn)動(dòng)等概念的定義與機(jī)械原理中的定義一致，容易理解;Excel軟件較為常用;整個(gè)求解過(guò)程不用編程。
   
    以下介紹這種方法在牛頭刨床機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用。
   
    1建立虛擬樣機(jī)
   
    B650牛頭刨床主要由滑枕、搖臂、大斜齒輪、齒輪變速/減速裝置、帶傳動(dòng)、電機(jī)、工作臺(tái)、進(jìn)給裝置和機(jī)身等組成。按照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在SolidWorks中，對(duì)所有零件進(jìn)行制作、裝配，最后得到圖1所示虛擬樣機(jī)(圖中機(jī)身等零件已隱藏)。從圖1中可以反映出主傳動(dòng)路線(xiàn)：電機(jī)一帶傳動(dòng)(小帶輪一大帶輪)一花鍵軸-滑移齒輪組一齒輪軸一大斜齒輪-滑塊1(圖中不可見(jiàn))-搖臂及滑塊2一連接件、銷(xiāo)1及2一滑枕、刀桿。
   
    為了便于分析，假定牛頭刨床的齒輪變速裝置處于圖示的嚙合狀態(tài)。其傳動(dòng)參數(shù)如下：小帶輪基準(zhǔn)直徑75mm，大帶輪基準(zhǔn)直徑355mm，花鍵軸與齒輪軸之間參與嚙合的齒輪齒數(shù)分別為55和36，齒輪軸與大斜齒輪之間參與嚙合的齒輪齒數(shù)分別為21和84。
   

    2運(yùn)動(dòng)仿真
   
    COsM0sMotion軟件仿真功能較強(qiáng)，支持多種約束和虛約束，可分別按位移、速度或加速度定義各種運(yùn)動(dòng)，包括定值、步進(jìn)、諧波、樣條曲線(xiàn)和函數(shù)等運(yùn)動(dòng)。用COSMOsMotion可以仿真各種復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的精確運(yùn)動(dòng)和進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力學(xué)分析。
   
    仿真成功與否的關(guān)鍵在于仿真參數(shù)的設(shè)置。COSMOSMotion仿真設(shè)置包括劃分運(yùn)動(dòng)和靜止零部件、添加運(yùn)動(dòng)副約束、定義原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)、添加工作阻力等。
   
    2．1零部件分組
   
    在COSMOSMotion中，需要將零部件劃分為兩類(lèi)：運(yùn)動(dòng)零部件和靜止零部件。筆者將與運(yùn)動(dòng)分析有關(guān)的零部件放到運(yùn)動(dòng)零部件組，與運(yùn)動(dòng)分析無(wú)關(guān)的或運(yùn)動(dòng)分析時(shí)固定不動(dòng)的零部件設(shè)為靜止零部件(可將V帶設(shè)為靜止零部件)。為了觀察方便，一般將影響觀察的靜止零部件壓縮或隱藏。
   
    2．2添加約束
   
    在進(jìn)入COSMOSMotion界面時(shí)，軟件會(huì)根據(jù)裝配圖中零部件之間的配合關(guān)系自動(dòng)為零部件添加約束。但在仿真時(shí)還應(yīng)根據(jù)具體分析對(duì)象和分析內(nèi)容，對(duì)一些約束進(jìn)行必要的增刪調(diào)整。
   
    C0SMOSMotion中的"固定副"約束用于鎖住2個(gè)剛性構(gòu)件，使之不能做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于現(xiàn)實(shí)世界中將2個(gè)構(gòu)件焊接在一起。筆者所研究的牛頭刨床中刀桿、連接件與滑枕之間，銷(xiāo)1、銷(xiāo)2與連接件之間，大帶輪、滑移齒輪組與花鍵軸之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以它們之間的約束采用"固定副"。
   
    "旋轉(zhuǎn)副"約束只允許2個(gè)剛性構(gòu)件之間有1個(gè)自由度的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。牛頭刨床中電機(jī)與小帶輪(含電機(jī)轉(zhuǎn)子)之間，花鍵軸與軸承(相當(dāng)于機(jī)架)之間，齒輪軸與軸承(相當(dāng)于機(jī)架)之間，大斜齒輪(曲柄)與機(jī)架(機(jī)身)之間，大斜齒輪(相當(dāng)于曲柄)與滑塊l之間，滑塊2與機(jī)架(機(jī)身)之間，搖臂與連接件(或銷(xiāo)1)之間均只有1個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以它們之間的約束采用"旋轉(zhuǎn)副"。
   
    "移動(dòng)副"約束只允許2個(gè)剛性構(gòu)件之間有1個(gè)自由度的相對(duì)移動(dòng)。牛頭刨床中滑塊l、滑塊2與搖臂之間，滑枕與機(jī)架(機(jī)身)之間均只有1個(gè)相對(duì)移動(dòng)，所以它們之間的約束采用"移動(dòng)副"。在COSMOSMotion軟件中，齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)仿真是依靠"耦合"來(lái)實(shí)現(xiàn)的。牛頭刨床中的小帶輪與大帶輪之間為帶傳動(dòng)，滑移齒輪組(或花鍵軸)與齒輪軸之間、齒輪軸與大斜齒輪之間均為齒輪傳動(dòng)，所以應(yīng)采用"耦合"方式定義它們之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。3個(gè)"耦合"的傳動(dòng)比分別為355／75、36／55和84／21。
   
    2．3輸入運(yùn)動(dòng)
   
    為了分析方便，選取大斜齒輪(相當(dāng)于導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)之曲柄)作為系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析時(shí)的原動(dòng)件，其轉(zhuǎn)速可按真實(shí)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速n4設(shè)定。
   

    故在COSMOSMotion界面，設(shè)置大斜齒輪的轉(zhuǎn)速為"恒定值"720(°)／s。
   
    原動(dòng)件轉(zhuǎn)速也可以任選。因?yàn)榻⒌刃?dòng)力學(xué)模型時(shí)，在系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效力矩計(jì)算中使用的是各構(gòu)件與原動(dòng)件速度的比值，而與真實(shí)速度無(wú)關(guān)。
   
    2．4添加工作阻力
   

    由于刀桿只在切削工件時(shí)有工作阻力，所以需要先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到刀桿的位移曲線(xiàn)(圖2)，才能確定出工作阻力P與仿真時(shí)間t之間的函數(shù)關(guān)系式：
   

    這樣就可以在COSMOSMotion中以函數(shù)形式為"刀桿"零部件添加工作阻力，其表達(dá)式為：IF(TIME-0.0472：0，7 000，IF(TIME-0.256 25：7000，0，IF（TIME-0.5:0，0，0）））。