【正文】 差Δ和走到當(dāng)前所用的時間，然后將它們保存為csv的格式以創(chuàng)建樣條曲線的方式導(dǎo)入該虛擬樣機(jī)模型，然后將生成的樣條曲線作 圖42 6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床的Adams模型 Adams model of the 6PUSUPS PMT為驅(qū)動位移輸入添加到各個驅(qū)動上去，驅(qū)動各分支桿運(yùn)動從而實現(xiàn)并聯(lián)機(jī)床預(yù)期的運(yùn)動。這樣就利用Adams/View建立了整個機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，如圖42所示。 定義摩擦力由于并聯(lián)機(jī)床在實際工作中存在摩擦力，其任意相互接觸并具有相對運(yùn)動關(guān)系的構(gòu)件之間都存在摩擦，為了使仿真模型更加符合實際情況，需要在各個運(yùn)動關(guān)節(jié)根據(jù)支撐、接觸和潤滑情況分別定義摩擦力。ADAMS虛擬樣機(jī)模型可以在球面副、虎克鉸、旋轉(zhuǎn)副、滑移副和圓柱副上設(shè)置相應(yīng)的摩擦力系數(shù)，加載相應(yīng)的摩擦力，這里不再詳細(xì)說明。值得注意的是，螺旋副只能用來定義絲杠和絲杠螺母的移動和轉(zhuǎn)動之間的螺旋運(yùn)動關(guān)系，并不能在其上定義摩擦力和摩擦力矩。為了模擬并聯(lián)機(jī)床在實際工作中的真實摩擦，需要在傳動絲杠的旋轉(zhuǎn)軸線方向上定義一個一維力矩，來等效螺旋副由于摩擦所產(chǎn)生的阻力矩。根據(jù)滑塊在導(dǎo)軌的上下滑動情況和軸向力方向，并聯(lián)機(jī)床絲杠螺母機(jī)構(gòu)的受力分析情況可以歸納為四種情況，如圖43所示。 圖43 并聯(lián)機(jī)床絲杠螺母機(jī)構(gòu)的受力分析 The force analysis of the lead screw and nut of the PMT上面的受力分析可總結(jié)為下面兩種模型，如下圖44所示： 圖44 并聯(lián)機(jī)床絲杠螺母機(jī)構(gòu)的受力分析 The force analysis of the lead screw and nut of the PMT摩擦力矩分別為： (41)式中 —絲杠與螺母之間的摩擦系數(shù)—絲杠的螺紋半徑(mm)—絲杠的螺旋升角(rad)—摩擦力(N)—絲杠的軸向力(N)絲杠上定義的阻力矩計算公式中實時變化的參數(shù)僅為軸向力和滑塊的移動方向，這兩個參數(shù)可以通過在并聯(lián)機(jī)床模型中定義傳感器實時獲取，這樣通過式(41)就可以求解出摩擦阻力矩的大小并加載到絲杠模型上，最終建立并聯(lián)機(jī)床各關(guān)節(jié)的摩擦力模型。 6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床虛擬樣機(jī)動力學(xué)仿真在ADAMS中建好該6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床虛擬樣機(jī)模型后，便可以對其進(jìn)行動力學(xué)仿真了。在仿真的過程中，首先在ADAMS/Solver(求解器模塊)中對并聯(lián)機(jī)床虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，然后在ADAMS/PostProcessor(專用后處理模塊)中進(jìn)行后處理，觀察仿真結(jié)果，繪制試驗曲線。下面按照在第3章規(guī)劃好的幾種不同的運(yùn)動軌跡對該并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，旨在模擬并聯(lián)機(jī)床的運(yùn)動，驗證第3章理論計算的準(zhǔn)確性，預(yù)測并聯(lián)機(jī)床在真實的運(yùn)動過程中可能出現(xiàn)的問題，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計。 機(jī)床的平動分析 未加摩擦力時并聯(lián)機(jī)床動力學(xué)仿真分析 讓并聯(lián)機(jī)床平動走圓，仿真得到各驅(qū)動分支的驅(qū)動力矩曲線如圖45所示。從圖45可以看出，由于機(jī)構(gòu)本身以及動平臺運(yùn)動軌跡的對稱性，在并聯(lián)機(jī)床作圓周曲線運(yùn)動的過程中，驅(qū)動力矩變化曲線受運(yùn)動軌跡曲線函數(shù)的影響，六個分支的驅(qū)動力矩變化大致都按照正余弦曲線規(guī)律變化，而且6個桿的驅(qū)動力矩大小變化區(qū)間一致，只是在相位上有差別。其中1桿、3桿和5桿，2桿、4桿和6桿的驅(qū)動力矩曲線的變化一致。