（机械设计及理论专业论文）基于虚拟样机的旋转平台传动系统的动力学分析.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着钢铁行业的不断进步，机械设备日益向着轻量化、高速、高精度方向发展，这样 就使得变形在机械设备中显得越来越突出。传动部件作为机械设备的必要组成部分，其设 计的好坏对机械设备的运行精度有决定性的影响，特别是机械零部件的变形会影响到整个 传动系统的工作性能和运行精度，从而对整个机械设备的性能也有很大影响。在传统的设 计阶段，常常因为没有很好地考虑机械零部件的变形，使得其它相关系统的设计也会受到 影响，所以传统的方法已经无法满足要求。 在传动系统动力学分析过程中引入虚拟样机技术，可以实现计算机对机械设备在实际 工况下的仿真模拟，并运用刚柔耦合模拟其零部件的变形情况，得到仿真输出参数和结果， 以此来估计和推断实际运行的各种数据，此方法对机械传动系统进行动态分析和结构设计 有一定的参考价值。 本论文针对某钢厂高线集卷站设备回转平台的传动系统，主要研究了以下内容： ( 1 ) 根据现场图纸及测得的数据分析了回转平台传动系统的结构、运动及动力。 ( 2 ) 利用p r o e 参数化的建模方法建立了传动系统的三维模型。 ( 3 ) 将三维模型导入a d a m s 中，建立了回转平台传动系统的虚拟样机，并通过角速度 和齿轮啮合力验证了所建立虚拟样机系统的正确性；对系统的实际运行情况进行仿真，分 析了输出角速度和角位移曲线。 ( 4 ) 利用p r o e 和a n s y s 将低速轴进行柔性化，将模态中性化文件导入a d a m s 中， 建立了系统刚柔耦合虚拟样机模型：对模型进行仿真，得到系统的输出角速度、角位移曲 线，并与刚性化下仿真得到的数据进行对比分析；分析了a d a m s 的输出应力图，并将其 中生成的载荷文件导入a n s y s 中进行应力分析j 通过应力分析结果对比验证了所建立的 柔性件以及a d a m s 中的应力分析结果的正确性，为虚拟样机技术在回转平台传动系统中 的应用提供了依据。 本论文的研究介绍了应用p r o e 建立模型，应用a d a m s 和a n s y s 进行虚拟样机的 柔性化动力学分析以及对柔性件进行应力分析的方法，借助各软件的数据交换接口，充分 利用了c a d 软件和c a e 软件的优点，提高了设计与分析的精度。 关键词：虚拟样机技术；p r o e ；a d a m s ；a n s y s ；刚柔耦合 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi r o na n ds t e e li n d u s t r y , t h em e c h a n i c a le q u i p m e n t sa r en o w g o i n g t o w a r d st ol i g h t w e i g h th i g h - s p e e da n dh i g h - - a c c u r a c y , t h u sd e f o r m a t i o nm o r ew i d e l ye x i ti nt h e m e c h a n i c a le q u i p m e n t t h ed e s i g no ft r a n s m i s s i o np a r tw h i c hi st h ee s s e n t i a lc o m p o n e n do f m e c h a n i c a le q u i p m e n ti sc u r c i a lt ot h em e c h a n i c a le q u i p m e n t sr u n n i n gp r e c i s i o n e s p e c i a l l y , t h e d e f o r m a t i o no fm e c h a n i c a lp a r tc a na f f e c tt h ew o r k sp e r f o r m a n c ea n dt h er u n n i n ga c c u r a c yo f t h et r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n de v e ng r e a t l yi m p a c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l em e c h a n i c a l e q u i p m e n t i nt h et r a d i t i o n a ld e s i g ns t a g e ，b e c a u s eo fl a c kc o n s i d e r a t i o no ft h ed e f o r m a t i o no f t h ec o m p o n do ft h em e c h a n i c a le q u i p m e n t ，i ta l s og r e a t l yi m p a c t st h ed e s i g no fo t h e rr e l e v a