楊建新，王振宏

(長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022)

0 引言

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，隨動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于軍事工業(yè)和民用工業(yè)［1］，因此其性能的好壞就顯得極其重要。由于隨動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)非常的復(fù)雜，它在實(shí)際的工作過程中會(huì)受到各種干擾負(fù)載的影響，比如，系統(tǒng)中發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)的部件間摩擦力的存在會(huì)使系統(tǒng)受到摩擦負(fù)載的影響，系統(tǒng)在做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到慣性負(fù)載的影響，此外還會(huì)受到諸如正弦力矩負(fù)載和沖擊負(fù)載的影響。這些干擾負(fù)載的存在會(huì)嚴(yán)重影響到隨動(dòng)系統(tǒng)的正常工作，因此非常有必要對這些負(fù)載進(jìn)行模擬，以便在實(shí)驗(yàn)室條件下對隨動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行檢測。本文就是通過對以往負(fù)載模擬系統(tǒng)的研究，結(jié)合電子、液壓技術(shù)的特點(diǎn)［2］，基于電液伺服控制技術(shù)設(shè)計(jì)出了一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)，來完成對隨動(dòng)系統(tǒng)干擾負(fù)載的模擬和加載任務(wù)。

1 負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)所要模擬的干擾負(fù)載的主要技術(shù)指標(biāo)為:a)、摩擦負(fù)載——范圍0～10Nm、精度±1%FS;b)、慣性負(fù)載——范圍0～100Nm、精度±1%FS;c)、沖擊負(fù)載——范圍0～100Hz、精度±1%FS。試驗(yàn)臺(tái)的使用要求:基座方便移動(dòng)，被試隨動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)上的安裝高度要大于1m，危險(xiǎn)部件應(yīng)該設(shè)有防護(hù)裝置，試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊，另外試驗(yàn)臺(tái)還應(yīng)具有較好的抗震、防塵能力。

根據(jù)上面干擾負(fù)載的技術(shù)指標(biāo)和試驗(yàn)臺(tái)的使用要求，設(shè)計(jì)了負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)主要由基座、溫控箱、液壓伺服系統(tǒng)、變速箱、齒輪箱、被試電機(jī)支撐架、被試電機(jī)以及其它一些部件組成。其中，為了滿足負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊性的需要，在對其進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用了各主要部件集中放置的方式，設(shè)計(jì)了一個(gè)高強(qiáng)度基座，用來放置主要部件。同時(shí)，考慮到試驗(yàn)臺(tái)的移動(dòng)和操作使用的方便性，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的底部設(shè)置了四個(gè)輪子，并在四周設(shè)置了方便人工搬運(yùn)的扶手和吊環(huán)。另外，由于做高、低溫實(shí)驗(yàn)的需要，設(shè)計(jì)了具有調(diào)溫功能的溫控箱，把試驗(yàn)臺(tái)上的主要零部件都安裝在溫控箱中。

圖1 負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖

2 負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力學(xué)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的技術(shù)指標(biāo)可知負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)的工作范圍在0～100HZ左右，為了避免試驗(yàn)臺(tái)在工作時(shí)產(chǎn)生共振［3］，即試驗(yàn)臺(tái)的固有頻率和工作頻率重合，所以需要對試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。本文采用有限元軟件ANSYS Workbench對試驗(yàn)臺(tái)整體進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。

為了仿真的順利進(jìn)行，在保證動(dòng)力學(xué)分析的準(zhǔn)確性的情況下，應(yīng)盡量減少仿真分析的計(jì)算量，所以首先需要對試驗(yàn)臺(tái)的模型進(jìn)行簡化。模型簡化的原則是刪除對系統(tǒng)固有頻率影響較小的零部件或零部件的結(jié)構(gòu)特征［4］。再將試驗(yàn)臺(tái)的模型簡化后把其導(dǎo)入仿真軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文采用四面體單元，對試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分，劃分后的有限元模型有6740個(gè)節(jié)點(diǎn)和1384個(gè)單元，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。設(shè)計(jì)時(shí)基座的材料選為鑄鐵，其它主要零部件的材料為40Cr，材料的泊松比和密度分別為0.28和7.82E-3。通過固有頻率分析，可以得到試驗(yàn)臺(tái)的各階振型如圖3a～圖3d所示，相應(yīng)的固有頻率如表1所示。由于被試電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍是0～6000r/min，試驗(yàn)臺(tái)工作頻率在0～100Hz，所以試驗(yàn)臺(tái)的前幾階振型和負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)的工作頻率相近，為了避免試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生共振，需要對試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 完成網(wǎng)格化分后的試驗(yàn)臺(tái)有限元模型

表1 試驗(yàn)臺(tái)固有頻率表

圖3 試驗(yàn)臺(tái)的各階振型圖

通過對圖中前四階振型的仿真結(jié)果分析，可以看出整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的中間部分和被試電機(jī)支架的振動(dòng)較大，無法滿足穩(wěn)定工作的需要。所以必須對這兩部分重點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，方法一是在試驗(yàn)臺(tái)底部的中間部分增加兩個(gè)支撐，但這樣會(huì)加大試驗(yàn)臺(tái)的調(diào)平難度。所以我們采取另外一種方法，對試驗(yàn)臺(tái)底板進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募雍瘢⒃诘撞吭鲈O(shè)了加強(qiáng)筋。同時(shí)，在電機(jī)支架部分增加輔助支撐。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型圖

表2 試驗(yàn)臺(tái)固有頻率表

對優(yōu)化后的試驗(yàn)臺(tái)同樣進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到試驗(yàn)臺(tái)的各階振型圖如圖5a，～圖5d，所示，相應(yīng)的固有頻率如表2所示。經(jīng)過對仿真結(jié)果的分析知，優(yōu)化后的1階固有頻率雖然在104.48hz左右，但是通過1階振型圖可以看出，最大變形量只有0.016936mm，如此小的變形量在工作中完全可以由聯(lián)軸器消除，2階固有頻率為161.13hz超過了試驗(yàn)臺(tái)的最高工作頻率，遠(yuǎn)離了共振區(qū)，所以優(yōu)化后的隨動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)的各階振型圖

3 結(jié)語

通過ANSY Swork bench軟件，對隨動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，并對試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了試驗(yàn)臺(tái)的固有頻率，其中一階固有頻率從60.686hz提升到了104.48Hz，成功的避開了系統(tǒng)的工作頻率，改善了試驗(yàn)臺(tái)整體的動(dòng)力學(xué)特性，滿足了設(shè)計(jì)要求和工作需要。

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