连杆机构运动分析与仿真系统的开发

发布时间：2022-03-14 15:20:25 浏览数：次

(德州学院机电工程系，山东德州 253023)
摘要：文章研究了在SolidWorks平台上进行连杆机构运动分析与仿真的方法；将面向对象的机构分析系统与SolidWorks的特征造型功能结合起来，开发了一套连杆机构的三维参数化实体运动仿真系统。
关键词：型转化理论；结构分解；运动仿真
中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2009)09—0114—02

随着计算机应用技术的发展，计算机仿真已成为现代机构学重要的科研手段，它在可行性论证、工程设计和寻求最佳方案等方面发挥着重要作用，因而为机构仿真提供准确数据来源的运动分析也显得尤为重要。目前，机构的运动分析与仿真已经向三维实体化发展，而国内的机构运动分析方面的软件大多是用二维符号表示传动类型和机构结构类型，并缺乏与CAD技术的紧密结合，不适合一般工程技术人员使用。

本文采用型转化［1］及广义型转化理论［2］进行机构的运动分析，避免了迭代求解的局限性。文献［3］利用该理论，进行了机构分析和仿真的初步探索，实现了部分机构的仿真，但还缺乏通用性和适用性。本文在此基础上扩充了型转化的单元集合，添加了速度和加速度分析，使其应用范围更广；并建立了参数化的构件模板库，实现了构件尺寸参数的自动提取和修改；另外开发出针对机构装配、运动分析和仿真的菜单和工具栏，直接嵌入到Solid Works内部，实现无缝集成，因而界面友好，使用起来非常方便(见图1) 。

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1 实体模型的建立

为了实现构件的快速建模和避免重复性工作，建立了一些常用构件的三维参数化模板库。图 2为加载仿真插件后的SolidWorks系统界面。用户可以在特征模板中查询和调用各种构件模型。

Solid Works中的配合是基于特征的，而机构中各构件是通过运动副连接的，因此，装配时构件之间的配合特征要体现出运动副的类型特性。图3说明了转动副的定义过程。
2 模型结构信息的提取与转化

在Solid Works 装配环境中装配好的机构并不能直接用于机构分析，必须提取出装配体的配合特征信息，并将其转化为机构分解与分析所需要的拓扑信息和结构数据。

通过遍历所有配合特征，得到配合特征的名称和两个配合构件的名称。编写CFeaturePro类，用来存储得到的配合信息。并建立一个装配特征信息链表类CFlist，链表中的元素为指向 CFeaturePro类的指针，这样就形成了机构中构件连接关系的链表。

装配信息向拓扑信息的转化是以构件的名称为索引通过遍历装配特征信息链表实现的。首先通过SolidWorks API提供的方法遍历装配体，得到固定构件(即机架)名称。然后以机架名称为索引遍历链表，找到与机架相连的构件名称“Part1<1>”，并为其编号；再次以“Part1< 1>”为索引遍历链表，…，依次类推，所有构件和运动副被按序编号，从而得到机构的拓扑信息。
3 结构分解及型转化单元的分析模型

识别出结构分解所需要的信息后，按照文献［4］结构分解路线的优选原则将机构分解为机架、主动件和有序单元组(虚拟单构件、双杆组、约束单构件)。型转化单元共有37种，其数学模型可以归纳为26种。因此，构造一个单元基类CUnit来定义型转化单元运动分析的共同属性和方法，然后根据文献［4］中各单元运动分析的数学模型，从单元基类中派生出各种单元类对象。通过基类中虚函数的定义，引入多态机制，便于程序扩充。

以RRRR双杆组为例，说明型转化单元的运动分析模型的建立。
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4 运动分析与仿真的实现

机构分解完成后，通过调用主动件及各型转化单元的运动分析子程序，从而实现对整个机构的运动分析。
首先调用Component::GetXform来得到该构件的初始位置的位姿矩阵，当主动件位置发生变化的时候，顺序调用各型转化单元的运动分析子程序，得到该位置的分析结果，然后调用Se tXform重新设置构件的位姿矩阵。这样的话，运动分析的结果就直接为仿真服务，从而实现动态仿真。
5 算例

本系统人机交互简单，使用方便。首先进行机构实体建模；接着设置主动件的相关参数，如图5所示；进行机构的运动分析和仿真；最后进行分析结果的曲线绘制。

以自动送料机的曲柄滑块机构为例说明机构的分解和分析仿真(图6为机构简图和三维实体模型)。

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杆长参数(mm)：主动件长50，曲柄长100

选取的计算参数：主动件转动的角速度为0.5，角加速度为0。

经程序计算，得到滑块的仿真曲线如图7所示：

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6 结论

参数化构件库的建立、装配过程、装配信息的提取与转化、结构分解及分析仿真功能均已实现程序的自动化，并可以实现三维运动模拟。目前，利用开发的系统实现了多杆复杂机构的运动分析及仿真，具有很好的实用性。
［参考文献］
［1］曹惟庆. 连杆机构的分析与综合(第二版)［M］. 北京：科学出版社，2002.
［2］褚金奎. 平面复绞机构的类型综合及结构分析［D］.西安：陕西机械学院机械系，1989.
［3］郭晓宁，褚金奎，杨先海. 基于SolidWorks的平面连杆机构实体运动分析［J ］. 西安理工大学学报，2001，17(4).
［4］饶建华. 复杂平面连杆机构型转化法运动分析及其通用程序［J］.西安理工大学学报，1994，10(3):161～168.

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