n t s y s t e r n s s ot h et r a d i t o n a ld e s i g nm e t h o dc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n t i n t r o d u c i n gt h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yt ot h ed y n a m i ca n a l y s i so ft r a n s m i s s i o ns y s t e m c a nr e a l i z ee m u l a t i o n a ls i m u l a t i o no fm e c h a n i c a le q u i p m e n tu n d e rp r a t i c a lc o n d i t i o nu s i n g c o m p u t e rt e c h n o l o g y i na d d i t i o n a ls i m u l a t i o no ft h ed e f o r m a t i o no ft h em e c h a n i c a lp a r tu s e s r i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n gs y s t e m a c c o r d i n gt h es i m u l a t i o no u t p u tp a r a m e t e r sa n dr e s u l t st o e s t i m a t ea n di n f e rt h ea c t u a lo p e r a t i o n a ld a t a s t h i sm e t h o dh a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et ot h e d y n a m i ca n a l y s i sa n ds t r u c t u r ed e s i g no fm e c h a n i c a lt r a n s i m i s s i o ns y s t e m t h i sa r t i c l eb a s e do nr o t a r yp l a t f o r mt r a n s m i s s i o ns y s t e mi nr o l lc o l l e c t i n gs t a t i o no f h i 曲一s p e e ds t e e lw i r ei no n es t e e lf a c t o r y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r el i s t e db e l o w ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ed r a w i n g sa n dt h et e s t i n gd a t a sa n a l y s i st h es t r u c t u r e 、m o t i o na n d d y n a m i co fr o t a r yp l a t f o r mt r a n s i m i s s i o ns y s t e m ( 2 ) u s i n gp a r a m e t r i cm o d e l l i n gm e t h o di np r o ee s t a b l i s ht h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lo f t r a n s i m i s s i o ns y s t e m ( 3 ) i n t r d u c i n gt h et h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lt oa d a m s t h e ne s t a b l i s ht h ev i r t u a lp r o t o t y p e o fr o t a r yp l a t f o r mt r a n s m i s s i o ns y s t e m b ym e a n so ft h eo u t p u td a t a si n c l u d ea n g u l a rv e l o c i t i e s a n dg e a rm e s h i n gf o r c e st ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h ee s t a b l i s h e dv i r t u a lp r o t o t y p es y s t e m s i m u l a t i n gt h ea c t u a lo p e r a t i o ns i t u a t i o no ft h es y s t e m ，t h e na n a