基于solidworks motion的鉛球收集器抓取機構(gòu)的運動仿真分析

楊斌+王鵬程

摘 要：研究了solidworks /motion運動仿真模塊在機構(gòu)動運所需的空間及行程、檢查運動過程中是否存在干涉等方面的應(yīng)用。在solidworks構(gòu)件目標模型，針對鉛球收集器中的抓取機構(gòu)進行運動仿真，并通過調(diào)整推桿驅(qū)動時間速度和抓斗驅(qū)動力時間以實現(xiàn)推桿與抓斗協(xié)調(diào)運動效果，最后以圖表形式輸出構(gòu)件的位移時間圖，通過圖表分析確定抓取機構(gòu)的合理運行過程，為后續(xù)設(shè)備添加液氣壓動力系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞：抓取機構(gòu)；干涉；運動仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.188

0 引言

傳統(tǒng)上，對運動機構(gòu)的多采用圖解法、解析法、實驗法等。但隨著計算機軟、硬件的發(fā)展，使計算機軟件進行分析變得十分便捷和經(jīng)濟，同時由于計算機仿真技術(shù)得到的結(jié)果能夠滿足工程實踐的要求，其高度的可靠性已經(jīng)成為機構(gòu)分析過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。充分利用仿真技術(shù)進行運動學、動靜力學析，能夠為機構(gòu)設(shè)計過程中存在的問題提供支撐。

本文先通過Solidworks建立鉛球抓取機構(gòu)各零件三維模型及裝配關(guān)系，進入 motion模塊建立運動仿真模型。通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)以達到理想運動效果，確定出機構(gòu)運行過程中所需條件，模擬實際工作狀態(tài)下各構(gòu)件的位移、速度情況。

1 Solidworks 軟件中motion模塊簡介[1]

Solidworks /Motion模塊即運動分析模塊，是基本W(wǎng)indows環(huán)境集參數(shù)化三維實體建模及裝配、機構(gòu)運動仿真、運動干涉檢查、優(yōu)化設(shè)計等功能于一體，提供了一個無縫的多功能應(yīng)用分析平臺。SolidWorks /Motion使用運動分析 精確模擬并分析裝配體的運動，同時合成運動算例單元的效果（包括力、彈簧、阻尼以及摩擦）。其中在裝配關(guān)系確定后，每個運動分析方式可獨立進行，不會對裝配關(guān)系產(chǎn)影響，并且跟據(jù)運動仿真結(jié)果可方便的修改三維實體，更新裝配和運動仿真模型。

Solidworks 運動仿真分析的操作一般步驟可分為3個階段進行：

（1）前處理步驟；創(chuàng)建分析模型，包括零部件三維模型的建立、裝配模型的建立、仿真模型的建立（包括定義運動驅(qū)動、接觸設(shè)置、鍵碼設(shè)置等）。

（2）運動求解分析過程；每個時間步長中，程序使用改進的Newton-Raphson迭代法進行求解。通過非常小的時間步長，根據(jù)零 件的初始狀態(tài)或前一時間步長的結(jié)果，軟件可以預(yù)測一下時間的狀態(tài)。

（3）后處理步驟。解釋分析結(jié)果并輸出數(shù)據(jù)文件，轉(zhuǎn)化成畫機構(gòu)運動、圖表、力。

2 鉛球抓取機構(gòu)運動仿真分析

2.1 問題描述

抓取機構(gòu)包括抓取推桿上下運動、抓斗合攏抓取運動。本實例主要是通過設(shè)置合適的各項參數(shù)，以協(xié)調(diào)兩運動來完抓取功能。

2.2 機構(gòu)建模

利用solidworks三維建模功能，分別建立各構(gòu)件三維模型，并在裝配模塊中按配合關(guān)系建機構(gòu)裝配模型。具體如圖2所示。

2.3 建立運動仿真模型

關(guān)鍵步驟[2]：

（1）生成一個運動算例：新建一個運動算例。

（2）添加二個線性馬達：馬達用于驅(qū)動機構(gòu)運動，并設(shè)定驅(qū)動參數(shù)，使推桿以一定速度移動。如圖3、4所示。

（3）添加引力：添加一個標準重加，確保運動過程中機構(gòu)重加也被計算在內(nèi)。

（4）添加各機構(gòu)的重量：機構(gòu)的重量相對于支撐添加一個向下的力。

（5）添加接觸：在抓斗與鉛球之間添加一個接觸設(shè)置。

（6）設(shè)置仿真時間23s：將結(jié)束時間幀拖至時間軸的23s處。

運動分析方案創(chuàng)建，檢查關(guān)鍵步驟信息。通過設(shè)置運動算例屬性窗口中每秒幀數(shù)來調(diào)整計算精確度。

2.4 計算運動仿真

單擊計算運動算例圖標，開啟運仿真分析過程。對兩運動機構(gòu)進行動力學分析計算[3]。計算完成單擊播放按鈕，以動畫形式觀察兩運動機構(gòu)運動情況，如發(fā)現(xiàn)推桿上下運動、抓斗抓取運動不協(xié)調(diào)，則可通過設(shè)置推桿驅(qū)動時間速度、抓斗驅(qū)動力時間來實現(xiàn)。

調(diào)整完畢的仿真結(jié)果亦可以通過圖表的形式繪制出來。通過單擊結(jié)果和圖角按鈕計算結(jié)果并生成表圖表，進入選取窗選取推桿和抓斗位移作為y軸、時間作為x軸，具體仿真結(jié)果，如圖5、6所示。

3 結(jié)束語

從仿真結(jié)果可以看出，推桿的驅(qū)動速度與抓斗的驅(qū)動力在時間上是相協(xié)調(diào)的。從初始位置開始，經(jīng)過8s左右，推桿達到最遠行程時，抓斗下降至最低處，同時進行2秒左右的抓取動作；隨后推桿和抓斗回程。在整個過程中，抓斗和推桿實現(xiàn)空載快速進程，負載慢速回程，整個動作和諧連貫。通過運動仿真可以確定機構(gòu)動運所需的空間及行程、檢查運動過程中不存在干涉等現(xiàn)象。

本例通過利用運動仿真中動畫功能，初步觀察鉛球收集機構(gòu)運動中各機構(gòu)運動，并通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)以達到理想運動效果，確定出機構(gòu)運行過程中所需條件。最后以圖表形式輸出構(gòu)件的位移時間圖，為該機構(gòu)后續(xù)添加液氣壓系統(tǒng)以及該機構(gòu)的最終應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

參考文獻：

[1]陳超祥，胡其登. Solidworks Mothion 運動仿真教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[2]寇會民，劉春東，姚家祥，常兆麒.基于SolidWorks Motion的壓床機構(gòu)運動仿真分析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（30）：64-65.

[3]李大磊，丁天濤，程建民，李寧.基于SolidWorks Motion的空間擺動機構(gòu)的運動分析[J].制造業(yè)自動化，2011，33（22）：70-71.

基金項目：遙控鉛球運送車設(shè)計（EKY2010002）

作者簡介：楊斌（1970-），男，天津人，碩士，副教授，主要研究方向：自動化。