副標(biāo)題#e#    0前言
   
    機械系統(tǒng)動力學(xué)分析是一個很古老的研究課題，現(xiàn)在的解決方法已經(jīng)很多。隨著較大型的計算機軟件的不斷發(fā)展，需要一種簡單實用、直觀精確的研究方法。筆者發(fā)現(xiàn)，三維設(shè)計軟件SolidWorks建模較為簡單，初學(xué)者容易上手，加之后期版本中無縫集成了全功能運動仿真軟件COSMOSMotion，可以對復(fù)雜機械系統(tǒng)進行完整的運動學(xué)仿真和動態(tài)靜力學(xué)分析。若將其仿真得到的大量機械系統(tǒng)運動及動力學(xué)參數(shù)(諸如每個零部件的動能曲線、系統(tǒng)平衡力矩曲線等)，運用Excel電子表格進行處理就可以建立起機械系統(tǒng)的動力學(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械系統(tǒng)在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段的真實運動規(guī)律。
   
    基于這種思路，筆者以牛頭刨床為例，經(jīng)過多次反復(fù)試驗摸索，最終得到了一種較為簡單的機械系統(tǒng)動力學(xué)分析方法。即，首先利用Solidworks軟件建立機械系統(tǒng)三維模型，然后用COSMOSMotion軟件進行運動仿真，并將其仿真結(jié)果輸出到Excel電子表格中。接著在Excel電子表格中對這些仿真結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析處理，從而得到機械系統(tǒng)的等效參數(shù)(如等效轉(zhuǎn)動慣量、等效力矩等)，建立起機械系統(tǒng)的動力學(xué)方程式，最后利用Excel的公式計算功能，求解出動力學(xué)方程的數(shù)值解-機械系統(tǒng)的真實運動規(guī)律。
   
    這種機械系統(tǒng)動力學(xué)分析方法，最大的優(yōu)勢在于:SolidWorks操作技術(shù)容易掌握;COSMOSMotion仿真功能強大，且對約束、力、力矩、運動等概念的定義與機械原理中的定義一致，容易理解;Excel軟件較為常用;整個求解過程不用編程。
   
    以下介紹這種方法在牛頭刨床機械系統(tǒng)動力學(xué)分析中的應(yīng)用。
   
    1建立虛擬樣機
   
    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、電機、工作臺、進給裝置和機身等組成。按照實測數(shù)據(jù)，在SolidWorks中，對所有零件進行制作、裝配，最后得到圖1所示虛擬樣機(圖中機身等零件已隱藏)。從圖1中可以反映出主傳動路線：電機一帶傳動(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)-搖臂及滑塊2一連接件、銷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運動仿真
   
    COsM0sMotion軟件仿真功能較強，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動，包括定值、步進、諧波、樣條曲線和函數(shù)等運動。用COSMOsMotion可以仿真各種復(fù)雜機械系統(tǒng)的精確運動和進行動態(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)置包括劃分運動和靜止零部件、添加運動副約束、定義原動件運動、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：運動零部件和靜止零部件。筆者將與運動分析有關(guān)的零部件放到運動零部件組，與運動分析無關(guān)的或運動分析時固定不動的零部件設(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
   
    在進入COSMOSMotion界面時，軟件會根據(jù)裝配圖中零部件之間的配合關(guān)系自動為零部件添加約束。但在仿真時還應(yīng)根據(jù)具體分析對象和分析內(nèi)容，對一些約束進行必要的增刪調(diào)整。
   
    C0SMOSMotion中的"固定副"約束用于鎖住2個剛性構(gòu)件，使之不能做相對運動，相當(dāng)于現(xiàn)實世界中將2個構(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1、銷2與連接件之間，大帶輪、滑移齒輪組與花鍵軸之間無相對運動，所以它們之間的約束采用"固定副"。
   
    "旋轉(zhuǎn)副"約束只允許2個剛性構(gòu)件之間有1個自由度的相對轉(zhuǎn)動。牛頭刨床中電機與小帶輪(含電機轉(zhuǎn)子)之間，花鍵軸與軸承(相當(dāng)于機架)之間，齒輪軸與軸承(相當(dāng)于機架)之間，大斜齒輪(曲柄)與機架(機身)之間，大斜齒輪(相當(dāng)于曲柄)與滑塊l之間，滑塊2與機架(機身)之間，搖臂與連接件(或銷1)之間均只有1個相對轉(zhuǎn)動，所以它們之間的約束采用"旋轉(zhuǎn)副"。
   
    "移動副"約束只允許2個剛性構(gòu)件之間有1個自由度的相對移動。牛頭刨床中滑塊l、滑塊2與搖臂之間，滑枕與機架(機身)之間均只有1個相對移動，所以它們之間的約束采用"移動副"。在COSMOSMotion軟件中，齒輪傳動、帶傳動的運動仿真是依靠"耦合"來實現(xiàn)的。牛頭刨床中的小帶輪與大帶輪之間為帶傳動，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，所以應(yīng)采用"耦合"方式定義它們之間的運動關(guān)系。3個"耦合"的傳動比分別為355／75、36／55和84／21。
   
    2．3輸入運動
   
    為了分析方便，選取大斜齒輪(相當(dāng)于導(dǎo)桿機構(gòu)之曲柄)作為系統(tǒng)運動分析時的原動件，其轉(zhuǎn)速可按真實系統(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。
   
    原動件轉(zhuǎn)速也可以任選。因為建立等效動力學(xué)模型時，在系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量和等效力矩計算中使用的是各構(gòu)件與原動件速度的比值，而與真實速度無關(guān)。
   
    2．4添加工作阻力
   

    由于刀桿只在切削工件時有工作阻力，所以需要先進行運動仿真，得到刀桿的位移曲線(圖2)，才能確定出工作阻力P與仿真時間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，其表達式為：IF(TIME-0.0472：0，7 000，IF(TIME-0.256 25：7000，0，IF（TIME-0.5:0，0，0）））。