l y st h eo u t p u tc u r v e so fa n g u l a r v e l o c i t i e sa n da n g u l a rd i s p l a c e m e n t ( 4 ) u t i l i z i n g p r o ea n da n s y se s t a b l i s ht h ef l e x i b i l i t yo ft h el o ws p e e ds h a f t t h e n i n t r o d u c i n gt h em o d e ln e u t r a lf i l et oa d a m s s ot h er i g i d f l e x i b l ec o u p l e dv i r t u a lp r o t o t y p e s y s t e mi se s t a b l i s h e d s i m u l a t i n gt h em o d e la n dc o m p a r a t i v ea n a l y st h eo u t p u tc u r v e so fa n g u l a r v e l o c i t i e sa n da n g u l a rd i s p l a c e m e n tw i t ht h eo u t p u tc u r v e su n d e rr i g i ds h a f t a n a l y s i n gt h e o u t p u ts t r e s sm a pi na d a m s ，t h e ni m p o r tt h el o a df i l et oa n s y si no r d e rt oc a r r yo u ts t r e s s a n a l y s i s c o m p a r a t i v ea n a l y s i s i n gt h er e s u l t so ft h es t r e s sa n a l y s i st ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h e m o d e ln e u t r a lf i l ea n dt h er e s u l to ft h es t r e s sa n a l y s i si na d a m s t h i sm e t h o dp r o v i d e s e v i d e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o nf o rv i r t u a lp r o t y p et e c h n o l o g yi nr o t a r yp l a t f o r mt r a n s i m i s s i o n s y s t e m t h er e s e a r c ho ft h i sa r t i c l ei n t r o d u c et h em e t h o dt h a tc o n t a i n s ：e s t a b l i s hm o d e li np r o e d y n a m i ca n a l y so ft h ev i r t u a lp r o t y p ew h i c hi n c l u d et h ef l e x i b l ep a r ta n ds t r e s sa n a l y s i so ft h e f l e x i b l ep a r tu s i n ga d a m sa n da n s y s b ym e a n so ft h ei n t e r f a c e sb e t w e e nt h es o f t w a r et o a n o t h e r , m a k ef u l lu s eo ft h ea d v a n t a g e so fc a ds o f t w a r ea n dt h ec a es o f t w a r e s t i l i sm e t h o d i m p r o v e st h ep r e c i s i o no fd e s i g na n da n a l y s i s k e y w o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ；p r o e ；a d a m s ；a n s y s ；r i g i d f l e x i b l ec o u p l e d 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：! 孓璺日期：哆量_ 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 钢铁行业是国民经济中重要的基础行业，是实现工业化的支撑行业，是技术、资金、 资源、能源密集型行业，在国民经济发展中占有重要的地位和作用。