基于Solidworks&SimMechanics的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真

楊樹川,邵金龍,楊術(shù)明,朱學(xué)軍,馬伏龍

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,寧夏銀川 750021)

基于Solidworks&SimMechanics的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真

楊樹川,邵金龍,楊術(shù)明,朱學(xué)軍,馬伏龍

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,寧夏銀川 750021)

介紹了幾種常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的方法及特點(diǎn),重點(diǎn)闡述了以Solidworks和SimMechanics為工具,通過(guò)機(jī)構(gòu)的實(shí)體造型、建立機(jī)構(gòu)模型、設(shè)置各模塊參數(shù)及仿真參數(shù)等環(huán)節(jié),對(duì)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和曲柄搖塊機(jī)構(gòu)在給定驅(qū)動(dòng)力下的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析與仿真,繪制了機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性曲線,得到了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的仿真動(dòng)畫。指出這種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方法的簡(jiǎn)捷、快速、準(zhǔn)確,為實(shí)際工程應(yīng)用提供了一條便捷之路。

機(jī)構(gòu);運(yùn)動(dòng)分析;Solidworks;SimMechanics

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析是評(píng)價(jià)機(jī)械產(chǎn)品性能指標(biāo)的主要方法之一。無(wú)論是對(duì)于新的機(jī)械設(shè)計(jì),還是為了求解現(xiàn)有機(jī)械的運(yùn)動(dòng)性能,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析都是十分必要的。它既包括已知主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng),求解機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題,也包括已知末端構(gòu)件的運(yùn)動(dòng),求解機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題。它是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)及運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析,可以確定其中某些構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)的所需空間,判斷機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)各構(gòu)件之間是否會(huì)產(chǎn)生干擾,也可以了解從動(dòng)件的速度變化規(guī)律是否滿足工作要求及了解機(jī)構(gòu)的受力情況等。

目前,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的方法主要有圖解法、解析法和實(shí)驗(yàn)法[1]。圖解法通過(guò)作圖來(lái)確定機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的位置、速度及加速度,比較形象直觀,但存在作圖費(fèi)時(shí)、作圖精度差及計(jì)算精度差的缺點(diǎn)。解析法通過(guò)建立機(jī)構(gòu)的位置方程、速度方程及加速度方程,以解方程的形式來(lái)確定機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的位置、速度及加速度,計(jì)算精度高,但存在機(jī)構(gòu)復(fù)雜時(shí)方程建立困難、計(jì)算量大的缺點(diǎn)。而實(shí)驗(yàn)法需要一定的測(cè)試儀器及設(shè)備,分析成本高。

利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析因其具有速度快、精度高的優(yōu)勢(shì)現(xiàn)已成為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方法的首選。

1 基于SimMechanics的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程

SimMechanics是MATLAB軟件下的一個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)模塊集,它可以對(duì)各種運(yùn)動(dòng)副連接的剛體進(jìn)行建模與仿真,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析與設(shè)計(jì)的目的。利用此工具進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析不需要建立數(shù)學(xué)模型和編程,即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬顯示,這將提高機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究人員的工作效率[2]。

1.1 SimMechanics模塊組及機(jī)構(gòu)建模過(guò)程

SimMechanics模塊組(見圖1)提供了機(jī)構(gòu)建模的必要模塊。其中包含剛體子模塊組(Bodies)、運(yùn)動(dòng)副模塊組(Joints)、約束與驅(qū)動(dòng)模塊組(Constraints&Drivers)、傳感器與自動(dòng)器模塊組(Sensors&Actuators)、力單元模塊組(Force Elements)、接口單元模塊組(Interface Elements)、輔助工具模塊組(Utilities)。

剛體子模塊組(Bodies)包含4個(gè)模塊(見圖2)。

機(jī)械環(huán)境(Machine Environment)、共享環(huán)境(Shared Environment)、機(jī)架 (Ground)和剛體(Body)。環(huán)境模塊是為仿真定義的一個(gè)環(huán)境。機(jī)架只有一個(gè)連接端,另外一端固定。剛體有2個(gè)連接端,一端為主動(dòng)端,另一端為從動(dòng)端,使用時(shí)可以定義質(zhì)量、慣性矩、坐標(biāo)原點(diǎn),還可以設(shè)定剛體的初始位置和角度。

運(yùn)動(dòng)副模塊組(Joints)(見圖3)提供各種運(yùn)動(dòng)副,利用這些運(yùn)動(dòng)副可以將剛體構(gòu)件連接起來(lái)。其中包含單自由度移動(dòng)副(Prismatic)、單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)副(Revolute)、三自由度球面副(Spherical)、平面副(Planar)等。其他模塊組不在此一一介紹。

根據(jù)所研究機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成,利用 SimMechanics各子模塊組中的模塊,通過(guò)拖拉、旋轉(zhuǎn)、連接等簡(jiǎn)單操作即可形成機(jī)構(gòu)的SimMechanics模型。圖4是一個(gè)已經(jīng)建立好的平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的SimMechanics模型。

1.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程

對(duì)已建立機(jī)構(gòu)模型的各模塊進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)置,添加必要的驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊后,即可對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析與仿真。圖5即為平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的可視化仿真界面。

1.3 基于SimMechanics機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的特點(diǎn)

