SOLIDWORKS Simulation機構運動仿真在驅動馬達選型中的應用

撰文/達索析統（上海）信息技術有限公司 彭軍

SOLIDWORKS Simulation機構運動仿真在驅動馬達選型中的應用

撰文/達索析統（上海）信息技術有限公司 彭軍

自動化裝備通常會采用馬達（電機）驅動機構運動，進行輸送、裝配和包裝等操作動作例如生產線。馬達選型通常需要考慮多個因素，其中扭矩特性是一個重要指標。本文闡述了如何在SOLIDWORKS中進行多步驟機構運動分析，同時獲取多個馬達力矩的產品仿真和設計思路。

一、引言

自動化設備大量采用各種馬達（電機）進行機構驅動，如何確定驅動力矩進而選擇性能合適且價格經濟的驅動馬達是一個關鍵問題。相對于粗糙的經驗估計和手工計算，機構運動仿真軟件可以精確計算驅動力矩，進而與馬達扭矩匹配，選擇型號最合適的驅動馬達。本文針對一款工業自動化包裝設備，使用SOLIDWORKS Motion的機構運動仿真來計算馬達力矩，將計算結果作為驅動馬達選型的參考。

二、問題及模型描述

該包裝設備在一個工作循環中會將傳送帶A上的四個包裝袋運送到傳送帶B上的包裝箱內，工作頻率是每分鐘二十個工作循環。在運動機構上布置有三個旋轉馬達驅動設備轉，如圖1所示。該設備框架材料是普通鋼材，所有運動部件材料是6063鋁合金材料。

由于本次計算目的是得到設備馬達布置處的馬達力矩，因此進行兩次機構運動分析。在第一個機構運動仿真中設置運動機構抓手處的路徑配合，在三個馬達處設置鉸鏈（Hinge）配合。通過機構運動仿真，反向計算得到三個鉸鏈配合處的旋轉角速度曲線，并導出成.csv文件，作為下一個機構運動仿真算例的馬達參數的輸入文件。

在第二個機構運動仿真算例中，壓縮前述算例中的路徑配合，在三個Hinge配合處設置三個旋轉馬達。馬達參數輸入前面計算得到的馬達角速度曲線，然后計算得到三個馬達的約束反力矩。

圖1 包裝設備

三、機構運動仿真過程

第一個機構運動仿真算例，在圖1所示的三個馬達處各設置一個鉸鏈配合（Hinge），該配合允許繞圓柱面軸向的旋轉運動，約束其他的運動自由度。設置鉸鏈配合的目的在于輸出運動所需要的角速度曲線，如圖2所示。

圖2 馬達布置處鉸鏈配合

SOLIDWORKS機構運動仿真模塊Motion中建立運動仿真分析步，建立如圖3所示的路徑配合馬達。路徑曲線可以使用SOLIDWORKS中的3D草圖來建立。

圖3 路徑配合馬達

對該路徑配合馬達的運動參數進行設置，在運動（M）項下面選擇線段，并編輯（圖3）。設置位移路徑，時間0～1秒，設置位移值1，對應曲線類型為3-4-5多項式（3-4-5 Polynomial）；時間1～2秒，設置位移值0，對應曲線類型為3-4-5多項式（3-4-5 Polynomial）。該設置表示2秒時間為一個運動工作循環，時間點0秒開始沿路徑運動，時間點2秒返回到初始位置點。3-4-5多項式描述了位移值y與自變量x的曲線關系，自變量中含有三次方、四次方和五次方項，設置多項式曲線的目的是確保位移運動曲線在各階段能平滑過度。

在圖4中還可以看到，SOLIDWORKS自動生成了該位移多項式曲線對應的速度曲線、加速度曲線等。

圖4 路徑配合馬達參數設置

在運動算例屬性處設置計算的每秒幀數為200，如圖5所示。該運動仿真時間設置為2秒，進行運動仿真計算。

圖5 運動算例屬性設置

主要的結果輸出項如圖6所示，分別輸出三個鉸鏈處的旋轉角速度曲線，并另存為csv文本文件，取名motor1. csv（圖7）。

圖6 鉸鏈處結果輸出

圖7 鉸鏈處角速度曲線

第二個機構運動仿真算例，將第一個機構運動仿真算例復制成一個新的Motion運動仿真算例。壓縮路徑配合馬達，在三個鉸鏈配合處的圓柱面上設置旋轉馬達，在馬達參數設置中的運動（M）處選擇數據點，如圖8所示。

圖8 旋轉馬達設置

插值類型選擇立方樣條曲線，點擊輸入數據，將第一個機構運動仿真算例計算得到的三個鉸鏈處的角速度曲線導入，如圖9所示。計算幀數等參數設置與第一個算例相同，運行該運動仿真。

圖9 旋轉馬達參數

四、結果輸出

從第二個機構運動仿真算例的結果曲線Motor1的馬達力矩（圖10）可以看到，該設備在0.4秒、0.5秒、0.85秒和1.0秒處出現峰值力矩。

圖10 Motor1的馬達力矩曲線

五、結語

SOLIDWORKS Simulation中的機構運動仿真模塊Motion可以幫助設計工程師精確計算設備機構運動的驅動力矩，作為馬達選型的參考。Motion中計算得到的位移運動、連接力等數據結果也可以作為設備零部件結構強度剛度有限元仿真的輸入數據，同時Motion也可以與ROCKWELL的Motion Analyzer等軟件一起進行機電一體化的機構運動協同仿真分析，功能非常強大，非常適合自動化設備行業的設計人員使用。