近些年来，随着中国 加入世界贸易组织，进口钢材关税的下调和进口限额或配额的逐步取消，钢铁企业的国际、 国内竞争变得更加激烈，要在这场竞争中立于不败之地，我国钢铁企业就必须不断的发展 进步，提高产品质量，增加产品的高附加值。在这种大环境下，我国钢铁企业结构进几年 来不断优化，已取得了可喜的成绩，其重要原因之一就是近十年来大力进行了企业的技术 改造，不断增强企业的自主创新能力，从而增强企业的竞争优势。在钢铁企业的技术改造 和创新中，机械系统都不断向着轻量化、高速、高精度方向发展。 随着机械系统向轻量化方向发展，构件的柔度加大；随着机械系统向高速化方向发展， 系统的惯性力急剧增大。在这种情况下，传统的设计方法已经无法满足系统对精度的要求。 在设计阶段，常常由于没有很好地考虑机械部件的弹性变形而给机械的运动输出带来误 差，特别是对于一些精密度要求比较高的机械，结果使得其它系统的设计也受到影响【l 】， 因此，寻求一种有效的设计方法，来研究机械系统的动力学性能及其零部件的变形，具有 很重要的意义，所以这里引入了基于虚拟样机技术的计算机仿真技术。 高线收集区双臂芯棒是一个通过齿轮传动的机械设备，齿轮传动装置是在原动机和工 作机之间用于降低速度、增大扭矩的传动装置，广泛应用于国防、交通、冶金、宇航、矿 山、建筑等领域。齿轮传动系统包括齿轮副、轴、轴承、箱体，也包括和齿轮传动有关的 联轴器、原动机和负载掣2 1 。其中各零部件的结构和相关连接关系构成了一个复杂的机械 系统。在整个传动系统中，轴作为传动系统中承受较大负载且容易扭曲的关键部件，由于 其承载较大工程中经常遇到断裂、大变形等；又由于其容易产生扭曲变形，所以对系统的 传动的输出定位也会产生不小的影响。因此，很有必要研究传动轴在柔性化下对系统运动 输出的影响，并且研究其在柔性化条件下的受力情况，此研究对整个传动系统的进行设计 和动力学分析都具有一定的理论意义和应用价值，并可以为后续的控制系统等提供相关的 理论依据。 在此分析的基础上，利用得到的数据可以对其液压传动系统、电气控制系统等设计改 造进行指导，以提高整个旋转平台传动系统的工作精度。 1 2 研究现状 1 2 1 虚拟样机技术 工程中常规的研究方法，一般是首先进行不同的方案设计，并绘制出工程图纸；后在 经过较长时间的基于经验的方案论证后，选出较合适的方案并绘制出物理样机；再进行试 验设计，并对物理样机在多种工况下进行测试；当发现结构或性能方面有缺陷时，就修改 设计方案及工程图纸，然后再次制造物理样机并对其进行测试。从上面的复杂过程不难看 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 出，这种传统的物理样机研究方法大大增加了新产品的开发周期和成本，而且很难选用真 正的最优化方案。 采用虚拟样机技术，则可改变这种状况。“虚拟样机 一词来自“v i r t u a lp r o t o t y p i n g ， 也称“虚拟原型”或“虚拟模型 ，严格地说是“虚拟成样 ，即用现代计算机仿真技术 ( 特别是可视化计算机技术) 生成“虚拟样机 ，说它是“虚拟”的，是因为这个“样机 并不是物理实体，又说它是“样机 ，是因为它具有一切样机实体的外观显现、操作界面， 以及完备的样机功能过程。 虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计算机仿真模型的数 字化设计方法，是国际上2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的的一项计 算机辅助工程技术。虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是一门综合多学科技术。 它以机械动力学、多刚体动力学、有限元分析和控制理论为核心，运用成熟的计算机图形 学技术，将产品各零部件的设计和分析集成在一起，建立机械系统数字模型，从而为产品 的设计、研发、优化提供了基于计算机虚拟现实的研究平台。设计者在计算机上建立样机 模型，用数字化形式代替传统的物理样机，使设计者在各种虚拟环境中真实的模拟产品整 体的运动及受力情况，快速的分析多种设计方案。对模型进行多种静、动态性能分析，然 后不断的改进样机设计方案，直到获得系统级的优化方案。 虚拟样机开发过程在某种程度上来说，被认为是一种基于模型的不断提炼与完善的过 程。利用虚拟模型，人们可以在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、装配和测试操 作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改。可以将已开发的产品( 部件) 存放在计算机里 不但大大节省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改变设计，快速投入批量生产， 从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量、降低成本【3 】。 一 而在机械系统中，柔性体将会对整个系统的运动产生重要影响，在进行动力学分析时 如果不考虑柔性体的影响将会造成很大的误差，同样整个系统的运动情况也反过来决定了 每个构件的受力状况和运动状态，从而决定了构件内部的应力应变分布【4 】。因此如果要精 确地模拟整个系统的运动，考虑柔性体部件对系统运动的影响，或者想基于精确的动力学 仿真结果，对运动系统中的柔性体进行应力应变等强度分析，我们还必须用到虚拟样机中 的有限元分析法。 