基于Solidworks&SimMechanics的机构运动分析与仿真

杨树川,邵金龙,杨术明,朱学军,马伏龙

(宁夏大学机械工程学院,宁夏银川 750021)

基于Solidworks&SimMechanics的机构运动分析与仿真

杨树川,邵金龙,杨术明,朱学军,马伏龙

(宁夏大学机械工程学院,宁夏银川 750021)

介绍了几种常用机构运动分析的方法及特点,重点阐述了以Solidworks和SimMechanics为工具,通过机构的实体造型、建立机构模型、设置各模块参数及仿真参数等环节,对摆动导杆机构和曲柄摇块机构在给定驱动力下的运动性能进行分析与仿真,绘制了机构关键点的运动特性曲线,得到了机构运动的仿真动画。指出这种机构运动分析方法的简捷、快速、准确,为实际工程应用提供了一条便捷之路。

机构;运动分析;Solidworks;SimMechanics

机构运动分析是评价机械产品性能指标的主要方法之一。无论是对于新的机械设计,还是为了求解现有机械的运动性能,机构运动分析都是十分必要的。它既包括已知主动件的运动,求解机构中构件的运动参数的运动学正问题,也包括已知末端构件的运动,求解机构中构件的运动参数的运动学逆问题。它是机构设计、运动评价及运动控制的基础。通过对机构的运动分析,可以确定其中某些构件在运动时的所需空间,判断机构运动时各构件之间是否会产生干扰,也可以了解从动件的速度变化规律是否满足工作要求及了解机构的受力情况等。

目前,机构运动分析的方法主要有图解法、解析法和实验法[1]。图解法通过作图来确定机构中各构件的位置、速度及加速度,比较形象直观,但存在作图费时、作图精度差及计算精度差的缺点。解析法通过建立机构的位置方程、速度方程及加速度方程,以解方程的形式来确定机构中各构件的位置、速度及加速度,计算精度高,但存在机构复杂时方程建立困难、计算量大的缺点。而实验法需要一定的测试仪器及设备,分析成本高。

利用计算机软件进行机构运动分析因其具有速度快、精度高的优势现已成为机构运动分析方法的首选。

1 基于SimMechanics的机构运动分析过程

SimMechanics是MATLAB软件下的一个机构系统模块集,它可以对各种运动副连接的刚体进行建模与仿真,实现对机构系统进行动态性能分析与设计的目的。利用此工具进行机构分析不需要建立数学模型和编程,即可实现实时分析和机构运动状态的模拟显示,这将提高机构设计和研究人员的工作效率[2]。

1.1 SimMechanics模块组及机构建模过程

SimMechanics模块组(见图1)提供了机构建模的必要模块。其中包含刚体子模块组(Bodies)、运动副模块组(Joints)、约束与驱动模块组(Constraints&Drivers)、传感器与自动器模块组(Sensors&Actuators)、力单元模块组(Force Elements)、接口单元模块组(Interface Elements)、辅助工具模块组(Utilities)。

刚体子模块组(Bodies)包含4个模块(见图2)。

机械环境(Machine Environment)、共享环境(Shared Environment)、机架 (Ground)和刚体(Body)。环境模块是为仿真定义的一个环境。机架只有一个连接端,另外一端固定。刚体有2个连接端,一端为主动端,另一端为从动端,使用时可以定义质量、惯性矩、坐标原点,还可以设定刚体的初始位置和角度。

运动副模块组(Joints)(见图3)提供各种运动副,利用这些运动副可以将刚体构件连接起来。其中包含单自由度移动副(Prismatic)、单自由度转动副(Revolute)、三自由度球面副(Spherical)、平面副(Planar)等。其他模块组不在此一一介绍。

根据所研究机构的结构组成,利用 SimMechanics各子模块组中的模块,通过拖拉、旋转、连接等简单操作即可形成机构的SimMechanics模型。图4是一个已经建立好的平面铰链四杆机构的SimMechanics模型。

1.2 机构运动分析过程

对已建立机构模型的各模块进行必要的参数设置,添加必要的驱动及检测模块后,即可对机构进行运动分析与仿真。图5即为平面铰链四杆机构的可视化仿真界面。

1.3 基于SimMechanics机构运动分析的特点

基于SimMechanics模块组对机构进行建模与仿真,可直接根据机构的结构组成进行建模,建模过程比较简单,但仿真前对各模块的参数设置过程却很麻烦,尤其涉及到一些刚体的惯性矩等参数设置,需要进行必要的计算。

