活动机构装配运动仿真及碰撞检测技术应用探讨

王法丽 刘广鑫

摘 要 以CATIA软件为应用平台，分析曲柄滑块的功能原理，提出相关机构运动方案，对相关舱门活动机构进行虚拟装配及运动仿真，应用静态与动态碰撞检测技术对潜在的设计、装配问题进行评估，提高产品开发效率和质量，降低生产损失。

关键词 虚拟装配;仿真构建;碰撞检测

在机械产品设计、制造过程中，通过运动仿真分析，检测产品的设计是否合理，是否可靠，帮助技术人员全面、深入的了解产品性能。这使得机械设计、制造工作更科学合理，更全面迅速。这些都发生在产品的设计开发过程中，可以避免不必要的浪费，缩短产品的设计、制造周期。

本课题中运动仿真是基于运动学所做的研究，在运动控制中，无须知道物体的任何物理属性，只关注几何变换如平移和旋转等来描述运动。三维实体在这里被认为是刚体，运动过程中不能发生诸如拉伸、压缩、扭曲等形变。

本文以CATIA软件为平台，通过对某新型飞机舱门开/关曲柄滑块机构的运动模拟、碰撞检测分析，阐释在产品制造中，活动机构的运动仿真、检测技术的应用[1]。

1产品活动机构的运动仿真

1.1 活动机构的建模、虚拟装配

此飞机舱门开/关驱动结构采用曲柄滑块机构，其属于平面连杆机构中的一种典型运动机构，由曲柄摇杆机构演化而来，曲柄作圆周旋转运动，滑块作往复直线运动，两构件都可作为主动件。此舱门开/关机构的滑块在液压作动筒作用下作为机构的主动件，带动曲柄做从动运动。

以CATIA为平台，构建零件数模并按要求装配组合，具体过程不是本文重点，不再详述。

1.2 运动机构仿真构建

机构零件虚拟装配组合后，根据曲柄滑块机构的运动原理，分析、拆解活动构件，确定机构传动路线，简化传动单元，构建零件间运动副及运动参数。①简化舱门开/关机构，只保留直接参与行程的零件。液压作动筒直线往复运动带动曲柄作圆周运动，从而释放/锁紧锁机构开/关舱门。由于结构空间原因，曲柄圆周运动有与结构框架碰撞可能。②以 CATIA DMU 运动机构模块为分析平台，构建舱门曲柄滑块机构零件间运动副。初始曲柄绕固定螺栓做旋转运动，关联从动曲柄圆周运动，最终末端曲柄绕固定螺栓从动圆周运动。根据上述分析，构建运动副组合。③运动副构建完成后，在初始曲柄旋转运动副中施加角度驱动，对机构仿真提供动力源，如图1。④编辑动画仿真参数，模拟舱门开/关机构运动，展示曲柄機构往复运动最大行程，如图2。

通过分析舱门开/关曲柄滑块机构的运动机理，构建运动元件运动副，编辑相关参数动态演示活动机构运动行程[2]。

2活动机构运动过程中碰撞检测

随着虚拟现实、分布式交互仿真等技术应用，虚拟装配环境下刚体间的运动碰撞检测问题得以解决。精确的碰撞检测技术对提高虚拟环境的真实性、增强虚拟环境的沉浸感有着至关重要的作用，通过虚拟环境下的碰撞检测技术可以真实再现装配、使用过程中可能遇到的问题，从而可以提前解决，提高效率、降低损耗。

进入CATIA 装配模块，选用碰撞和剖切面命令，分析检测曲柄构件与结构框架之间的间隙情况，如图3，检测结果：曲柄与结构框架发生干涉碰撞，干涉值3.83mm。

检测结论：通过碰撞检测模拟分析，舱门开/关机构结构设计有缺陷，需改进[3]。

3结束语

通过阐述典型平面连杆机构—曲柄滑块机构的运动原理，结合某型飞机舱门开/关机构运用CATIA软件制作运动仿真，较好地将平面连杆机构的理论和实际应用紧密联系。通过虚拟仿真技术，展示活动机构的静、动态碰撞检测结果，从而对机构布局提供参照，提高了产品研制效率。目前的运动仿真，前提是假设零件为刚体，构件受力运动不发生物理形变，对于复杂且具有刚度可变元件的机构，并不能完全、真实反映出机构的实际情况。随着计算机技术和虚拟现实技术的发展，将能够真实展示全维度、全刚度机构运动。

参考文献

[1] 王叶明.虚拟装配模型的运动仿真技术研究[D].沈阳：沈阳理工大学，2007.

[2] 杨义慧，余波.曲柄滑块机构的典型应用分析与运动仿真[J].中国设备工程，2018，（11）：187-188.

[3] 石晓虎，司小斌，宋引.基于UG的矿用减速器虚拟装配与运动仿真应用[J].科技资讯，2017，（35）：15-16.