1 2 2 有限元法 有限元法也叫有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，2 0 世纪6 0 年代中期有限元方 法在虚功原理和最小势能原理基础上引申和推广的有限元法，并且导出了相应的一般计算 格式。有限元的产生和发展，为解决复杂结构强度设计提供了巨大的技术经济效益。近2 0 年以来，有限元方法( f e m ) 以它高的计算精度，广阔的解算能力、简单的应用方法、低的 计算成本，成功地为各工程结构强度问题提供极为优秀的成果而深受工程界的欢迎。有限 元方法的本身也在应用中迅速发展，目前已被工程界公认为最有效的强度计算分析方法【5 】。 开发和设计作为产品形成过程链的重要组成部分，不仅要求具有较短的周期，还要求 能够提出功能最优和成本最低的技术方案。工程设计决定了产品制造成本中的很大一分。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 零部件造型以及对零部件功能安全性和经济性方面的计算校核也是产品开发过程中的重 要工作之一。f e m 是一种通用的、用来对数学上可描述的物理问题进行数值计算的方法。 利用这种方法，可以在十分接近真实情况的静态和动态运行条件下研究零部件的特性，而 无须投入大量的实际试验费用。f e m 的应用重点是对零部件和整个系统的物理特性进行 研究，尤其适用于强度校核、应力分析、变形计算、温度场计算、对安全性有重要影响的 构件的材料疲劳计算以及零部件结构的优化等，以节约材料和减轻构件重量，并尽可能节 约甚至不需要制作高成本样品和原型的费用【6 】。 1 2 3a d a m s 与a n s y s a d a m s 软件是最著名的机械系统动力学仿真分析软件，分析对象主要是多刚体。 a n s y s 是大型通用有限元分析软件，a d a m s 与a n s y s 软件结合使用可以考虑零部件的 弹性特性。反之，a d a m s 的分析结果可为a n s y s 分析提供人工难以确定的边界条件。 a n s y s 进行模态分析的同时，可生成a d a m s 使用的柔性体模态中性文件( 即m n f 文 件) 。然后利用a d a m s 中的a d a m s f l e x 模块将此文件调入a d a m s 以生成模型中的柔 性体，利用模态叠加法计算其在动力学仿真过程中的变形及连接节点上的受力情况。这样 在机械系统的动力学模型中就可以考虑零部件的弹性特性，提高系统仿真的精度。 反之，a d a m s 进行动力学分析时可生成a n s y s 软件使用的载荷文件( 即1 0 d 文件) ， 利用此文件可向a n s y s 软件输出动力学仿真后的载荷谱和位移谱信息。a n s y s 可直接调 用此文件生成有限元分析中力的边界条件，以进行应力、应变以及疲劳寿命的评估分析和 研究，这样可得到基于精确动力学仿真结果的应力应变分析结果，提高计算精度。 1 3 研究课题来源 1 3 1 双芯棒集卷站 双芯棒集卷站是一般钢厂高速线材生产线精整区的主要设备之一，高速线材轧制线上 的散卷必须通过集卷站双臂芯棒的作用不断将盘卷收集并输送至运卷车上，才能使生产得 以维持，在整个高线设备中处于一个承上启下的地位，其工作能力及运行的稳定性对整个 高速线材生产线至关重要。其形式主要有两种：( 1 ) x y , 臂采用相互垂直的形式。当托盘从集 卷筒内接到的整卷高速线材，释放到双臂芯轴上时，托盘的双臂张开。双臂芯轴正向旋转 1 8 0 。，将带有线材的一臂转到水平位置，收集小车将从水平位置接走成卷的线材。同时 另一臂正好转到垂直位置，通过托盘接下一卷从轧线来的线材。( 2 ) 5 0 2 臂采用相互平行的形 式，双臂固定在回转平台上。当托盘从集卷筒内接到的整卷高速线材，释放到双臂芯轴上 后，双臂芯轴正向旋转1 8 0 。，绕固定支座再顺时针翻转约9 0 0 角至垂直位置，将钢卷放 置水平，收集小车将从水平位置接走成卷的线材。同时另一臂正好转到另一端平行的位置， 通过托盘接下一卷从轧线来的线材。第一种结构比较简单，第二种结构，较复杂本文研究 的对象为第二种。 集卷站回转平台传动系统将轧制出的线材通过升降设备、回转平台、转送小车传送至 贮运区，其间共经过1 4 个动作，各动作相互关联、顺序进行，并采用液压系统进行驱动， 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 p l c 系统进行联锁控制。双臂芯棒本身加上盘卷的重量有几吨，同时旋转力臂也较长，并 需要两个方向旋转1 8 0 。，而且运行过程中要经过加速和减速阶段，这就形成了大惯量的 传动系统，考虑到其中易变形件特别是轴系对传动的影响，就大大增加了对传动精度的控 制难度，因此对其中的传动系统而言，提高传动系统的运动稳定性和定位精度越来越重要。 另外，由于较大负载的存在，对于传动轴的应力分析也是很重要的一个环节，必须保证整 个传动系统在相对安全的环境下运行。 1 3 2 实际出现的主要问题 回转平台传动系统在运行过程中动作频繁，并且承担了较大的静力和冲击载荷，因此 长时间运转容易发生系统稳定性不够和传动精度降低等故障，具体表现在：( 1 ) 回转平台转 动精度不够，无法准确定位，易出现过传动或欠传动现象，严重时撞坏台架限位块，影响 正常生产：( 2 ) 整条生产线的停产8 0 来源于该处，几乎天天维修；( 3 ) 其中的传动轴容易 出现大变形和断裂，影响系统的正常运行。