2 基于Solidworks&SimMechanics的机构运动分析与仿真过程

2.1 建模步骤

首先,根据组成机构各构件的形状尺寸参数,利用Solidworks软件进行实体造型,再根据各构件的连接关系建立机构的装配实体,形成机构的.SLDASM装配体文件。

其次,在 MATLAB软件中运行程序install_addon(’smlink.r2009b.win32.zip’),再运行 smlink_linksw命令,即可实现 Solidworks与 MATLAB软件的关联。此时Solidworks软件中会出现SimMechanics Link菜单。将原来的机构装配实体文件.SLDASM另存为.XML文件,同时会生成各个构件的.STL文件。

最后,在 MA TLAB中运行import_physmod命令,即可出现图6所示的.XML文件选择窗口。给出.XML文件的正确路径后,MATLAB软件会自动生成机构的 SimMechanics模型,而且会将各构件的参数自动设置。

2.2 仿真过程

得到机构的 SimMechanics模型后,需添加必要的驱动及检测模块,同时要将各刚体的.STL文件添加到各刚体的可视化属性设置对话框中后才可进行仿真。在MATLAB的模型窗口,单击运行按钮后,即可开始仿真。通过仿真,可得到机构的可视化实体仿真界面,也可单击模型中检测模块后的显示模块得到刚体的运动参数曲线。

2.3 建模与仿真实例

下面以摆动导杆机构和曲柄摇块机构的运动分析过程为例,来具体说明基于 Solidworks及 Sim-Mechanics的机构运动分析与仿真过程。

2.3.1 机构的Solidworks实体造型

在Solidworks软件中,根据组成机构的各零件的实际形状和尺寸分别进行三维实体造型,形成零件的.SLDPRT文件后装配形成机构的.SLDASM文件。摆动导杆机构和曲柄摇块机构的Solidworks实体造型见图7和图8[3]。

2.3.2 机构的SimMechanics模型

将MATLAB软件和Solidworks软件关联后,即可将机构的.SLDASM文件另存为.XML文件,在MATLAB软件中通过import_physmod命令即可形成机构的SimMechanics模型。已添加检测及驱动模块的摆动导杆机构和曲柄摇块机构的Sim-Mechanics模型见图9和图10[4-6]。

2.3.3 机构的运动仿真

单击运行按钮,即可开始机构的运动分析。运行后得到的摆动导杆机构和曲柄摇块机构的可视化运动仿真界面见图11和图12,摆杆的转角曲线见图13,摇块的速度曲线见图14。

3 结 语

1)介绍了机构运动分析的几种方法及其特点。

2)介绍了基于SimMechanics机构运动分析的建模过程及仿真方法。

3)以摆动导杆机构和曲柄摇块机构为例,详细介绍了基于Solidworks和SimMechanics的机构运动分析过程,通过这种方法,可方便、快捷、准确地获得机构关键点的运动特性曲线。

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Solidworks/SimMechanics-based mechanism kinematic analysis and simulation

YANG Shu-chuan,SHAO Jin-long,YANG Shu-ming,ZHU Xue-jun,MA Fu-long
(College of Mechanical Engineering,Ningxia University,Yinchuan Ningxia 750021,China)

This paper introduces briefly some common mechanism motion analysis methods and their characteristics,with the emphasis on the establishment of kinematic model and solid modeling with the software SimMechanics and Solidworks,taking crank-rocker mechanism and oscillating guide-bar mechanism as examples.Simultaneously the mechanism kinematic analysis and simulation is implemented by setting module parameters and simulation parameters.The kinetic characteristic curve of the key points and the simulation animation are obtained.The results show that the introduced method is easy,rapid and accurate for practical engineering application.

mechanism;kinematic analysis;Solidworks;SimMechanics

TH122

A

1008-1534(2011)04-0221-05

2011-04-07;

2011-04-25

责任编辑:冯 民

宁夏高等学校科学研究资助项目(NXGX2009-31)

杨树川(1971-),男,宁夏吴忠人,副教授,硕士,主要从事计算机辅助分析方面的研究。