圖45 并聯(lián)機(jī)床平動走圓時各驅(qū)動分支的驅(qū)動力矩曲線 Curves of the driven torque while is circling 通過將圖45得到的ADAMS仿真輸出結(jié)果和第3章圖34的MATLAB理論計算的結(jié)果進(jìn)行比較，可以證明并聯(lián)機(jī)床的理論計算模型是正確的，ADAMS仿真模型是準(zhǔn)確的，通過計算或者仿真的結(jié)果對并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行分析是可行的。 添加摩擦力時并聯(lián)機(jī)床動力學(xué)仿真分析 為使動力學(xué)仿真更符合實際情況，各構(gòu)件之間的摩擦力不能忽略。在各個構(gòu)件關(guān)節(jié)處添加摩擦力，再一次對該并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行動力學(xué)仿真，考察摩擦力對驅(qū)動力矩的影響。圖46為六個滑塊在并聯(lián)機(jī)床平動走圓時滑塊速度隨時間變化的曲線。從速度仿真變化曲線上可以看出，各滑塊的速度變化平穩(wěn)連續(xù)，機(jī)床在走圓過程中運(yùn)動狀態(tài)比較穩(wěn)定，說明機(jī)構(gòu)具有不錯的運(yùn)動學(xué)性能。圖47為六個滑塊在動平臺做勻速圓周運(yùn)動時驅(qū)動力矩隨時間變化的曲線。對比圖46和圖47中的曲線可知，在模型中添加了摩擦力之后，各分支在滑塊運(yùn)動換向時會造成驅(qū)動力矩不同程度的突變，幅值也有增加。圖46 滑塊速度曲線 Curves of the velocity of each slider圖47 并聯(lián)機(jī)床平動走圓時各驅(qū)動分支的驅(qū)動力矩變化曲線 Curves of the driven torque while is circling 機(jī)床的姿態(tài)變化分析下面討論并聯(lián)機(jī)床動平臺姿態(tài)角和分別發(fā)生變化時驅(qū)動力矩的變化情況。 未加摩擦力時并聯(lián)機(jī)床動力學(xué)仿真分析 當(dāng)機(jī)床姿態(tài)角按變化時，仿真得到各驅(qū)動分支的驅(qū)動力曲線如圖48所示。從圖中可以看出，由于機(jī)床動平臺此時是繞x軸轉(zhuǎn)動，所以1桿和4桿、2桿和3桿、5桿和6桿驅(qū)動力矩分別相同。圖49給出了相應(yīng)的驅(qū)動力矩曲線，方向與力相反，其變化趨勢和對應(yīng)驅(qū)動力矩一致。圖48 動平臺變化時驅(qū)動力變化曲線 Curves of the driven force changing with 圖49 動平臺變化時驅(qū)動力矩變化曲線 Curves of the driven torque changing with 當(dāng)機(jī)床姿態(tài)角按變化時，仿真得到各驅(qū)動分支的驅(qū)動力曲線如圖410所示。從圖中可以看出，由于機(jī)床動平臺此時是繞y軸轉(zhuǎn)動，所以1桿和4桿、2桿和3桿、5桿和6桿大小變化區(qū)間一致，只是在相位上有差別。圖411給出了相應(yīng)的驅(qū)動力矩曲線，方向與力相反，其變化趨勢和對應(yīng)驅(qū)動力矩一致。圖410 動平臺變化時驅(qū)動力變化曲線 Curves of the driven force changing with 圖411 動平臺變化時驅(qū)動力矩變化曲線 Curves of the driven torque changing with 添加摩擦力時并聯(lián)機(jī)床動力學(xué)仿真分析 在各個構(gòu)件關(guān)節(jié)處添加摩擦力，按照之前規(guī)劃好的特定運(yùn)動軌跡再一次對該并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行動力學(xué)仿真。當(dāng)動平臺姿態(tài)角發(fā)生改變時得到的各滑塊速度曲線如圖412所示，驅(qū)動力矩曲線如圖413所示。對比兩圖中的曲線可知，在模型中添加了摩擦力之后，各分支在滑塊運(yùn)動換向時會造成驅(qū)動力矩不同程度的突變，驅(qū)動力矩峰值也會比無摩擦情況下大。 當(dāng)動平臺姿態(tài)角發(fā)生改變時得到的各滑塊速度曲線如圖414所示，驅(qū)動力矩曲線如圖415所示。對比圖414和圖415中的曲線可知，在模型中添加了摩擦力之后，各分支在滑塊運(yùn)動換向時會造成驅(qū)動力矩不同程度的突變，驅(qū)動力矩峰值也會比無摩擦情況下大。