活動機(jī)構(gòu)裝配運動仿真及碰撞檢測技術(shù)應(yīng)用探討

王法麗 劉廣鑫

摘 要 以CATIA軟件為應(yīng)用平臺，分析曲柄滑塊的功能原理，提出相關(guān)機(jī)構(gòu)運動方案，對相關(guān)艙門活動機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬裝配及運動仿真，應(yīng)用靜態(tài)與動態(tài)碰撞檢測技術(shù)對潛在的設(shè)計、裝配問題進(jìn)行評估，提高產(chǎn)品開發(fā)效率和質(zhì)量，降低生產(chǎn)損失。

關(guān)鍵詞 虛擬裝配;仿真構(gòu)建;碰撞檢測

在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計、制造過程中，通過運動仿真分析，檢測產(chǎn)品的設(shè)計是否合理，是否可靠，幫助技術(shù)人員全面、深入的了解產(chǎn)品性能。這使得機(jī)械設(shè)計、制造工作更科學(xué)合理，更全面迅速。這些都發(fā)生在產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程中，可以避免不必要的浪費，縮短產(chǎn)品的設(shè)計、制造周期。

本課題中運動仿真是基于運動學(xué)所做的研究，在運動控制中，無須知道物體的任何物理屬性，只關(guān)注幾何變換如平移和旋轉(zhuǎn)等來描述運動。三維實體在這里被認(rèn)為是剛體，運動過程中不能發(fā)生諸如拉伸、壓縮、扭曲等形變。

本文以CATIA軟件為平臺，通過對某新型飛機(jī)艙門開/關(guān)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運動模擬、碰撞檢測分析，闡釋在產(chǎn)品制造中，活動機(jī)構(gòu)的運動仿真、檢測技術(shù)的應(yīng)用[1]。

1產(chǎn)品活動機(jī)構(gòu)的運動仿真

1.1 活動機(jī)構(gòu)的建模、虛擬裝配

此飛機(jī)艙門開/關(guān)驅(qū)動結(jié)構(gòu)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其屬于平面連桿機(jī)構(gòu)中的一種典型運動機(jī)構(gòu)，由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演化而來，曲柄作圓周旋轉(zhuǎn)運動，滑塊作往復(fù)直線運動，兩構(gòu)件都可作為主動件。此艙門開/關(guān)機(jī)構(gòu)的滑塊在液壓作動筒作用下作為機(jī)構(gòu)的主動件，帶動曲柄做從動運動。

以CATIA為平臺，構(gòu)建零件數(shù)模并按要求裝配組合，具體過程不是本文重點，不再詳述。

1.2 運動機(jī)構(gòu)仿真構(gòu)建

機(jī)構(gòu)零件虛擬裝配組合后，根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運動原理，分析、拆解活動構(gòu)件，確定機(jī)構(gòu)傳動路線，簡化傳動單元，構(gòu)建零件間運動副及運動參數(shù)。①簡化艙門開/關(guān)機(jī)構(gòu)，只保留直接參與行程的零件。液壓作動筒直線往復(fù)運動帶動曲柄作圓周運動，從而釋放/鎖緊鎖機(jī)構(gòu)開/關(guān)艙門。由于結(jié)構(gòu)空間原因，曲柄圓周運動有與結(jié)構(gòu)框架碰撞可能。②以 CATIA DMU 運動機(jī)構(gòu)模塊為分析平臺，構(gòu)建艙門曲柄滑塊機(jī)構(gòu)零件間運動副。初始曲柄繞固定螺栓做旋轉(zhuǎn)運動，關(guān)聯(lián)從動曲柄圓周運動，最終末端曲柄繞固定螺栓從動圓周運動。根據(jù)上述分析，構(gòu)建運動副組合。③運動副構(gòu)建完成后，在初始曲柄旋轉(zhuǎn)運動副中施加角度驅(qū)動，對機(jī)構(gòu)仿真提供動力源，如圖1。④編輯動畫仿真參數(shù)，模擬艙門開/關(guān)機(jī)構(gòu)運動，展示曲柄機(jī)構(gòu)往復(fù)運動最大行程，如圖2。

通過分析艙門開/關(guān)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運動機(jī)理，構(gòu)建運動元件運動副，編輯相關(guān)參數(shù)動態(tài)演示活動機(jī)構(gòu)運動行程[2]。

2活動機(jī)構(gòu)運動過程中碰撞檢測

隨著虛擬現(xiàn)實、分布式交互仿真等技術(shù)應(yīng)用，虛擬裝配環(huán)境下剛體間的運動碰撞檢測問題得以解決。精確的碰撞檢測技術(shù)對提高虛擬環(huán)境的真實性、增強(qiáng)虛擬環(huán)境的沉浸感有著至關(guān)重要的作用，通過虛擬環(huán)境下的碰撞檢測技術(shù)可以真實再現(xiàn)裝配、使用過程中可能遇到的問題，從而可以提前解決，提高效率、降低損耗。

進(jìn)入CATIA 裝配模塊，選用碰撞和剖切面命令，分析檢測曲柄構(gòu)件與結(jié)構(gòu)框架之間的間隙情況，如圖3，檢測結(jié)果：曲柄與結(jié)構(gòu)框架發(fā)生干涉碰撞，干涉值3.83mm。

檢測結(jié)論：通過碰撞檢測模擬分析，艙門開/關(guān)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計有缺陷，需改進(jìn)[3]。

3結(jié)束語

通過闡述典型平面連桿機(jī)構(gòu)—曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運動原理，結(jié)合某型飛機(jī)艙門開/關(guān)機(jī)構(gòu)運用CATIA軟件制作運動仿真，較好地將平面連桿機(jī)構(gòu)的理論和實際應(yīng)用緊密聯(lián)系。通過虛擬仿真技術(shù)，展示活動機(jī)構(gòu)的靜、動態(tài)碰撞檢測結(jié)果，從而對機(jī)構(gòu)布局提供參照，提高了產(chǎn)品研制效率。目前的運動仿真，前提是假設(shè)零件為剛體，構(gòu)件受力運動不發(fā)生物理形變，對于復(fù)雜且具有剛度可變元件的機(jī)構(gòu)，并不能完全、真實反映出機(jī)構(gòu)的實際情況。隨著計算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，將能夠真實展示全維度、全剛度機(jī)構(gòu)運動。

參考文獻(xiàn)

[1] 王葉明.虛擬裝配模型的運動仿真技術(shù)研究[D].沈陽：沈陽理工大學(xué)，2007.

[2] 楊義慧，余波.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的典型應(yīng)用分析與運動仿真[J].中國設(shè)備工程，2018，（11）：187-188.

[3] 石曉虎，司小斌，宋引.基于UG的礦用減速器虛擬裝配與運動仿真應(yīng)用[J].科技資訊，2017，（35）：15-16.