基于SolidWorks的連桿機構(gòu)的運動分析與仿真.doc

基于SolidWorks的連桿機構(gòu)的運動分析與仿真第1期(總第146期)2008年2月機械工程與自動化MECHANICALENGINEERING&AUT0MAT10NNO.1Feb.文章編號:16726413(20O8)O1007702基于SolidWorks的連桿機構(gòu)的運動分析與仿真衛(wèi)江紅(德州學院機電工程系,山東德州253015)摘要:研究了在SolidWorks平臺上進行連桿機構(gòu)運動分析與仿真的方法.以型轉(zhuǎn)化及廣義型轉(zhuǎn)化理論為運動分析的理論基礎(chǔ),采用VC+6.0編程語言.利用SolidWorks提供的API接口,實現(xiàn)了三維實體構(gòu)件的建模,機構(gòu)的分解和分析仿真的自動化.關(guān)鍵詞:運動分析;仿真;SolidWorks;連桿機構(gòu)中圖分類號:TH133.5:TP391.9文獻標識碼:A0引言目前,國外機構(gòu)運動分析方面的軟件在人機交互,圖形圖像處理和可視化方面做的比較好,但在運動分析時一般采用非線性方程組迭代求解,速度慢,特別是對于比較復雜的機構(gòu)就更慢,有時甚至不能收斂;國內(nèi)這方面的軟件在運動分析及受力分析方法方面已達到世界先進水平,但大多是用二維符號表示傳動類型和機構(gòu)結(jié)構(gòu)類型1,一般也僅著眼于數(shù)值計算,缺乏與三維CAD技術(shù)的緊密結(jié)合,不適合一般工程技術(shù)人員使用.因此,以強大的三維實體造型軟件為支撐軟件,結(jié)合國內(nèi)先進的分析方法,開發(fā)連桿機構(gòu)參數(shù)化實體運動分析和仿真系統(tǒng)是十分有意義的.1連桿機構(gòu)運動分析與仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)圖1為連桿機構(gòu)運動分析和仿真系統(tǒng)功能模型.系統(tǒng)具備對由轉(zhuǎn)動副,移動副等連接而成的連桿機構(gòu)進行三維參數(shù)化實體建模,運動學分析以及動態(tài)仿真的功能.1.1參數(shù)化構(gòu)件庫的建立及實體裝配為了實現(xiàn)構(gòu)件的快速建模和避免重復性工作,建立一些常用構(gòu)件的三維參數(shù)化模板庫,用戶可以在特征模板中查詢和調(diào)用各種構(gòu)件模型,見圖2.SolidWorks中的配合是基于特征的,而機構(gòu)中各構(gòu)件是通過運動副連接的,因此,裝配時構(gòu)件之間的配合特征要體現(xiàn)出運動副的類型特性.1.2裝配信息的提取與轉(zhuǎn)化在SolidWorks環(huán)境中,裝配好的機構(gòu)并不能直接用于機構(gòu)分析,必須提取出裝配體的配合特征信息,并將其轉(zhuǎn)化為機構(gòu)分解與分析所需要的拓撲信息和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù).裝配信息向拓撲信息的轉(zhuǎn)化是以構(gòu)件的名稱為索引收稿日期:20070509;修回日期:20070917作者簡介:衛(wèi)江紅(1980一),女.山西運城人.助教,碩士.通過遍歷裝配特征信息鏈表實現(xiàn)的.首先通過SolidWorksAPI提供的方法遍歷裝配體,得到固定構(gòu)件(即機架)名稱;然后以機架名稱為索引遍歷鏈表,找到與機架相連的構(gòu)件名稱Partl<1>,并為其編號;再次以Partl<1>為索引遍歷鏈表,依次類推,所有構(gòu)件和運動副被按序編號,從而得到機構(gòu)的拓撲信息.機構(gòu)零件寸.i驅(qū)動尺寸.警機構(gòu)實體裝配模數(shù)據(jù),提取/尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)竺竺竺蘭主動件速度參數(shù)些.雌重度分解/J各構(gòu)件分析/,分析位姿,)動態(tài)模擬SolidWorks屏幕位置參數(shù)數(shù)據(jù)庫速度參數(shù)數(shù)據(jù)庫曲線繪制主動件加速度參數(shù)加速分析加速度參數(shù)數(shù)據(jù)庫圖1連桿機構(gòu)運動分析和仿真系統(tǒng)功能模型1.3結(jié)構(gòu)分解及型轉(zhuǎn)化單元的分析模型識別出結(jié)構(gòu)分解所需要的信息后,按照文獻4?78?機械工程與自動化2008年第l期結(jié)構(gòu)分解路線的優(yōu)選原則將機構(gòu)分解為機架,主動件和有序單元組(虛擬單構(gòu)件,雙桿組,約束單構(gòu)件).