圖412 動平臺變化時滑塊速度變化曲線 Curves of the velocity of each slider changing with 圖413 動平臺變化時驅(qū)動力矩變化曲線 Curves of the driven torque changing with 圖414 動平臺變化時滑塊速度變化曲線 Curves of the velocity of each slider changing with 圖415 動平臺變化時驅(qū)動力矩變化曲線 Curves of the driven torque changing with 本章小結(jié)本章應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床虛擬樣機(jī)模型，實現(xiàn)了并聯(lián)機(jī)床的動力學(xué)仿真。通過對比仿真輸出曲線和第3章的理論計算曲線，互相驗證了虛擬樣機(jī)模型中的準(zhǔn)確性和理論計算的正確性。第5章 并聯(lián)機(jī)床的模態(tài)分析第5章 并聯(lián)機(jī)床的模態(tài)分析 動態(tài)特性研究的意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步，許多機(jī)械產(chǎn)品向高速、精密、輕型化方向發(fā)展，機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的彈性性能和振動特性成為一個不可忽略的因素。很多機(jī)械機(jī)構(gòu)在運(yùn)動的時候都會受到動載荷的作用，在這些動載荷或外界激勵下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)處于振動狀態(tài)，這樣設(shè)計、研究機(jī)械系統(tǒng)就必然會涉及到結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性問題，對動態(tài)設(shè)計的要求也越來越高。對于彈性機(jī)構(gòu)而言，確定其在整個周期中的固有頻率，從而在設(shè)計時避免工作在共振區(qū)內(nèi)具有重要的意義。模態(tài)分析作為動態(tài)振動分析的有效方法，在各種機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能評估中占有極其重要的作用，是振動工程理論的核心和基礎(chǔ)。由于電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、振動傳感器等各種技術(shù)及相關(guān)設(shè)備和軟件的快速發(fā)展，模態(tài)分析受到了各產(chǎn)業(yè)部門的重視，在航空航天飛行器、機(jī)械、土建、汽車工業(yè)、軍工、船舶等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。模態(tài)分析最早應(yīng)用在大型航天器的設(shè)計與研制中，通過對其進(jìn)行模態(tài)分析，可知航天器在各工況下的振動信號，判斷它的損壞程度。據(jù)統(tǒng)計，在飛行器所發(fā)生的許多重大事故中約有40％與振動有關(guān)；在其它領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對工程產(chǎn)品的設(shè)計提出越來越高的要求，比如橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過對其進(jìn)行模態(tài)分析，可知它在風(fēng)載和地震荷載下有無引起共振，此外，橋梁上行駛的過往車輛荷載也容易引發(fā)共振，造成橋梁坍塌事故。除了建筑結(jié)構(gòu)，一些日常用品的設(shè)計也需要考慮振動特性，如洗衣機(jī)、音響等不能引起較大的噪聲，要求具有良好的動態(tài)特性。目前，模態(tài)分析這一技術(shù)已逐漸走向成熟與完善，模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，已經(jīng)成為解決系統(tǒng)振動診斷與動態(tài)性能分析、動力學(xué)分析領(lǐng)域中的重要工具[70]。本章基于ProE建立的6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床的模型，運(yùn)用模態(tài)分析動力學(xué)理論和Workbench軟件的模態(tài)分析模塊，實現(xiàn)對并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)特性分析，總結(jié)其振動特性。 模態(tài)分析的相關(guān)理論 模態(tài)分析的定義模態(tài)分析的定義為：為了使線性非時變系統(tǒng)振動微分方程解耦，變成獨立的以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的方程，用模態(tài)坐標(biāo)代替矩陣中的物理坐標(biāo)，并將坐標(biāo)變換矩陣稱為每列即為各階振型的振型矩陣[71]。模態(tài)分析分為計算模態(tài)分析和試驗?zāi)B(tài)分析。