基于SolidWorks/MATLAB的螺旋機構的運動研究

劉藝 高淑芬 趙鵬

摘要：螺旋機構是機械行業所有機構中（即連桿機構、齒輪機構、凸輪機構、槽輪機構、螺旋機構等）的一種重要的基礎機構，理論性和工程性都比較強，有減輕勞動強度和提高工作效率的功能。而對螺旋機構的運動進行分析研究是一個不可或缺的環節，許多螺旋機構只有在實現其運動分析與仿真時才有其應用的價值。通過機構的運動分析與仿真，不僅能夠更好地了解和掌握螺旋機構的基本的理論知識，而且能夠提高機械機構設計的效率和質量。

關鍵詞：螺旋機構;數學模型;運動分析;運動仿真

中圖分類號：TD528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0019-02

0? 引言

隨著加工制造、工藝、材料冶煉及熱處理等技術的進步和迅速發展，作為線性傳動的首要部件之一的螺旋機構越來越受到國內、國際制造業的重視，其綜合性能也有了很大的提高。螺旋機構的運動分析與仿真，其研究的目的在于針對所選的具體機構進行運動分析與仿真，比較針對性;提高機構運動分析與仿真的精度，效率，減輕不必要的工作量;把計算與繪圖融為一體，操作簡便，界面友好，人機互動性強;在實體校核實驗之前及時發現問題，便于修改，節省成本與時間;為教學活動提供動畫演示與運動分析曲線圖更為方便、準確、快速。

1? 研究過程

進行螺旋機構的運動分析與仿真的軟件和方法各種各樣，排除其它軟件的分析，本文應用軟件有SolidWorks、和MATLAB。基于SolidWorks的螺旋機構的運動研究，關鍵是確定機構的數學模型。

①選擇合適的螺旋機構，該機構的實體模型如圖1，其運動簡圖如圖2所示。

圖中螺栓為主動件，螺母A為左旋，螺母B為右旋，OM為R1，ON為R2，螺栓角速度ω，螺母A和螺母B的直徑相同為ra和rb，所以螺栓A處和B處的速度、加速度相同，螺旋機構可以實現快慢進給運動。以螺栓A處與活動螺母的運動為例，則螺栓A處的速度va、角加速度a、加速度？琢、法向加速度？琢n、切向加速度：

z根據螺栓與螺母配合時，接觸點的速度相等，求得活動螺母的角速度ω1為：

，即活動螺母上某一點的速度v1和加速度a1：

對該機構里的螺栓進行受力分析，受力分析圖如圖3。

已知對螺栓施加力為F，根據力的平衡可知，活動螺母的受力與它對螺栓力的大小相等，從而，可以得出螺栓所受扭轉力的大小。其扭轉力矩為，P=Fv，Me=9559P/n。

畫出螺栓的扭矩圖（如圖4所示），可以初步推算出該機構的運動情況，即完成機構的數學模型。

②已知數學公式輸入到軟件MATLAB里，對機構數學模型的求解，得到零部件的速度圖和加速度圖。

假設？棕=sint，R1=2，在MATLAB中新建M文件，編寫這個程序的主要代碼如下：

t=[0：pi/10：4*pi];

r=[0：5：100];

hold on

subplot（2，2，1）

axis（[0 4*pi -1 1]）

plot（t，r*sin（t））

xlabel（'時間t'）;ylabel（'速度v'）;title（'速度圖'）

legend（'v=r*sin（t）：點劃線'）

subplot（2，2，2）

axis（[0 4*pi -1 1]）

plot（t，r*sin（t）/2）

xlabel（'時間t'）;ylabel（'速度v1'）;title（'速度圖'）

legend（'v1=r*sin（t）/2：點劃線'）

subplot（2，2，3）

a=r*（sqrt（f^2+w^4））

plot（r，a）

xlabel（'半徑r'）;ylabel（'加速度a'）;title（'加速度圖'）

legend（'a=r*（sqrt（f^2+w^4））：虛線'）

subplot（2，2，4）

a1=2*r*（sqrt（f^2+w^4））

plot（r，a1）

xlabel（'半徑r'）;ylabel（'加速度a1'）;title（'加速度圖'）

legend（'a1=2*r*（sqrt（f^2+w^4））：虛線'）

調試并優化該程序，可以得到螺母和螺母某一點的速度曲線和加速度曲線。（圖4）

③機構的運動仿真。在SolidWorks的界面中建立“運動算例”，添加適當的馬達，選擇按鈕“從頭播放”可以實現機構的運動（即機構的運動仿真）。最后，返回到SolidWorks的界面，打開機構裝配體的文件，在適當的配合情況下，拖動鼠標，實現機構的手動模擬仿真。

2? 結語

隨著科學技術的發展和完善，計算機軟件輔助設計將會占據更大設計部分，縮短產品的研發、生產周期，減少成本，提高產品的競爭力。對螺旋機構的研究不僅實現了機構的可視化處理，還實現了人機交互性能。也實現了簡單機構的二次開發。文章對SolidWorks二次開發具有一定的實際指導意義。在MATLAB與SolidWorks連接過程中，使用程序驅動參數建模程序很長、校正比較麻煩、不能靈活替換，因此程序方面仍然有許多值得改進的地方，在以后的學習工作中，還得多加學習這方面的知識，促使自己進步！

參考文獻：

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