型轉(zhuǎn)化單元共有37種.其數(shù)學模型可以歸納為26種.因此,構(gòu)造一個單元基類CUnit來定義型轉(zhuǎn)化單元運動分析的共同屬性和方法,再從單元基類中派生出各種單元類對象.通過基類中虛函數(shù)的定義.引人多態(tài)機制,便于程序擴充.一囊罄螢謄毫乏薹l螽J曩鏊l_;l|l藿謄|鼉B:ro騙,l1?#,s.li桶4,a魯t柑I1ttt?Pt;,梅件庫.r-P1黽n&rPl秣矗l韓n枇詣Hn蛐薜蛀張豫P1啦祥醛,l瓶蠕n袖l啦sR/,圖2特征模板瀏覽器在SolidWorks的裝配體中,系統(tǒng)會提供一個整體坐標系oxyz,裝配體中每一個構(gòu)件上面都固聯(lián)了一個局部坐標系0t,構(gòu)件在空間中的位姿是通過局部坐標系0tJI72相對于整體坐標系oxyz的原點位置和坐標軸的方位來確定的.其中,原點位置是局部坐標原點0相對于整體坐標系原點0的位置,它是一個31的平移矩陣;坐標軸的方位是局部坐標系的3個單位主矢量相對于整體坐標系的3個單位主矢量的方向余弦,是一個33的旋轉(zhuǎn)矩陣.因此,為了達到仿真的目的必須實時求解出這12個參數(shù).1.4運動分析與仿真的實現(xiàn)機構(gòu)分解完成后,通過調(diào)用主動件及各型轉(zhuǎn)化單元的運動分析子程序,從而實現(xiàn)對整個機構(gòu)的運動分析.首先調(diào)用Component:GetXform來得到該構(gòu)件的初始位置的位姿矩陣,當主動件位置發(fā)生變化的時候,順序調(diào)用各型轉(zhuǎn)化單元的運動分析子程序,得到該位置的分析結(jié)果,然后調(diào)用Component:SetXform重新設(shè)置構(gòu)件的位姿矩陣.這樣的話,運動分析的結(jié)果就直接為仿真服務,從而實現(xiàn)動態(tài)仿真.2實例圖3為六桿機構(gòu)三維實體模型,以其為例說明機構(gòu)的分解和分析仿真,六桿機構(gòu)的機構(gòu)簡圖見圖4.選取的計算參數(shù)為:主動件AB轉(zhuǎn)動步長為10.桿組分解結(jié)果為:型轉(zhuǎn)化數(shù)為1;虛擬單構(gòu)件為BC桿;約束單構(gòu)件為EG桿;其余兩桿為雙桿組.經(jīng)程序計算,得到各桿的仿真曲線,見圖5.3結(jié)論本文研究了在SolidWorks平臺上開發(fā)面向?qū)ο蟮倪B桿機構(gòu)參數(shù)化實體運動仿真系統(tǒng)的方法.結(jié)合國內(nèi)先進的機構(gòu)分析理論和SolidWorks強大的造型功能及其提供的API對象,開發(fā)出了一套三維實體化的通用連桿機構(gòu)運動分析和仿真系統(tǒng),其特點為:圖3六桿機構(gòu)三維實體模型圖4六桿機構(gòu)的機構(gòu)簡圖(aj構(gòu)件3的角位置曲線(b)構(gòu)件4的角位置曲線(c構(gòu)件5的角位置曲線(d)構(gòu)件6的角位置曲線圖5各構(gòu)件的仿真曲線圖(1)完全基于三維實體的分析.運動分析中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)以動態(tài)模擬,曲線圖,數(shù)據(jù)表等形式表現(xiàn)出來,增強了連桿機構(gòu)設(shè)計的直觀性,并為連桿機構(gòu)設(shè)計提供了全面準確的參考數(shù)據(jù).(2)由于參數(shù)化構(gòu)件模板庫的建立,大大簡化了機構(gòu)實體建模的過程;而裝配特征隱含了運動副的信息,省略了交互定義運動副的過程.(下轉(zhuǎn)第81頁)瓣2008年第1期機械工程與自動化?81?從圖3中可以看出:啟動時各曲線變化率很大,此時動臂,斗桿和鏟斗動力學物理量變化很大,容易產(chǎn)生疲勞損壞;在進行挖掘時,由于不需要進行轉(zhuǎn)動,處于穩(wěn)定的工作狀態(tài),各部件的物理量比較平穩(wěn).所以ADAMS的仿真結(jié)果與實際的工作情況是一致的.3結(jié)論本文對挖掘機的動臂,斗桿和鏟斗應用多剛體力學理論建立動力學模型.針對挖掘機進行空載動作的工況進行了ADAMS仿真.本文的研究可以推廣到實際挖掘的工況下,運用虛擬樣機技術(shù)可以節(jié)省大量的成本并縮短研發(fā)時間,進而能從系統(tǒng)級去理解挖掘機的各個工況.參考文獻:1陳立平.機械系統(tǒng)動力學分析及ADAMS應用教程M.北京:清華大學出版社,2005.2Koivo.ModelingandcontrolofexcavatordynamicsduringdiggingoperationJ.JournalofAerospaceEngineering,1996(1):10-12.3吳永平.