因此对原有集卷站旋转平台传动系统进行分析， 就具有非常重要的意义。 1 4 本论文的主要研究内容 本文以某钢厂双芯棒集卷站回转平台传动系统为研究对象，利用虚拟样机技术，分析 传动轴作为柔性体的弹性变形对系统输出角速度、角位移精度的影响，并分析其应力情况， 为系统后续的改进和设计，在理论上提供一定的依据和参考。 ( 1 ) 第一章阐述了研究的背景及意义，介绍了虚拟样机技术和有限元法，概述了双芯棒集 卷站的形式及故障表现。 ( 2 ) 第二章为回转平台传动系统的结构、运动及动力分析。具体工作内容包括：回转平台 传动系统机械系统结构组成分析；旋转平台运行情况及启动、加速时间以及速度、加 速度、临界角加速度等运行特征参数计算；回转平台转动惯量、驱动扭矩、最大负载 等相关力学参数计算等，为后续的技术方案拟定提供原始参数和理论基础。 ( 3 ) 第三章着重介绍了基于p r o e 的传动系统三维模型的建立过程。主要论述了直齿轮参 数化特征建模与参数化过程，利用这种参数化的方法，实现其它齿轮的建模，并建立 了旋转平台的整个传动的三维模型。 ( 4 ) 第四章重点介绍了基于a d a m s 的回转平台传动系统的动力学仿真过程。实现了p r o e 与a d a m s 之间的数据转换，通过施加载荷与约束、选取碰撞参数实现减速器虚拟样 机的建立。完成了回转平台传动系统的动力学的仿真，验证了虚拟样机模型的准确性。 根据实际工况，分析了系统输出的角速度和角位移曲线。 ( 5 ) 第五章重点介绍了基于a d a m s 和a n s y s 的回转平台传动系统传动轴柔性化的动力 学仿真过程。叙述了p r o e 与a n s y s 之间的数据转换，实现了传动轴柔性化的过程， 将轴柔性化后，成功导入了a d a m s 建立系统刚柔耦合虚拟样机模型，通过对模型进 行动力学仿真，研究了在传动过程中传动轴对系统传动输出的角速度和角位移的影 响。在a d a m s 中对轴进行了应力分析，并且利用从a d a m s 中导入的载荷文件，在 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 a n s y s 中得到了应力分析的结果，对这两个应力分析结果进行了比较，不仅对 a d a m s 中的结果进行了验证，而且验证了本文虚拟样机柔性轴模型建立的正确性。 ( 6 ) 最后一章为本论文的结论部分，总结了所做的工作及进一步工作的展望。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章回转平台传动系统的结构、运动及动力分析 2 1 回转平台的结构分析 2 1 ，1 高速线材集卷站系统布局 高线集卷站传动系统将轧制出的线材通过升降设各、回转平台、转送小车传送至贮运 区，其白j 共经过一系列动作，各动作相互关联、顺序进行。其中回转平台的作用是：高速 线材轧制线上的散卷必须通过集卷站双臂芯棒的作用不断将盘卷收集并输送至运卷车上 爿能使生产得以维持。如图21 所示为集卷站系统结构布局简图。 图21 集卷站系统结构布局简圉 2 1 2 回转平台结构与传动系统布局 凹转平台结构简图如图2 2 所示。其中回转平台绕竖直轴作1 8 0 。往复旋转运动。运 动传递路线为：液压马达一减速机一小齿轮一齿圈一平台。 、划i 掣l ，j 。 ， _ 旋转平台齿圈7 7 ll 旷1 i i _ r 气、 乒舶 瓣 芒 一_ 小齿轮 、! l 啦山j q 、 减速机 邛1 液压马达 i 一恻一j | ；一j 一卜一 图2 2 回转平台结构简图 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 1 3 回转平台传动部分主要构件与性能分析 系统中主要动力与传动元件性能如表2 1 和表2 2 所示 表21 液压马达主要参数表 马达型号c o d 1 5 1 4 ) 2 4 2 最大转述7 5 0 转肠 最人功率1 0 k w 最大输出扭矩2 7 0 n m 表22 减速机主要参数表 额定输出扭矩 最人输出扭矩帅0 0 n m 最大转述 1 4 0 0r m 额定减速比i ：2 5 安全系数2 5 现行的传动系统在旋转平台加速、减速、制动时，惯性大，具有滞后性。这种由惯性 带动的旋转使轴在传动中容易发生变形，从而对轴的传动造成一定影响，使回转平台停止 运动后，容易出现芯轴不在垂直位置的情况。出现“过传动”或“欠传动”现象。由于负 载较大，使轴承受较大的应力，容易产生断裂、大变形等，影响设各的正常运转。 2 2 回转平台的运动与动力学分析 2 2 1 集卷站回转平台总体转动惯量计算 1 回转平台简图 该回转平台包括平台，在平台下部添加的圆衬板，眷轴( 2 个) 及满载条件下的线眷 四个部分，简图如图2 3 所示。 3 6 0 0 j 、 苗 ： 卜。 2 ： 2 回转平台转动惯量计算 田23 旋转平台结构简图 转一r 卉 第8 页 ( 1 ) 平台回转惯量 刚体对于通过质心的轴的转动惯量计算公式【7 】： 1 = ( 去m 2 + m r 2 ) 武汉科技大学硕士学位论文 式中：m 为质量；，为直杆的长度；r 为回转半径。 