水聲測(cè)量用反光膜片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

朱學(xué)文 陳毅 黃勇軍

（第七一五研究所，杭州，310023）

水聲測(cè)量用反光膜片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

朱學(xué)文 陳毅 黃勇軍

（第七一五研究所，杭州，310023）

設(shè)計(jì)了一套水聲測(cè)量用反光膜片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并在Solidworks軟件的運(yùn)動(dòng)仿真模塊COSMOSMotion中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，仿真數(shù)據(jù)與理論設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相符，驗(yàn)證了反光膜片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)理論設(shè)計(jì)的正確性以及加工的可行性。

水聲測(cè)量；反光膜片；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；仿真

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和武器裝備技術(shù)的發(fā)展，超聲和水聲設(shè)備的工作頻率越來越高，同時(shí)對(duì)測(cè)量裝置的要求也越來越高。反光膜片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是高頻換能器用激光法測(cè)量時(shí)的一個(gè)重要輔助調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。反光膜片使用時(shí)需將入射激光反射回去，所以需精確調(diào)節(jié)入射激光與反光膜片之間的位置與角度，而角度的調(diào)節(jié)包括水平角度與俯仰角度的調(diào)節(jié)。本文就是根據(jù)反光膜片角度調(diào)節(jié)的需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)反光膜片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)并虛擬裝配完成后，再進(jìn)行該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，以驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的理論運(yùn)動(dòng)參數(shù)與仿真運(yùn)動(dòng)參數(shù)的一致性。若二者一致，則說明理論設(shè)計(jì)是成功的，反之，則需要重新設(shè)計(jì)。

1 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與三維建模

Solidworks是基于Windows平臺(tái)的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，在國(guó)內(nèi)已得到廣泛使用。該軟件具有全面的實(shí)體建模功能，可快速生成完整的工程圖。本文以Solidworks為設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行反光膜片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維建模與虛擬裝配，之后再利用其運(yùn)動(dòng)仿真模塊COSMOSMotion進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)的仿真。經(jīng)過多次設(shè)計(jì)、修改，最后裝配完成的反光膜片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 反光膜片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)總裝配圖

該機(jī)構(gòu)主要由支撐框、旋轉(zhuǎn)桿、膜片、膜片夾、帶座軸承、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、行星輪、太陽(yáng)輪、底座、蝸輪、蝸桿、俯仰桿、外螺紋軸承等零部件組成，其中行星輪與太陽(yáng)輪構(gòu)成行星輪系。

2 仿真模塊COSMOSMotion中仿真

2.1 添加約束關(guān)系

在SolidWorks中打開反光膜片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配體，在其運(yùn)動(dòng)仿真模塊COSMOSMotion中指定運(yùn)動(dòng)零部件與靜止零部件，去除多余的COSMOSMotion自動(dòng)生成的約束關(guān)系并添加其他一些必要的約束關(guān)系，其中主要是旋轉(zhuǎn)約束。

2.2 添加機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源

主要是旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)與俯仰調(diào)節(jié)所需動(dòng)力，即旋轉(zhuǎn)扭矩，在COSMOSMotion中表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)與俯仰調(diào)節(jié)的角速度。本文設(shè)置兩個(gè)角速度大小均為20 deg/sec。具體設(shè)置見圖2[1,2]。

圖2 旋轉(zhuǎn)副運(yùn)動(dòng)屬性設(shè)置

2.3 添加3D碰撞

設(shè)置相互碰撞的兩對(duì)零件，即行星輪系的扇齒輪、直齒輪，組成旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；蝸輪、蝸桿組成俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。具體定義見圖3。

2.4 設(shè)置仿真參數(shù)