基于SimMechanics模塊組對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模與仿真,可直接根據(jù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行建模,建模過(guò)程比較簡(jiǎn)單,但仿真前對(duì)各模塊的參數(shù)設(shè)置過(guò)程卻很麻煩,尤其涉及到一些剛體的慣性矩等參數(shù)設(shè)置,需要進(jìn)行必要的計(jì)算。

2 基于Solidworks&SimMechanics的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真過(guò)程

2.1 建模步驟

首先,根據(jù)組成機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的形狀尺寸參數(shù),利用Solidworks軟件進(jìn)行實(shí)體造型,再根據(jù)各構(gòu)件的連接關(guān)系建立機(jī)構(gòu)的裝配實(shí)體,形成機(jī)構(gòu)的.SLDASM裝配體文件。

其次,在 MATLAB軟件中運(yùn)行程序install_addon(’smlink.r2009b.win32.zip’),再運(yùn)行 smlink_linksw命令,即可實(shí)現(xiàn) Solidworks與 MATLAB軟件的關(guān)聯(lián)。此時(shí)Solidworks軟件中會(huì)出現(xiàn)SimMechanics Link菜單。將原來(lái)的機(jī)構(gòu)裝配實(shí)體文件.SLDASM另存為.XML文件,同時(shí)會(huì)生成各個(gè)構(gòu)件的.STL文件。

最后,在 MA TLAB中運(yùn)行import_physmod命令,即可出現(xiàn)圖6所示的.XML文件選擇窗口。給出.XML文件的正確路徑后,MATLAB軟件會(huì)自動(dòng)生成機(jī)構(gòu)的 SimMechanics模型,而且會(huì)將各構(gòu)件的參數(shù)自動(dòng)設(shè)置。

2.2 仿真過(guò)程

得到機(jī)構(gòu)的 SimMechanics模型后,需添加必要的驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊,同時(shí)要將各剛體的.STL文件添加到各剛體的可視化屬性設(shè)置對(duì)話框中后才可進(jìn)行仿真。在MATLAB的模型窗口,單擊運(yùn)行按鈕后,即可開始仿真。通過(guò)仿真,可得到機(jī)構(gòu)的可視化實(shí)體仿真界面,也可單擊模型中檢測(cè)模塊后的顯示模塊得到剛體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線。

2.3 建模與仿真實(shí)例

下面以擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和曲柄搖塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程為例,來(lái)具體說(shuō)明基于 Solidworks及 Sim-Mechanics的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真過(guò)程。

2.3.1 機(jī)構(gòu)的Solidworks實(shí)體造型

在Solidworks軟件中,根據(jù)組成機(jī)構(gòu)的各零件的實(shí)際形狀和尺寸分別進(jìn)行三維實(shí)體造型,形成零件的.SLDPRT文件后裝配形成機(jī)構(gòu)的.SLDASM文件。擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和曲柄搖塊機(jī)構(gòu)的Solidworks實(shí)體造型見圖7和圖8[3]。

2.3.2 機(jī)構(gòu)的SimMechanics模型

將MATLAB軟件和Solidworks軟件關(guān)聯(lián)后,即可將機(jī)構(gòu)的.SLDASM文件另存為.XML文件,在MATLAB軟件中通過(guò)import_physmod命令即可形成機(jī)構(gòu)的SimMechanics模型。已添加檢測(cè)及驅(qū)動(dòng)模塊的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和曲柄搖塊機(jī)構(gòu)的Sim-Mechanics模型見圖9和圖10[4-6]。

2.3.3 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

單擊運(yùn)行按鈕,即可開始機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析。運(yùn)行后得到的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和曲柄搖塊機(jī)構(gòu)的可視化運(yùn)動(dòng)仿真界面見圖11和圖12,擺桿的轉(zhuǎn)角曲線見圖13,搖塊的速度曲線見圖14。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)介紹了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的幾種方法及其特點(diǎn)。

2)介紹了基于SimMechanics機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的建模過(guò)程及仿真方法。

3)以擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和曲柄搖塊機(jī)構(gòu)為例,詳細(xì)介紹了基于Solidworks和SimMechanics的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程,通過(guò)這種方法,可方便、快捷、準(zhǔn)確地獲得機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性曲線。

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Solidworks/SimMechanics-based mechanism kinematic analysis and simulation

YANG Shu-chuan,SHAO Jin-long,YANG Shu-ming,ZHU Xue-jun,MA Fu-long
(College of Mechanical Engineering,Ningxia University,Yinchuan Ningxia 750021,China)

This paper introduces briefly some common mechanism motion analysis methods and their characteristics,with the emphasis on the establishment of kinematic model and solid modeling with the software SimMechanics and Solidworks,taking crank-rocker mechanism and oscillating guide-bar mechanism as examples.Simultaneously the mechanism kinematic analysis and simulation is implemented by setting module parameters and simulation parameters.The kinetic characteristic curve of the key points and the simulation animation are obtained.The results show that the introduced method is easy,rapid and accurate for practical engineering application.

mechanism;kinematic analysis;Solidworks;SimMechanics

TH122

A

1008-1534(2011)04-0221-05

2011-04-07;

2011-04-25

責(zé)任編輯:馮 民

寧夏高等學(xué)校科學(xué)研究資助項(xiàng)目(NXGX2009-31)

楊樹川(1971-),男,寧夏吳忠人,副教授,碩士,主要從事計(jì)算機(jī)輔助分析方面的研究。