平台质量m = 2 0 0 0k g ，构成平台的四根梁按均质直杆计算， 代入上式可得： i o = 4 4 0 0 k g m 2 ( 2 ) 圆衬板的转动惯量 均质薄圆板对于中心轴的转动惯量计算公式： ，：! 脚2 2 式中：m 为质量；r 为回转半径。 ( 2 1 ) 单位长度重量1 6 3 k g m 。 ( 2 2 ) 衬板厚度h = 4 0 m m ，半径r = 5 0 0 m m 。 衬板质量m = , o h z r 2 = 7 8 5 x0 0 4 x 3 1 4 x0 5 2 = 2 4 6 5 r g 代入上式可得： 1 1 = 1 1m r 2 = 与2 4 6 5 0 5 2 = 3 0 8 1 2 5 k g m 2 二二 ( 3 ) 卷轴的转动惯量 求卷轴对于回转平台回转轴线的转动惯量可视为求质点相对于回转轴线侧转动惯量的 情况。 质点对回转轴的转动惯量公式： i = m r 2( 2 3 ) 卷轴质量m = 1 9 6 0k g ，距离回转轴线半径r = 1 8 m ，共有两个。 代入上式可得：1 2 = n m r 2 = 2 x 1 9 6 0 x 1 8 2 = 1 2 7 0 0 8 k g m 2 ( 4 ) 满载线卷的转动惯量 线卷质量取为2 5 0 0k g ，其中心轴线与卷轴轴线相同。 由( 3 ) 可知： 厶= m r 2 = 2 5 0 0 x 1 8 2 = 8 1 0 0 k g m 2 ( 2 4 ) 3 结果 空载时平台总体转动惯量：j w l + 1 2 = 1 7 1 3 1 6 k g m 2 满载时平台总体转动惯量：i = i o + i i + 1 2 + 1 3 = 2 5 2 3 1 6 k g 聊2 2 2 2 水钢回转平台驱动扭矩计算 ( 1 ) 角速度曲线图 初步按照加速时间与减速时间相等考虑，并且暂取加、减速时间为1 5 s ，总运行时间 取为9 s ，则运行过程的速度曲线如图2 4 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 01 5 7 59 t ( s ) 图2 4 平台运行速度曲线 ( 2 ) 角加速度曲线图 加、减速时间相同，则运行过程的加速度曲线如图2 5 所示。 s ) 图2 5 平台运行加速度曲线 ( 3 ) 角速度与角加速度计算 角位移计算公式： 秒= i 1 日。2 + t o t + 寺甜! 。= t o t + 甜：= 研+ 研。= 万o + f 。) ( 2 5 ) 二二 式中：0 为角位移；为角加速度；t a 为加速时间；t a 为减速速时间；t 为匀速转动时间。 将0 = - 1 8 0 0 ，t = 6 s ，t a - - - - t a = 1 5 s 代入上式可得： 角速度t o = 1 8 0 7 5 = 2 4 ( o s 2 ) 角加速度 e = t o t a = 2 4 1 5 = 1 6 ( o s 2 ) = o 2 8r a d s 2 ( 4 ) 驱动扭矩计算 扭矩公式：t = i e = 2 5 2 3 1 6 k g m 2x 1 6 9 1 8 0 $ 2 = 7 0 4 2 4 2 n 朋 摩擦力矩：t f = m g f r 取卷轴重量1 9 6 0 k g 个，线卷重量2 5 0 0 k g ，总摩擦系数f = 0 0 0 8 ，回转半径为0 6 m ， 则摩擦力矩为： t l = ( 1 9 6 0 2 + 2 5 0 0 ) 1 0 0 0 0 8 x 0 6 = 3 0 8 1 6 n m ( 5 ) 结果 启动加速时为最大扭矩t j 。= t + t f = 7 0 4 2 4 2 + 3 0 8 1 6 = 7 3 5 0 4 8 n 朋 匀速运动时扭矩t 垤= t f = 3 0 8 1 6 n 聊 减速时扭矩t j 。= t - t f = 7 0 4 2 4 2 3 0 8 1 6 = 6 7 3 4 2 6n m 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章研究了集卷站回转平台传动系统的结构、运动及动力分析。从系统结构与运行情 况，讨论了影响其性能的主要因素，计算了旋转平台的启动、加速时间以及速度、加速度、 临界角加速度等运行特征参数；还计算了旋转平台转动惯量、驱动扭矩、最大负载等相关 力学参数，为后续的改进方案拟定提供原始参数和理论基础。 武汉科技大学硕士学位论文 第11 页 第三章回转平台传动系统三维模型的建立 零部件的实体建模及装配是虚拟样机设计的重要组成部分，由于回转平台传动系统结 构很复杂，而a d a m s 对形状复杂零件的建模功能不够强大，所以需要借助其他三维软件 来完成实体建模，这里我们借助的软件是p r o e 引。 3 1 概述 3 1 1p r o e p r o e 是美国参数化技术公司p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 开发的一款功能 强大的基于特征的三维造型软件，其技术领先，内容涵盖了产品概念设计、工业造型设计、 三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的输出、生产加工成产品的全过程， 其中还包括了大量的电缆和管道布线、模具设计与分析等实用模块。