朱學(xué)文 陳毅

（第七一五研究所，杭州，310023）

海洋中傳播著各種不同頻率的聲波，有高頻聲波、低頻聲波以及由海洋運(yùn)動(dòng)、地震等引起的甚低頻聲波。為了海洋開發(fā)、氣候研究的需要，就必須對(duì)海洋中的聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，而檢測(cè)之前必須對(duì)檢測(cè)水聽器進(jìn)行預(yù)先校準(zhǔn)?；趯?duì)該頻段水聽器校準(zhǔn)的需要，我所建立了0.01～1 Hz水聲聲壓計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置 [1]。本文就是以SolidWorks軟件為建模平臺(tái)，對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)裝置中的振動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模、虛擬裝配和虛擬樣機(jī)仿真[2]，以驗(yàn)證對(duì)稱錐齒輪差速機(jī)構(gòu)原理的準(zhǔn)確性和振動(dòng)系統(tǒng)的可行性，為該裝置的后續(xù)改進(jìn)提供幫助。

1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成

標(biāo)準(zhǔn)裝置由3部分組成：一是聲壓生成系統(tǒng)，由測(cè)量水腔、振動(dòng)容器和連通管組成；二是正弦振動(dòng)系統(tǒng)，由雙通道函數(shù)發(fā)生器和正弦振動(dòng)機(jī)構(gòu)組成；三是電子測(cè)量與控制系統(tǒng)，由前置放大器、濾波器、低頻電壓測(cè)量?jī)x、示波器、計(jì)算機(jī)及外設(shè)組成[1]。其中正弦振動(dòng)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 正弦振動(dòng)系統(tǒng)原理框圖

來自雙通道函數(shù)發(fā)生器的兩個(gè)信號(hào)頻率分別為f1和f2，輸入至雙通道步進(jìn)驅(qū)動(dòng)放大器的相應(yīng)通道，經(jīng)放大后，分別以頻率 f1的脈沖電流驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)1，以頻率f2的脈沖電流驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)2。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)是同型號(hào)的，同時(shí)各自驅(qū)動(dòng)一個(gè)1:1.5的變速齒輪，這兩個(gè)變速齒輪同時(shí)嚙合至一個(gè)錐齒輪差速機(jī)構(gòu)。此差速機(jī)構(gòu)的輸出軸能帶動(dòng)一個(gè)偏心輪回轉(zhuǎn)，而偏心輪可以帶動(dòng)一滑塊上下運(yùn)動(dòng)，通過它把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成垂直直線簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，偏心輪回轉(zhuǎn)一周，形成一個(gè)周期的垂直直線簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。采用雙步進(jìn)電機(jī)差動(dòng)輸出的目的是為了保證振動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)。標(biāo)準(zhǔn)裝置的方案確定以后，使用三維建模軟件SolidWorks對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行三維建模和虛擬裝配，其中正弦振動(dòng)機(jī)構(gòu)的俯視圖三維模型以及正弦振動(dòng)組件的三維模型分別如圖2和圖3所示。

圖2 正弦振動(dòng)機(jī)構(gòu)俯視圖

圖3 正弦振動(dòng)組件

2 正弦振動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真概述

機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析就是根據(jù)原動(dòng)件的已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律，來確定其它構(gòu)件或構(gòu)件上某些點(diǎn)的位移、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過機(jī)構(gòu)的位移分析，可以確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所需空間或構(gòu)件及構(gòu)件上某些點(diǎn)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的位置或者軌跡，并可以判定它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中是否發(fā)生干涉；通過速度、加速度分析，可以了解從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律能否滿足工作要求，并可據(jù)此對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分為以下幾個(gè)步驟：（1）創(chuàng)建零件模型，使用各種特征創(chuàng)建工具創(chuàng)建零件模型；（2）組裝零件模型，使用裝配命令，組裝零件模型，生成連接；（3）運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)設(shè)置，按照產(chǎn)品要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)定義；（4）仿真結(jié)果分析，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析保存。

2.2 正弦振動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析

按照?qǐng)D1所示流程，設(shè)步進(jìn)電機(jī)1頻率f1＝50 Hz，步進(jìn)電機(jī)2頻率f2＝100 Hz，兩步進(jìn)電機(jī)型號(hào)相同，它們與驅(qū)動(dòng)器相配都接成Δθ=0.9°/步的步進(jìn)間距，則兩電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為45 deg/s與90 deg/s（與仿真參數(shù)設(shè)置相同），兩步進(jìn)電機(jī)同時(shí)各自驅(qū)動(dòng)一個(gè) 1:1.5的變速齒輪，則這兩個(gè)變速齒輪的角速度分別為：

