基于SolidWorks/MATLAB的螺旋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)研究

劉藝 高淑芬 趙鵬

摘要：螺旋機(jī)構(gòu)是機(jī)械行業(yè)所有機(jī)構(gòu)中（即連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)等）的一種重要的基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)，理論性和工程性都比較強(qiáng)，有減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和提高工作效率的功能。而對(duì)螺旋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析研究是一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)，許多螺旋機(jī)構(gòu)只有在實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)分析與仿真時(shí)才有其應(yīng)用的價(jià)值。通過(guò)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與仿真，不僅能夠更好地了解和掌握螺旋機(jī)構(gòu)的基本的理論知識(shí)，而且能夠提高機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：螺旋機(jī)構(gòu);數(shù)學(xué)模型;運(yùn)動(dòng)分析;運(yùn)動(dòng)仿真

中圖分類號(hào)：TD528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0019-02

0? 引言

隨著加工制造、工藝、材料冶煉及熱處理等技術(shù)的進(jìn)步和迅速發(fā)展，作為線性傳動(dòng)的首要部件之一的螺旋機(jī)構(gòu)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)、國(guó)際制造業(yè)的重視，其綜合性能也有了很大的提高。螺旋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與仿真，其研究的目的在于針對(duì)所選的具體機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析與仿真，比較針對(duì)性;提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真的精度，效率，減輕不必要的工作量;把計(jì)算與繪圖融為一體，操作簡(jiǎn)便，界面友好，人機(jī)互動(dòng)性強(qiáng);在實(shí)體校核實(shí)驗(yàn)之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，便于修改，節(jié)省成本與時(shí)間;為教學(xué)活動(dòng)提供動(dòng)畫(huà)演示與運(yùn)動(dòng)分析曲線圖更為方便、準(zhǔn)確、快速。

1? 研究過(guò)程

進(jìn)行螺旋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與仿真的軟件和方法各種各樣，排除其它軟件的分析，本文應(yīng)用軟件有SolidWorks、和MATLAB?；赟olidWorks的螺旋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)研究，關(guān)鍵是確定機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。

①選擇合適的螺旋機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型如圖1，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖中螺栓為主動(dòng)件，螺母A為左旋，螺母B為右旋，OM為R1，ON為R2，螺栓角速度ω，螺母A和螺母B的直徑相同為ra和rb，所以螺栓A處和B處的速度、加速度相同，螺旋機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)快慢進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。以螺栓A處與活動(dòng)螺母的運(yùn)動(dòng)為例，則螺栓A處的速度va、角加速度a、加速度？琢、法向加速度？琢n、切向加速度：

z根據(jù)螺栓與螺母配合時(shí)，接觸點(diǎn)的速度相等，求得活動(dòng)螺母的角速度ω1為：

，即活動(dòng)螺母上某一點(diǎn)的速度v1和加速度a1：

對(duì)該機(jī)構(gòu)里的螺栓進(jìn)行受力分析，受力分析圖如圖3。

已知對(duì)螺栓施加力為F，根據(jù)力的平衡可知，活動(dòng)螺母的受力與它對(duì)螺栓力的大小相等，從而，可以得出螺栓所受扭轉(zhuǎn)力的大小。其扭轉(zhuǎn)力矩為，P=Fv，Me=9559P/n。

畫(huà)出螺栓的扭矩圖（如圖4所示），可以初步推算出該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，即完成機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。

②已知數(shù)學(xué)公式輸入到軟件MATLAB里，對(duì)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的求解，得到零部件的速度圖和加速度圖。

假設(shè)？棕=sint，R1=2，在MATLAB中新建M文件，編寫(xiě)這個(gè)程序的主要代碼如下：

t=[0：pi/10：4*pi];

r=[0：5：100];

hold on

subplot（2，2，1）

axis（[0 4*pi -1 1]）

plot（t，r*sin（t））

xlabel（'時(shí)間t'）;ylabel（'速度v'）;title（'速度圖'）

legend（'v=r*sin（t）：點(diǎn)劃線'）

subplot（2，2，2）

axis（[0 4*pi -1 1]）

plot（t，r*sin（t）/2）

xlabel（'時(shí)間t'）;ylabel（'速度v1'）;title（'速度圖'）

legend（'v1=r*sin（t）/2：點(diǎn)劃線'）

subplot（2，2，3）

a=r*（sqrt（f^2+w^4））

plot（r，a）

xlabel（'半徑r'）;ylabel（'加速度a'）;title（'加速度圖'）

legend（'a=r*（sqrt（f^2+w^4））：虛線'）

subplot（2，2，4）

a1=2*r*（sqrt（f^2+w^4））

plot（r，a1）

xlabel（'半徑r'）;ylabel（'加速度a1'）;title（'加速度圖'）

legend（'a1=2*r*（sqrt（f^2+w^4））：虛線'）

調(diào)試并優(yōu)化該程序，可以得到螺母和螺母某一點(diǎn)的速度曲線和加速度曲線。（圖4）

③機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。在SolidWorks的界面中建立“運(yùn)動(dòng)算例”，添加適當(dāng)?shù)鸟R達(dá)，選擇按鈕“從頭播放”可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)（即機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真）。最后，返回到SolidWorks的界面，打開(kāi)機(jī)構(gòu)裝配體的文件，在適當(dāng)?shù)呐浜锨闆r下，拖動(dòng)鼠標(biāo)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的手動(dòng)模擬仿真。

2? 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和完善，計(jì)算機(jī)軟件輔助設(shè)計(jì)將會(huì)占據(jù)更大設(shè)計(jì)部分，縮短產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)周期，減少成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)螺旋機(jī)構(gòu)的研究不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的可視化處理，還實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互性能。也實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)的二次開(kāi)發(fā)。文章對(duì)SolidWorks二次開(kāi)發(fā)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。在MATLAB與SolidWorks連接過(guò)程中，使用程序驅(qū)動(dòng)參數(shù)建模程序很長(zhǎng)、校正比較麻煩、不能靈活替換，因此程序方面仍然有許多值得改進(jìn)的地方，在以后的學(xué)習(xí)工作中，還得多加學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)，促使自己進(jìn)步！

參考文獻(xiàn)：

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