基于solidworks motion的鉛球收集器抓取機構的運動仿真分析

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用。在solidworks構件目標模型，針對鉛球收集器中的抓取機構進行運動仿真，并通過調整推桿驅動時間速度和抓斗驅動力時間以實現推桿與抓斗協調運動效果，最后以圖表形式輸出構件的位移時間圖，通過圖表分析確定抓取機構的合理運行過程，為后續設備添加液氣壓動力系統提供參考。

關鍵詞：抓取機構；干涉；運動仿真

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

0 引言

傳統上，對運動機構的多采用圖解法、解析法、實驗法等。但隨著計算機軟、硬件的發展，使計算機軟件進行分析變得十分便捷和經濟，同時由于計算機仿真技術得到的結果能夠滿足工程實踐的要求，其高度的可靠性已經成為機構分析過程中不可缺少的環節。充分利用仿真技術進行運動學、動靜力學析，能夠為機構設計過程中存在的問題提供支撐。

本文先通過Solidworks建立鉛球抓取機構各零件三維模型及裝配關系，進入 motion模塊建立運動仿真模型。通過調整相關參數以達到理想運動效果，確定出機構運行過程中所需條件，模擬實際工作狀態下各構件的位移、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Windows環境集參數化三維實體建模及裝配、機構運動仿真、運動干涉檢查、優化設計等功能于一體，提供了一個無縫的多功能應用分析平臺。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）。其中在裝配關系確定后，每個運動分析方式可獨立進行，不會對裝配關系產影響，并且跟據運動仿真結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（包括定義運動驅動、接觸設置、鍵碼設置等）。

（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，根據零 件的初始狀態或前一時間步長的結果，軟件可以預測一下時間的狀態。

（3）后處理步驟。解釋分析結果并輸出數據文件，轉化成畫機構運動、圖表、力。

2 鉛球抓取機構運動仿真分析

2.1 問題描述

抓取機構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置合適的各項參數，以協調兩運動來完抓取功能。

2.2 機構建模

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

2.3 建立運動仿真模型

關鍵步驟[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：馬達用于驅動機構運動，并設定驅動參數，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重加也被計算在內。

（4）添加各機構的重量：機構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置。

（6）設置仿真時間23s：將結束時間幀拖至時間軸的23s處。

運動分析方案創建，檢查關鍵步驟信息。通過設置運動算例屬性窗口中每秒幀數來調整計算精確度。

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運動情況，如發現推桿上下運動、抓斗抓取運動不協調，則可通過設置推桿驅動時間速度、抓斗驅動力時間來實現。

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

3 結束語

從仿真結果可以看出，推桿的驅動速度與抓斗的驅動力在時間上是相協調的。從初始位置開始，經過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動運所需的空間及行程、檢查運動過程中不存在干涉等現象。

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運動中各機構運動，并通過調整相關參數以達到理想運動效果，確定出機構運行過程中所需條件。最后以圖表形式輸出構件的位移時間圖，為該機構后續添加液氣壓系統以及該機構的最終應用提供了理論依據。

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的壓床機構運動仿真分析[J]. 科技創新與應用，2015（30）：64-65.

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

基金項目：遙控鉛球運送車設計（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。