基于SolidWorks Motion的壓床機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真分析

寇會民 劉春東 姚家祥 常兆麒

摘 要：應(yīng)用SolidWorks軟件，建立壓床機(jī)構(gòu)的三維機(jī)構(gòu)圖，添加相應(yīng)的約束完成機(jī)構(gòu)的裝配。加載SolidWorks Motion插件，對其進(jìn)行運(yùn)動分析與仿真，對于其他連桿機(jī)構(gòu)的快速、準(zhǔn)確的運(yùn)動分析有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：SolidWorks Motion；壓床機(jī)構(gòu)；運(yùn)動仿真

引言

對于壓床機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)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(diǎn)，并且運(yùn)用現(xiàn)代的數(shù)學(xué)計(jì)算工具取代人工計(jì)算，也大大提高了其求解精度與速度，但是解析法的應(yīng)用起點(diǎn)較高，要求較高的數(shù)學(xué)和編程功底及較為熟練的數(shù)學(xué)工具操作能力，造成了該方法的難以普及?，F(xiàn)在提出了一種基于SolidWorks及其運(yùn)動仿真插件進(jìn)行運(yùn)動仿真分析的方法，在已知原動件的運(yùn)動規(guī)律和各構(gòu)件的尺寸條件下，快速而精確的獲得輸出構(gòu)件的運(yùn)動規(guī)律。

1 機(jī)構(gòu)部件建模

壓床機(jī)構(gòu)屬于連桿機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)示意圖與各構(gòu)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(jié)果，需使已知的連桿尺寸應(yīng)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(yīng)的草圖如圖2所示。

結(jié)合拉伸、切除命令完成各個機(jī)構(gòu)部件的建模。

2 壓床六桿機(jī)構(gòu)的裝配

2.1 該機(jī)構(gòu)的配合方式

連桿與插銷的配合方式要選擇【配合】中【機(jī)械配合】下的【鉸鏈配合】，雖然其效果相當(dāng)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(jié)果會與鉸鏈配合相關(guān)聯(lián)，而不是與某個特定的同心配合或重合配合相關(guān)聯(lián)。這可減小冗余配合對分析的負(fù)面影響，從而提高仿真結(jié)果的精確度。

2.2 該機(jī)構(gòu)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(zhì)量、質(zhì)量中心和慣性張量都有對應(yīng)的值。 對于布局草圖中的每個塊，需要在運(yùn)行質(zhì)量屬性算例之前，通過在塊 PropertyManager 中編輯質(zhì)量屬性來修改零部件的質(zhì)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(jī)架建模中，并且使該壓床機(jī)構(gòu)只有一個機(jī)架，從而避免了布局草圖在motion分析中執(zhí)行不穩(wěn)定的問題，選擇自下而上的裝配方式，快速的完成了機(jī)構(gòu)的裝配。該壓床機(jī)構(gòu)機(jī)架與最終裝配結(jié)果如圖3所示。

圖3

3 運(yùn)動仿真分析與驗(yàn)證

3.1 仿真分析前的準(zhǔn)備

（1）打開裝配體，驗(yàn)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(yùn)動仿真環(huán)境添加引力，在此，選擇Y軸負(fù)方向?yàn)橐Ψ较?，大小?806.65mm/s^2。

（3）在運(yùn)動算例屬性中打開【Motion分析】設(shè)置每秒幀數(shù)，該數(shù)值表示每秒用于記錄分析結(jié)果的頻率，其值越大記錄的數(shù)據(jù)越密集，從而獲得的記錄輸出構(gòu)件運(yùn)動規(guī)律的圖像也就越光順，越準(zhǔn)確，在此，設(shè)置該數(shù)值大小為100。

3.2 添加驅(qū)動馬達(dá)

為該壓床機(jī)構(gòu)的主動件添加驅(qū)動馬達(dá)，在MotionManager工具欄中單擊【馬達(dá)】，在馬達(dá)類型中選擇【旋轉(zhuǎn)馬達(dá)】選擇該壓床做主動件的連桿的任意一個面，設(shè)置運(yùn)動類型為【等速】，按照設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速設(shè)置為90RPM（Round per minute）。

3.3 輸出構(gòu)件的位移分析

單擊Motion工具欄中的【結(jié)果和圖解】按鈕，在【結(jié)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(jié)果分量】中選擇【Y分量】，再選中輸出構(gòu)件的一個面，單擊計(jì)算按鈕，顯示該圖解，生成輸出構(gòu)件的運(yùn)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(shè)計(jì)要求的滑塊沖程H=180mm完全吻合，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

3.4 輸出構(gòu)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(gòu)件的任意一個面，定義該圖解，單擊計(jì)算按鈕，顯示該圖解，得到輸出構(gòu)件的速度隨時間的變化圖像，如圖5所示。

圖5

3.5 輸出構(gòu)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(gòu)件的任意一個面，系統(tǒng)就會自動識別并選中該構(gòu)件的質(zhì)心，并基于該點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，獲得輸出構(gòu)件的加速度隨時間的變化規(guī)律，在Motion Manager中依次選擇【結(jié)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(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電子表格的形式，能夠獲得圖像上點(diǎn)的坐標(biāo)值，借助Excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠更加清晰的表達(dá)仿真結(jié)果。

3.6 仿真結(jié)果的驗(yàn)證

SolidWorks軟件具有更改零件的尺寸，其對應(yīng)的裝配體會自動隨之更新的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)這個特點(diǎn)，只需改變相應(yīng)的構(gòu)件尺寸，就可以進(jìn)行多組設(shè)計(jì)方案的運(yùn)動分析。為了驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，按照潘宇等人在《基于MATLAB的壓床機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析》論文中的壓床機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，更改尺寸建立了新的壓床構(gòu)件，并更新裝配體，按照以上的步驟，再次獲得了輸出構(gòu)件的位移、速度、加速度的結(jié)果，對比該論文中基于MATLAB解析法得出的結(jié)果，除去兩者圖像橫坐標(biāo)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(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可行性與準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

借助SolidWorks參數(shù)化建模的特點(diǎn)，可以迅速的完成各個構(gòu)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(shè)計(jì)方案的運(yùn)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(shù)據(jù)，在工程實(shí)踐中利于推廣，對于其它機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析具有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：寇會民（1994-），男，河北滄州人，河北建筑工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，在讀本科生，曾以第一作者身份發(fā)表論文《基于SolidWorks的方程式驅(qū)動曲線參數(shù)化設(shè)計(jì)》已被《煤礦機(jī)械》2015年10、11期錄用，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)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(xué)院副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化方面的教學(xué)與研究。