模態(tài)分析主要用于計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)，確定結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性。振動模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有特性，通過對彈性結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以找到結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，弄清彈性結(jié)構(gòu)在哪些頻段是易受損壞的，并確定頻率范圍。模態(tài)分析是動態(tài)振動分析的有效方法，同時也是其他動力學(xué)分析，如諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析及譜分析等的基礎(chǔ)。 模態(tài)分析基本分析原理對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)分析時，需求解結(jié)構(gòu)的運(yùn)動微分方程式。一個n自由度的粘性阻尼系統(tǒng)，其強(qiáng)迫振動的微分方程為： (51)其中，，是系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。因為結(jié)構(gòu)阻尼較小，對結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型影響甚微，可忽略不計，忽略阻尼： (52)方程(52)的解為： (53)將(53)代入方程(52)得： (54)這個方程的根是，即特征值i的范圍從1到自由度的數(shù)目n，相應(yīng)的向量是，即特征向量。模態(tài)分析假定結(jié)構(gòu)是線性的（如，和保持為常數(shù)），簡諧運(yùn)動方程： (55)其中為自振圓周頻率（弧度/秒）；特征值的平方根是，它是結(jié)構(gòu)的自然圓周頻率（弧度/秒）并可得出自然頻率，特征向量表示振型，即假定結(jié)構(gòu)以頻率振動時的形狀（振幅）。 ANSYS WORKBENCH軟件模態(tài)分析功能簡介ANSYS Workbench是用ANSYS解決實際問題的新一代軟件產(chǎn)品，為ANSYS解決工程實際問題提供了強(qiáng)大的功能，同時也保證了最好的CAE結(jié)果，是解決試驗難題較好的辦法。ANSYS軟件中的模態(tài)分析是線性的，在分析中忽略系統(tǒng)阻尼對其自身振動特性的影響。在模態(tài)分析過程中只承認(rèn)線性行為，如果在分析中指定了非線性單元，程序在計算過程中將忽略其非線性行為并將該單元作為線性單元處理。例如，如果分析中包含接觸單元，則剛度矩陣在分析過程中處于初始狀態(tài)并保持不變。在模態(tài)分析中，材料性質(zhì)既有線性的，也有非線性的，既可以是恒定的，也可以是和溫度相關(guān)的，所以在進(jìn)行模態(tài)分析時需要指定材料的彈性模量EX和密度DENS，但是非線性性質(zhì)將被忽略。AWE中可選擇的模態(tài)提取方法有很多，常用的有Subspace法、Block Lanczos法、PowerDynamics法及Reduced法。其中Block Lanczos法是AWE默認(rèn)的模態(tài)提取方法，適用于由殼或殼與實體組成的模型或者當(dāng)包含形狀較差的實體及殼單元的模型，Block Lanczos法的運(yùn)行速度很快，并且和Subspace法的精確度一樣好。Block Lanczos法采用一組向量來實現(xiàn)遞歸的Lanczos算法和稀疏矩陣方程求解器。本文選用Block Lanczos法進(jìn)行模態(tài)分析。 6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床模態(tài)分析步驟模態(tài)分析的主要步驟有：建模、設(shè)定材料屬性、定義邊界條件、劃分網(wǎng)格、求解、查看結(jié)果．其流程如圖51所示。圖51 模態(tài)分析步驟 Modal analysis procedure 有限元模型的建立 幾何模型的建立 在建立模型的時候，考慮到減小問題的規(guī)模和提高計算速度，故在不影響計算精度的前提下應(yīng)對模型作盡量簡化，將不具有相對運(yùn)動的零部件連接重組，簡化為一個零件，以最大程度的減少零部件的數(shù)量，去除模型上的一些小的結(jié)構(gòu)，如小孔、小凸臺、倒角、圓角等細(xì)節(jié)信息。將建成的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，給零件定義材料屬性,尤為要定義材料的彈性模量EX和密度DENS。6PUS/UPS并聯(lián)機(jī)床的動平臺的材料為Aluminum Alloy，彈性模量為71 GPa，密度為2770 。其他的材料都