基于SolidWorks Motion的壓床機構運動仿真分析

寇會民 劉春東 姚家祥 常兆麒

摘 要：應用SolidWorks軟件，建立壓床機構的三維機構圖，添加相應的約束完成機構的裝配。加載SolidWorks Motion插件，對其進行運動分析與仿真，對于其他連桿機構的快速、準確的運動分析有一定的借鑒意義。

關鍵詞：SolidWorks Motion；壓床機構；運動仿真

引言

對于壓床機構的運動學分析，存在圖解法和解析法兩種基本分析方法，圖解法精度較低，人為誤差較大，相比而言解析法具有求解精確的特點，并且運用現代的數學計算工具取代人工計算，也大大提高了其求解精度與速度，但是解析法的應用起點較高，要求較高的數學和編程功底及較為熟練的數學工具操作能力，造成了該方法的難以普及?，F在提出了一種基于SolidWorks及其運動仿真插件進行運動仿真分析的方法，在已知原動件的運動規律和各構件的尺寸條件下，快速而精確的獲得輸出構件的運動規律。

1 機構部件建模

壓床機構屬于連桿機構，其機構示意圖與各構件尺寸如圖1所示。

連桿的三維模型為能獲得精確的仿真結果，需使已知的連桿尺寸應等于模型上連桿兩邊鉸鏈孔的孔心距，如桿長AB長度為263.89mm， 其對應的草圖如圖2所示。

結合拉伸、切除命令完成各個機構部件的建模。

2 壓床六桿機構的裝配

2.1 該機構的配合方式

連桿與插銷的配合方式要選擇【配合】中【機械配合】下的【鉸鏈配合】，雖然其效果相當于同時添加同心配合和重合配合，但是在motion分析中，反作用力和結果會與鉸鏈配合相關聯，而不是與某個特定的同心配合或重合配合相關聯。這可減小冗余配合對分析的負面影響，從而提高仿真結果的精確度。

2.2 該機構裝配方式的選擇

由于在Motion 分析中算例要求布局草圖中每個塊的質量、質量中心和慣性張量都有對應的值。 對于布局草圖中的每個塊，需要在運行質量屬性算例之前，通過在塊 PropertyManager 中編輯質量屬性來修改零部件的質量屬性，該方法不易操作，所以在裝配中放棄了布局草圖的使用，而將裝配體布局草圖的尺寸整合到機架建模中，并且使該壓床機構只有一個機架，從而避免了布局草圖在motion分析中執行不穩定的問題，選擇自下而上的裝配方式，快速的完成了機構的裝配。該壓床機構機架與最終裝配結果如圖3所示。

圖3

3 運動仿真分析與驗證

3.1 仿真分析前的準備

（1）打開裝配體，驗證固定和浮動的零部件是否正確，在CommandManager下加載SolidWorks Motion插件。

（2）新建算例，為運動仿真環境添加引力，在此，選擇Y軸負方向為引力方向，大小為9806.65mm/s^2。

（3）在運動算例屬性中打開【Motion分析】設置每秒幀數，該數值表示每秒用于記錄分析結果的頻率，其值越大記錄的數據越密集，從而獲得的記錄輸出構件運動規律的圖像也就越光順，越準確，在此，設置該數值大小為100。

3.2 添加驅動馬達

為該壓床機構的主動件添加驅動馬達，在MotionManager工具欄中單擊【馬達】，在馬達類型中選擇【旋轉馬達】選擇該壓床做主動件的連桿的任意一個面，設置運動類型為【等速】，按照設計要求轉速設置為90RPM（Round per minute）。

3.3 輸出構件的位移分析

單擊Motion工具欄中的【結果和圖解】按鈕，在【結果】下選取類別為【位移/速度/加速度】，在【子類別】中選擇【線性位移】，在【選取結果分量】中選擇【Y分量】，再選中輸出構件的一個面，單擊計算按鈕，顯示該圖解，生成輸出構件的運動位移隨時間的變化圖像，如圖4所示。

圖4

分析生成的位移圖像，可以得出，滑塊在該分析圖像中的沖程為109mm-（-71mm）=180mm，與方案中設計要求的滑塊沖程H=180mm完全吻合，驗證了仿真結果的正確性。

3.4 輸出構件的速度分析

新建另一個圖解，選擇【位移/速度/加速度】、【線性速度】、【Y分量】，再選中輸出構件的任意一個面，定義該圖解，單擊計算按鈕，顯示該圖解，得到輸出構件的速度隨時間的變化圖像，如圖5所示。

圖5

3.5 輸出構件的加速度分析

按照以上的步驟，選擇【位移/速度/加速度】、【線性速度】、【Y分量】，再選中輸出構件的任意一個面，系統就會自動識別并選中該構件的質心，并基于該點進行計算，獲得輸出構件的加速度隨時間的變化規律，在Motion Manager中依次選擇【結果】、【加速度圖解】、【顯示圖解】，顯示該圖像如圖6所示。

圖6

SolidWorks Motion生成的圖解，可以進一步轉化為電子表格的形式，能夠獲得圖像上點的坐標值，借助Excel強大的數據處理能力，能夠更加清晰的表達仿真結果。

3.6 仿真結果的驗證

SolidWorks軟件具有更改零件的尺寸，其對應的裝配體會自動隨之更新的優點，根據這個特點，只需改變相應的構件尺寸，就可以進行多組設計方案的運動分析。為了驗證該方法的準確性，按照潘宇等人在《基于MATLAB的壓床機構運動學與動力學分析》論文中的壓床機構的設計數據，更改尺寸建立了新的壓床構件，并更新裝配體，按照以上的步驟，再次獲得了輸出構件的位移、速度、加速度的結果，對比該論文中基于MATLAB解析法得出的結果，除去兩者圖像橫坐標的變量不同外，兩者圖像的極值完全相等，圖形變化趨勢近似重合，進一步驗證了該方法的可行性與準確性。

4 結束語

借助SolidWorks參數化建模的特點，可以迅速的完成各個構件的精確建模與裝配，借助與其自身無縫接合的Motion分析軟件，可以快速的完成多組設計方案的運動分析。對比基于MATLAB的解析法，該方法易于操作，可以迅速的獲得相對精確的分析數據，在工程實踐中利于推廣，對于其它機構的運動分析具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]張靜，劉春東.機械原理[M].電子工業出版社，2014.

[2]SolidWorks 2014幫助文檔[Z].

[3]陳超祥.SolidWorks Motion運動仿真教程（2012版）[M].機械工業出版社，2012.

[4]潘宇，等.基于MATLAB的壓床機構運動學與動力學分析[J].科技創新與應用，2014，6.

作者簡介：寇會民（1994-），男，河北滄州人，河北建筑工程學院 機械工程學院，在讀本科生，曾以第一作者身份發表論文《基于SolidWorks的方程式驅動曲線參數化設計》已被《煤礦機械》2015年10、11期錄用，研究方向：機械設計與自動化。

*通訊作者：劉春東（1979-），男，遼寧朝陽人，河北建筑工程學院副教授，主要從事機械設計、機電一體化方面的教學與研究。