基于X3D的曲柄搖桿機構運動仿真

江北大 蔡曉紅 孔凡寶 潘磊

摘 要：文章研究了使用Solidworks軟件為機構建模、輸出為X3D格式的方法，并分析了曲柄搖桿機構的運動規律，結合MATLAB軟件計算出各構件的運動軌跡，在X3D格式文件中實現了曲柄搖桿機構運動仿真。

關鍵詞：X3D；MATLAB；Solidworks；曲柄搖桿機構；運動仿真

中圖分類號：TH112

文獻標識碼：A

機械基礎是士官職業技術教育機電類專業的一門專業基礎必修課。常用機構的運動仿真是機械基礎課程非常重要的教學素材，運用X3D技術，制作的常用機構的運動仿真動畫，能激發學生的學習興趣，增強教學效果。

一、X3D技術概述

X3D是Web3D組織發布的一種開源三維圖像標記語言，是VRML標準的最新版本，它基于XML開發，已經通過ISO認證，被各大建模軟件（UG NX、Solidworks、Pro/E等）支持。X3D語言具有組件化、可擴展化，支持多種媒體、用戶交互、腳本語言、網絡超鏈接等特性，目前，廣泛應用于科研、教學、商務及軍事等領域。

二、曲柄搖桿機構運動仿真

1.總體思路

曲柄搖桿機構，是具有一個曲柄和一個搖桿的鉸鏈四桿機構。一般情況下，曲柄為主動件，做勻速圓周運動，而搖桿為從動件，做變速往返擺動，連桿的一端連接曲柄的運動端，另一端連接搖桿的運動端，做平面復合運動。實現該機構的運動仿真，要點在于繪制構件的三維模型、計算各構件的運動軌跡以及在X3D文件中用ROUTE節點將相關傳感器節點連接起來。

2.零件建模

X3D語言支持使用基本幾何節點創建簡單的三維模型。比如，使用Sphere節點創建球體，使用Cylinder節點創建圓柱體，但對于較復雜的組合體模型，使用Solidworks建模再轉為X3D格式則更為簡便。具體方法如下：

（1）使用Solidworks軟件建立零部件和減速機模型；

（2）將模型導出為VRML格式；

（3）使用X3D-Edit軟件將VRML格式文件轉換為X3D格式。

曲柄搖桿機構運動仿真涉及的X3D節點主要有Orientation Interpolator朝向插補器節點（實現模型節點的旋轉）、Position Interpolator位置插補器節點（實現模型節點的平移）和Time Sensor時間傳感器節點（控制模型節點的運動）。為了簡化Position Interpolator和Orientation Interpolator節點的key Value域值數據，在給曲柄和搖桿建模時，應當將其模型原點設置在各自的轉動中心。

3.運動仿真

曲柄搖桿機構運動仿真的關鍵在于使用ROUTE節點連接Time Sensor時間傳感器節點和動畫控制節點驅動構件，并讓其沿預定的軌跡運動。

曲柄作主動件，做勻速圓周運動，因此，當該構件模型的原點設置在固定鉸鏈中心時，Position Interpolator節點的key Value域值是固定不變的（為該模型在X3D空間坐標系中的坐標），只需要將Orientation Interpolator節點的域值設置為等差數列弧度，即可實現該構件的勻速圓周運動。

結合曲柄搖桿機構的四個構件的運動規律和長度關系，運用MATLAB軟件首先可以計算出運動過程中連桿的曲柄端坐標變化情況以及連桿與x坐標軸夾角的變化情況，轉化為連桿的Position Interpolator和Orientation Interpolator節點的key Value域值。然后，計算出連桿的搖桿端坐標變化情況，并轉化為搖桿的Position Interpolator和Orientation Interpolator節點的key Value域值。最后，將Position Interpolator、Orientation Interpolator、Time Sensor節點和ROUTE節點添加到X3D文件中，即可完成曲柄搖桿機構運動仿真。

三、結論

基于X3D格式的虛擬場景文件，被ISO組織接收為國際標準，更被眾多三維建模軟件支持導入和導出，同時，文件體積小，非常有利于網絡傳輸。結合X3DOM技術，它還能實現平臺無關性，因此，特別適合作為交流機構運動仿真的素材。

曲柄連桿機構是一種常用機構，其運動形式包含旋轉、平移和復合運動，在X3D文件的運動仿真中，是一個非常典型的案例。本文通過建立曲柄搖桿機構的三維模型，分析其運動規律，結合MATLAB軟件計算各構件的運動軌跡，實現了該機構在X3D文件中的運動仿真，該方法可以推廣至絕大部分常用機構。

參考文獻：

[1]徐萬紅，張天琪.基于X3D的零件測繪網絡虛擬平臺研究[J].機械工程師，2016（2）：71-73.

[2]朱曉林，黃敏純.基于X3D的虛擬裝配實時碰撞檢測技術研究[J].機電技術，2017（2）：20-22.