该软件在m c a d 软件 的开发上始终秉承“易学易用、功能强大、互连互通 的理念。软件以使用方便、参数化 造型和系统的全相关性而著称【9 】。 p r o e 可谓是个全方位的3 d 产品开发软件，集合了零件设计、产品组合、模具开发、 n c 加工、饭金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分 析、产品数据管理于一体，其模块众多。主要由以下六大主模块组成：工业设计( c a i d ) 模块、机械设计( c a d ) 模块、功能仿真( c a e ) 模块、制造( c a m ) 模块、数据管理( p d m ) 模块和数据交换( g e o m e t r yt r a n s l a t o r ) 模块。p r o e 有相关性( f u l la s s o c i a t i v e l y ) 、基于特 征的参数化建模( f e a t u r e - b a s e dp a r a m e t r i cm o d e li n ) 、数据管理( d a t am a n a g e m e n t ) 、装 配管理( a s s e m b l ym a n a g e m e n t ) 、工程数据库重用( e n g i n e e r i n gd a t er e u s e e d r ) 、易用性 ( e a s eo f u s e ) 、硬件的独立性( h a r d w a r eii n d e p e n d e n c e ) 等几大特性。p r o e 软件在我国的机 械、电子、家电、塑料模具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电、玩具等行业取得了 广泛的应用，该软件在国内的应用数量大大超过了同类型的其它国外产品。 它以单一数据、参数化、基于特征、全相关性以及工程数据再利用等改变了传统机械 设计的观念，成为当今机械c a d 的新标准，在全球拥有广大的用户，深受业界人士的拥护。 p r o e n g i n e e r 的突出特性是基础的工作方式和通用的模型联合性，下面以p r o e n g i n e e r 软件 为建模工具，介绍传动系统虚拟样机模型建造的过程。利用三维造型软件建模的一般流程 是首先根据总体规划了解设计目的，然后建立零件模型，再根据需要组装成部件。 3 1 2p r o p r o g r a m 在零件的设计过程中，如果零件的外形具有高度的重复性，那么经常重复同样的步骤 便显得不具效率。为了提高工作效率，p r o e 软件提供了一个可程序化的工具- p r 0 p r 0 蓼锄。 通过运行该程序，系统通过人机交互的方式来控制系统参数、特征出现与否和特征的具体 尺寸。利用此工具可以将某些经常要更改的步骤或尺寸，事先以语句的方式写入，在使用 时只需输入关键的参数，便可直接生成零件。 程序的主要由以下几个部分组成： 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 标题 程序前三行为标题部分，显示出版本编号、文件类型( 零件或装配件) 、文件名称。 ( 2 ) 参数化输入 参数输入部分由i n p u t 语句开始，e n di n p u t 语句结束，提供再生所需参数输入界面。 ( 3 ) 关系式 用户可以根据需要添加参数之间关系式。 ( 4 ) 特征的创建过程 这部分是对模型创建过程的建立，是程序的主体，以a d d 语句开头，e n d a d d 语句结 尾。 ( 5 ) 模型重量的计算。 模型的重量是在所有特征建立完成后对模型重量的准确计算。 3 1 3 回转平台传动系统简介 就本文研究的回转平台传动系统而言，液压马达通过联轴节将动力输入到齿轮减速 器，经过减速器减速后输出，输出端和小齿轮通过轴连接，从而带动回转平台旋转，实现 线圈的运输，回转平台传动示意图如图3 1 所示。 其啮合特性如下表3 1 所示。 图3 1 传动系统示意图 表3 1 啮合特性表 齿别齿数模数速比中心距齿宽 z ml ab z l2 05 7 5 5 73 3 5 z 21 1 457 0 z 32 181 2 0 4 3 8 14 5 2 z 49 281 1 0 z 52 01 07 0 4 6 53 6 5 z 69 31 07 0 总速比 i 怠 1 1 6 1 2 电动机功率k w 1 0 电动机转速蛾 食7 5 0 输出最大力矩n m2 7 0 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 减速器由液压马达驱动，输入轴通过联轴器和液压马达相连，输出轴将动力输出到旋 转平台，实现平台的运行。 3 2 参数化设计 3 2 1 参数化设计的方法 参数化设计也叫尺寸驱动，是现代设计的一大特色。之所以采用这种技术，不仅是因 为c a d 系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图等许多优点。利用参数化设计手段开发 的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大 提高设计速度，并减少信息的存储量。 参数化设计的一种驱动机制即参