設(shè)置仿真時(shí)間6 s，仿真幀數(shù)為100。其他參數(shù)為默認(rèn)設(shè)置。

2.5 仿真分析

仿真完成后，繪制仿真曲線。包括支撐框與底座旋轉(zhuǎn)副的角速度和工程角曲線，即Revolute的角速度（圖4）與工程角曲線(圖5)；蝸輪繞自身Z軸旋轉(zhuǎn)的角速度與工程角曲線，即Revolute2的角速度（圖6）與工程角曲線（圖7）。

圖3 3D碰撞定義

圖4 支撐框的角速度

圖5 支撐框的工程角（z軸）

圖6 蝸輪角速度

圖7 蝸輪的工程角（z軸）

2.5.1 支撐框角速度與工程角分析

在本例中，行星輪系的結(jié)構(gòu)演示如圖8所示。圖中所示F=1+C/B，其中F為行星架轉(zhuǎn)動(dòng)一周行星輪所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，C為太陽(yáng)輪的齒數(shù)，B為行星輪的齒數(shù)。

圖8 行星輪系演示圖

在反光膜片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，支撐框的角速度即為DRIVER的角速度，C為太陽(yáng)輪，即本例中的扇齒輪，B為行星輪，即本例中的直齒輪?，F(xiàn)在已知B，即直齒輪的角速度，求DRIVER的角速度，所以可列出方程式：

其中，C為扇齒輪的齒數(shù)，B為直齒輪的齒數(shù)，x為支撐框的角速度，20為直齒輪的角速度，已知C=260，B=30，所以x＝2.3 deg/sec。

對(duì)比圖4可以看出，支撐框的角速度大小也在2.3上下波動(dòng)，在EXCEL中輸出0～6 s內(nèi)支撐框的角速度，并計(jì)算其平均值約為2.2 deg/sec，在誤差范圍內(nèi)仿真結(jié)果與理論計(jì)算吻合，數(shù)值上下波動(dòng)為齒輪之間相互碰撞的結(jié)果。

從圖5可以看出，支撐框在6 s內(nèi)轉(zhuǎn)過角度為14°左右，而2.3 deg/sec×6 sec＝13.8 deg，仿真結(jié)果與理論計(jì)算相當(dāng)吻合。

2.5.2 蝸輪蝸桿角速度與工程角分析

蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比：蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比是主動(dòng)的蝸桿角速度與從動(dòng)的蝸輪角速度的比值，傳動(dòng)比等于蝸桿頭數(shù)與蝸輪齒數(shù)的反比。即：

式中：n1、n2為蝸桿蝸輪的轉(zhuǎn)速；z1、z2是蝸桿頭數(shù)、 蝸輪齒數(shù)。需要指出的是， 蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比不等于蝸輪、 蝸桿分度圓直徑之比。

本例中，蝸桿頭數(shù)為1，蝸輪齒數(shù)為20，所以：

蝸桿角速度為20 deg/sec，蝸輪角速度為1 deg/sec，從圖6可以看出，蝸輪角速度在1 deg/sec上下波動(dòng)，這是蝸輪蝸桿碰撞的結(jié)果。從圖7可以看出，蝸輪在6 s內(nèi)的工程角并不等于6deg（1 deg/sec×6 sec），筆者分析應(yīng)該為蝸輪蝸桿之間存在縫隙，并且仿真時(shí)間太短的原因。

3 結(jié)論

經(jīng)過在SolidWorks中建模并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可以看出仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)基本吻合。驗(yàn)證了反光膜片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)理論設(shè)計(jì)的正確性以及加工的可行性，說明反光膜片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)完全可以滿足使用要求。從整個(gè)設(shè)計(jì)流程來看，仿真正逐步成為設(shè)計(jì)生產(chǎn)不可或缺的過程，不但減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，也可提高設(shè)計(jì)效率，降低生產(chǎn)成本。

[1]張晉西,郭學(xué)琴.SolidWorks 及COSMOS Motion機(jī)械仿真設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[2]SolidWorks公司.SolidWorks 2007 在線使用指南[Z].2007.

[3]SolidWorks公司.SolidWorks API二次開發(fā)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.