基于Solidworks&SimMechanics的機構運動分析與仿真

楊樹川,邵金龍,楊術明,朱學軍,馬伏龍

(寧夏大學機械工程學院,寧夏銀川 750021)

基于Solidworks&SimMechanics的機構運動分析與仿真

楊樹川,邵金龍,楊術明,朱學軍,馬伏龍

(寧夏大學機械工程學院,寧夏銀川 750021)

介紹了幾種常用機構運動分析的方法及特點,重點闡述了以Solidworks和SimMechanics為工具,通過機構的實體造型、建立機構模型、設置各模塊參數(shù)及仿真參數(shù)等環(huán)節(jié),對擺動導桿機構和曲柄搖塊機構在給定驅動力下的運動性能進行分析與仿真,繪制了機構關鍵點的運動特性曲線,得到了機構運動的仿真動畫。指出這種機構運動分析方法的簡捷、快速、準確,為實際工程應用提供了一條便捷之路。

機構;運動分析;Solidworks;SimMechanics

機構運動分析是評價機械產品性能指標的主要方法之一。無論是對于新的機械設計,還是為了求解現(xiàn)有機械的運動性能,機構運動分析都是十分必要的。它既包括已知主動件的運動,求解機構中構件的運動參數(shù)的運動學正問題,也包括已知末端構件的運動,求解機構中構件的運動參數(shù)的運動學逆問題。它是機構設計、運動評價及運動控制的基礎。通過對機構的運動分析,可以確定其中某些構件在運動時的所需空間,判斷機構運動時各構件之間是否會產生干擾,也可以了解從動件的速度變化規(guī)律是否滿足工作要求及了解機構的受力情況等。

目前,機構運動分析的方法主要有圖解法、解析法和實驗法[1]。圖解法通過作圖來確定機構中各構件的位置、速度及加速度,比較形象直觀,但存在作圖費時、作圖精度差及計算精度差的缺點。解析法通過建立機構的位置方程、速度方程及加速度方程,以解方程的形式來確定機構中各構件的位置、速度及加速度,計算精度高,但存在機構復雜時方程建立困難、計算量大的缺點。而實驗法需要一定的測試儀器及設備,分析成本高。

利用計算機軟件進行機構運動分析因其具有速度快、精度高的優(yōu)勢現(xiàn)已成為機構運動分析方法的首選。

1 基于SimMechanics的機構運動分析過程

SimMechanics是MATLAB軟件下的一個機構系統(tǒng)模塊集,它可以對各種運動副連接的剛體進行建模與仿真,實現(xiàn)對機構系統(tǒng)進行動態(tài)性能分析與設計的目的。利用此工具進行機構分析不需要建立數(shù)學模型和編程,即可實現(xiàn)實時分析和機構運動狀態(tài)的模擬顯示,這將提高機構設計和研究人員的工作效率[2]。

1.1 SimMechanics模塊組及機構建模過程

SimMechanics模塊組(見圖1)提供了機構建模的必要模塊。其中包含剛體子模塊組(Bodies)、運動副模塊組(Joints)、約束與驅動模塊組(Constraints&Drivers)、傳感器與自動器模塊組(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個模塊(見圖2)。

機械環(huán)境(Machine Environment)、共享環(huán)境(Shared Environment)、機架 (Ground)和剛體(Body)。環(huán)境模塊是為仿真定義的一個環(huán)境。機架只有一個連接端,另外一端固定。剛體有2個連接端,一端為主動端,另一端為從動端,使用時可以定義質量、慣性矩、坐標原點,還可以設定剛體的初始位置和角度。

運動副模塊組(Joints)(見圖3)提供各種運動副,利用這些運動副可以將剛體構件連接起來。其中包含單自由度移動副(Prismatic)、單自由度轉動副(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。

根據所研究機構的結構組成,利用 SimMechanics各子模塊組中的模塊,通過拖拉、旋轉、連接等簡單操作即可形成機構的SimMechanics模型。圖4是一個已經建立好的平面鉸鏈四桿機構的SimMechanics模型。

1.2 機構運動分析過程

對已建立機構模型的各模塊進行必要的參數(shù)設置,添加必要的驅動及檢測模塊后,即可對機構進行運動分析與仿真。圖5即為平面鉸鏈四桿機構的可視化仿真界面。

1.3 基于SimMechanics機構運動分析的特點

基于SimMechanics模塊組對機構進行建模與仿真,可直接根據機構的結構組成進行建模,建模過程比較簡單,但仿真前對各模塊的參數(shù)設置過程卻很麻煩,尤其涉及到一些剛體的慣性矩等參數(shù)設置,需要進行必要的計算。

2 基于Solidworks&SimMechanics的機構運動分析與仿真過程

2.1 建模步驟

首先,根據組成機構各構件的形狀尺寸參數(shù),利用Solidworks軟件進行實體造型,再根據各構件的連接關系建立機構的裝配實體,形成機構的.SLDASM裝配體文件。

其次,在 MATLAB軟件中運行程序install_addon(’smlink.r2009b.win32.zip’),再運行 smlink_linksw命令,即可實現(xiàn) Solidworks與 MATLAB軟件的關聯(lián)。此時Solidworks軟件中會出現(xiàn)SimMechanics Link菜單。將原來的機構裝配實體文件.SLDASM另存為.XML文件,同時會生成各個構件的.STL文件。

最后,在 MA TLAB中運行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軟件會自動生成機構的 SimMechanics模型,而且會將各構件的參數(shù)自動設置。

2.2 仿真過程

得到機構的 SimMechanics模型后,需添加必要的驅動及檢測模塊,同時要將各剛體的.STL文件添加到各剛體的可視化屬性設置對話框中后才可進行仿真。在MATLAB的模型窗口,單擊運行按鈕后,即可開始仿真。通過仿真,可得到機構的可視化實體仿真界面,也可單擊模型中檢測模塊后的顯示模塊得到剛體的運動參數(shù)曲線。

2.3 建模與仿真實例

下面以擺動導桿機構和曲柄搖塊機構的運動分析過程為例,來具體說明基于 Solidworks及 Sim-Mechanics的機構運動分析與仿真過程。

2.3.1 機構的Solidworks實體造型

在Solidworks軟件中,根據組成機構的各零件的實際形狀和尺寸分別進行三維實體造型,形成零件的.SLDPRT文件后裝配形成機構的.SLDASM文件。擺動導桿機構和曲柄搖塊機構的Solidworks實體造型見圖7和圖8[3]。

2.3.2 機構的SimMechanics模型

將MATLAB軟件和Solidworks軟件關聯(lián)后,即可將機構的.SLDASM文件另存為.XML文件,在MATLAB軟件中通過import_physmod命令即可形成機構的SimMechanics模型。已添加檢測及驅動模塊的擺動導桿機構和曲柄搖塊機構的Sim-Mechanics模型見圖9和圖10[4-6]。

2.3.3 機構的運動仿真

單擊運行按鈕,即可開始機構的運動分析。運行后得到的擺動導桿機構和曲柄搖塊機構的可視化運動仿真界面見圖11和圖12,擺桿的轉角曲線見圖13,搖塊的速度曲線見圖14。

3 結 語

1)介紹了機構運動分析的幾種方法及其特點。

2)介紹了基于SimMechanics機構運動分析的建模過程及仿真方法。

3)以擺動導桿機構和曲柄搖塊機構為例,詳細介紹了基于Solidworks和SimMechanics的機構運動分析過程,通過這種方法,可方便、快捷、準確地獲得機構關鍵點的運動特性曲線。

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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

責任編輯:馮 民

寧夏高等學校科學研究資助項目(NXGX2009-31)

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