它們同時(shí)嚙合至一個(gè)差速機(jī)構(gòu)。此差速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成能帶動(dòng)一個(gè)具有偏心栓子的回轉(zhuǎn)輪以

的角速度回轉(zhuǎn)，偏心輪可以帶動(dòng)一滑塊上下運(yùn)動(dòng)，通過它把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成垂直直線簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，偏心輪回轉(zhuǎn)一周，形成一個(gè)周期的垂直直線簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

因此，與步進(jìn)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)脈沖頻率聯(lián)系起來，就可以得到垂直直線簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的頻率為：

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

虛擬裝配完成后，在小齒輪與電機(jī)之間、大齒輪與輸出軸之間、錐齒輪與芯軸之間分別設(shè)置旋轉(zhuǎn)副，在電機(jī)1與小齒輪1之間的旋轉(zhuǎn)副上設(shè)置運(yùn)動(dòng)常數(shù)為?45 deg/s，在電機(jī)2與小齒輪2之間的旋轉(zhuǎn)副上設(shè)置運(yùn)動(dòng)常數(shù)為90 deg/s，其中“?”表示二者轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反；在滑塊與基座（大地）之間設(shè)置移動(dòng)副；在兩對(duì)大小齒輪之間、4個(gè)錐齒輪兩兩之間添加3D碰撞約束，3D碰撞約束常用于齒輪類、凸輪類零件之間的碰撞接觸，不允許零件之間相互穿透。3D碰撞約束參數(shù)設(shè)置如圖4所示。設(shè)置仿真時(shí)間為24 s，幀數(shù)為200幀。設(shè)置完成后運(yùn)行仿真。

圖4 3D碰撞約束參數(shù)設(shè)置

2.4 仿真結(jié)論分析

由以上設(shè)置可知，電機(jī)1與電機(jī)2的輸出軸轉(zhuǎn)速分別為?45 deg/s與90 deg/s，則根據(jù)大小齒輪齒數(shù)比可知，大齒輪1與大齒輪2的轉(zhuǎn)速分別為?30 deg/s與60 deg/s，根據(jù)錐齒輪差速機(jī)構(gòu)原理，則輸出軸的轉(zhuǎn)速 n應(yīng)為二者代數(shù)和的一半[3]，即：n=（?30+60）/2=15 deg/s，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周 360°需要24 s，即一個(gè)回轉(zhuǎn)周期為24 s。同理，因?yàn)檩敵鲚S與偏心輪的角速度一致，所以由偏心輪帶動(dòng)滑塊所形成的垂直直線簡(jiǎn)諧振動(dòng)周期也是24 s。

根據(jù)仿真結(jié)果，提取輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度曲線如圖5所示，提取滑塊垂直簡(jiǎn)諧振動(dòng)的曲線如圖6所示。由圖5可以看出，輸出軸的角速度在15 deg/s附近上下波動(dòng)，角速度大小與理論計(jì)算相符，數(shù)值波動(dòng)情況與齒輪之間3D碰撞設(shè)置參數(shù)有關(guān)。由圖 6可以明顯看出，滑塊振動(dòng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其曲線為平滑的余弦曲線，振動(dòng)周期為24 s，與理論分析得出的結(jié)論一致，也直接證明簡(jiǎn)諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)的可行性。

圖5 輸出軸角速度曲線

圖6 簡(jiǎn)諧振動(dòng)曲線

3 結(jié)論

本文針對(duì)0.01～1 Hz水聲聲壓標(biāo)準(zhǔn)裝置中的正弦振動(dòng)系統(tǒng)，以Solidworks軟件為建模平臺(tái)，組建了錐齒輪差速機(jī)構(gòu)，并利用Solidworks運(yùn)動(dòng)仿真插件 COSMOSMotion進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)仿真，可以看出仿真結(jié)果與理論分析計(jì)算結(jié)果吻合的很好，從側(cè)面印證了錐齒輪差速機(jī)構(gòu)原理的準(zhǔn)確性，也證明了簡(jiǎn)諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)的可行性，為該機(jī)構(gòu)的后續(xù)應(yīng)用和改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

[1]袁文俊. 0.01～1Hz水聲聲壓標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào), 2004,(3): 270-274.

[2]二代龍震工作室. Solidworks+Motion+Simulation建模/機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)綜合實(shí)訓(xùn)教程. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2009.

[3]張曉嵐, 陳衛(wèi)華. 0.01～1Hz水聲聲壓計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù), 2001, 28(4).