工程機械設(shè)計M.北京:人民交通出版社,2005.4同濟大學.單斗液壓挖掘機M.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1986.Es黃圣杰.Pr0/ENGINEER2001高級開發(fā)實例EM.北京:電子工業(yè)出版社,2002.6鄭凱.ADAMS2005機械設(shè)計高級應用實例M.北京:機械工業(yè)出版社,2005.7李伯虎.復雜產(chǎn)品虛擬樣機工程的研究與初步實踐J3.系統(tǒng)仿真,2002(3):336341.8何清華.液壓挖掘機工作裝置仿真研究J.系統(tǒng)仿真學報,2006(3):735738.9劉靜.挖掘機器人虛擬樣機建模策略與仿真技術(shù)研究I-J,浙江大學(工學版),2004(11):1490-1495.10劉延柱.多剛體系統(tǒng)動力學M.北京:高等教育出版社,1989.DynamicSimulationofExcavatorBasedonVirtualPrototypeTechnologyandADAMSCHENGHong-tao,NIETao-sun,PANYuan,WUKun,LIANGGang(1_JingdezhenCeramicInstitute,Jingdezhen333403,China;2.UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;3.JingdezhenComprehensiveCollege,Jingdezhen333000,China)Abstract:Thispaperhasusedmultibodymechanicstheorytoestablishadynamicmodeloftheexcavator,whichprovidesatheoreticalbasisformodelinginADAMS.WithvirtualprototypetechnologyandADAMS.thedynamicsimulationofexcavatorhasbeenmakenundernoload.Therelationsbetweenthespeed,accelerationandangularaccelerationhavebeenattained.Thisstudyhaslaidabasisfortheapplicationofvirtualprototypetechnology.Keywords:virtualprototypetechnology;ADAMS;excavator;simulation9-9-9-jjjj9-jj9-j9-j9-jj9-9-jjj.業(yè).(上接第78頁)(3)采用型轉(zhuǎn)化及廣義型轉(zhuǎn)化的理論,將機構(gòu)運動分析方程的維數(shù)降至最低,提高了求解的速度;模型構(gòu)造與求解算法穩(wěn)定可靠,不會出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰現(xiàn)象.(4)具有良好的用戶界面和適時的交互能力,程序的自動識別能力強,用戶交互信息少,操作方便,對用戶的專業(yè)要求很低.(5)程序的通用性好,不受機構(gòu)復雜性和自由度的限制.KinematicsAnalysisLinkageMechanism參考文獻:-13鄒慧君,傅祥志,張春林,等.機械原理I-M.北京:高等教育出版社,1999.2曹惟慶.連桿機構(gòu)的分析與綜合I-M.第2版.北京:科學出版社,2002.3褚金奎.平面復絞機構(gòu)的類型綜合及結(jié)構(gòu)分析D.西安:陜西機械學院,1989:3237.43饒建華.復雜平面連桿機構(gòu)型轉(zhuǎn)化法運動分析及其通用程序i-J.西安理工大學,1994,10(3):161168.andSimulationoftheBasedonSolidWorksWEIJiang-hong(DepartmentofMechanicalandElectronicEngineering,DezhouUniversity,Dezhou253015,China)Abstract:ThispaperstudiesthemethodofkinematicsanalysisandsimulationofthelinkagemechanismontheSolidWorksplatform.Withthetypetransformationandthegeneraltypetransfor