基于X3D的曲柄搖桿機構(gòu)運動仿真

江北大 蔡曉紅 孔凡寶 潘磊

摘 要：文章研究了使用Solidworks軟件為機構(gòu)建模、輸出為X3D格式的方法，并分析了曲柄搖桿機構(gòu)的運動規(guī)律，結(jié)合MATLAB軟件計算出各構(gòu)件的運動軌跡，在X3D格式文件中實現(xiàn)了曲柄搖桿機構(gòu)運動仿真。

關(guān)鍵詞：X3D；MATLAB；Solidworks；曲柄搖桿機構(gòu)；運動仿真

中圖分類號：TH112

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

機械基礎(chǔ)是士官職業(yè)技術(shù)教育機電類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課。常用機構(gòu)的運動仿真是機械基礎(chǔ)課程非常重要的教學(xué)素材，運用X3D技術(shù)，制作的常用機構(gòu)的運動仿真動畫，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強教學(xué)效果。

一、X3D技術(shù)概述

X3D是Web3D組織發(fā)布的一種開源三維圖像標(biāo)記語言，是VRML標(biāo)準(zhǔn)的最新版本，它基于XML開發(fā)，已經(jīng)通過ISO認(rèn)證，被各大建模軟件（UG NX、Solidworks、Pro/E等）支持。X3D語言具有組件化、可擴展化，支持多種媒體、用戶交互、腳本語言、網(wǎng)絡(luò)超鏈接等特性，目前，廣泛應(yīng)用于科研、教學(xué)、商務(wù)及軍事等領(lǐng)域。

二、曲柄搖桿機構(gòu)運動仿真

1.總體思路

曲柄搖桿機構(gòu)，是具有一個曲柄和一個搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)。一般情況下，曲柄為主動件，做勻速圓周運動，而搖桿為從動件，做變速往返擺動，連桿的一端連接曲柄的運動端，另一端連接搖桿的運動端，做平面復(fù)合運動。實現(xiàn)該機構(gòu)的運動仿真，要點在于繪制構(gòu)件的三維模型、計算各構(gòu)件的運動軌跡以及在X3D文件中用ROUTE節(jié)點將相關(guān)傳感器節(jié)點連接起來。

2.零件建模

X3D語言支持使用基本幾何節(jié)點創(chuàng)建簡單的三維模型。比如，使用Sphere節(jié)點創(chuàng)建球體，使用Cylinder節(jié)點創(chuàng)建圓柱體，但對于較復(fù)雜的組合體模型，使用Solidworks建模再轉(zhuǎn)為X3D格式則更為簡便。具體方法如下：

（1）使用Solidworks軟件建立零部件和減速機模型；

（2）將模型導(dǎo)出為VRML格式；

（3）使用X3D-Edit軟件將VRML格式文件轉(zhuǎn)換為X3D格式。

曲柄搖桿機構(gòu)運動仿真涉及的X3D節(jié)點主要有Orientation Interpolator朝向插補器節(jié)點（實現(xiàn)模型節(jié)點的旋轉(zhuǎn)）、Position Interpolator位置插補器節(jié)點（實現(xiàn)模型節(jié)點的平移）和Time Sensor時間傳感器節(jié)點（控制模型節(jié)點的運動）。為了簡化Position Interpolator和Orientation Interpolator節(jié)點的key Value域值數(shù)據(jù)，在給曲柄和搖桿建模時，應(yīng)當(dāng)將其模型原點設(shè)置在各自的轉(zhuǎn)動中心。

3.運動仿真

曲柄搖桿機構(gòu)運動仿真的關(guān)鍵在于使用ROUTE節(jié)點連接Time Sensor時間傳感器節(jié)點和動畫控制節(jié)點驅(qū)動構(gòu)件，并讓其沿預(yù)定的軌跡運動。

曲柄作主動件，做勻速圓周運動，因此，當(dāng)該構(gòu)件模型的原點設(shè)置在固定鉸鏈中心時，Position Interpolator節(jié)點的key Value域值是固定不變的（為該模型在X3D空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)），只需要將Orientation Interpolator節(jié)點的域值設(shè)置為等差數(shù)列弧度，即可實現(xiàn)該構(gòu)件的勻速圓周運動。

結(jié)合曲柄搖桿機構(gòu)的四個構(gòu)件的運動規(guī)律和長度關(guān)系，運用MATLAB軟件首先可以計算出運動過程中連桿的曲柄端坐標(biāo)變化情況以及連桿與x坐標(biāo)軸夾角的變化情況，轉(zhuǎn)化為連桿的Position Interpolator和Orientation Interpolator節(jié)點的key Value域值。然后，計算出連桿的搖桿端坐標(biāo)變化情況，并轉(zhuǎn)化為搖桿的Position Interpolator和Orientation Interpolator節(jié)點的key Value域值。最后，將Position Interpolator、Orientation Interpolator、Time Sensor節(jié)點和ROUTE節(jié)點添加到X3D文件中，即可完成曲柄搖桿機構(gòu)運動仿真。

三、結(jié)論

基于X3D格式的虛擬場景文件，被ISO組織接收為國際標(biāo)準(zhǔn)，更被眾多三維建模軟件支持導(dǎo)入和導(dǎo)出，同時，文件體積小，非常有利于網(wǎng)絡(luò)傳輸。結(jié)合X3DOM技術(shù)，它還能實現(xiàn)平臺無關(guān)性，因此，特別適合作為交流機構(gòu)運動仿真的素材。

曲柄連桿機構(gòu)是一種常用機構(gòu)，其運動形式包含旋轉(zhuǎn)、平移和復(fù)合運動，在X3D文件的運動仿真中，是一個非常典型的案例。本文通過建立曲柄搖桿機構(gòu)的三維模型，分析其運動規(guī)律，結(jié)合MATLAB軟件計算各構(gòu)件的運動軌跡，實現(xiàn)了該機構(gòu)在X3D文件中的運動仿真，該方法可以推廣至絕大部分常用機構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

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