副標題#e# 隨著計算機輔助設(shè)計技術(shù)的飛速發(fā)展與功能的不斷完善，工程技術(shù)人員的設(shè)計方法和手段越來越豐富。尤其是三維CAD/CAM軟件的廣泛應(yīng)用與普及，使得現(xiàn)代機械產(chǎn)品設(shè)計逐步進入三維設(shè)計時代。三維設(shè)計具有形象、直觀、精確、快速的特點，在新產(chǎn)品開發(fā)的方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、產(chǎn)品性能的評估、確定和優(yōu)化物理樣機參數(shù)過程中能夠起到?jīng)Q定性作用，并為新產(chǎn)品研發(fā)一次成功，提供了強有力的技術(shù)支持。
Solidworks/Motion是基于Windows環(huán)境的參數(shù)化三維實體造型軟件。為廣大工程技術(shù)人員提供了在單一的Windows界面上無縫集成實體造型、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計、虛擬裝配、三維機構(gòu)運動仿真、運動干涉檢查、工藝規(guī)程生成、數(shù)控加工、三維實體圖轉(zhuǎn)化二維工程圖、產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享與集成等多種多樣的功能。
本文以某型號的三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)機械裝置為例，介紹應(yīng)用SolidWorks/Motion軟件進行三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)機械裝置在三維實體造型、裝配、三維機構(gòu)運動仿真及運動部件干涉檢查的過程和方法。
該三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)機械裝置主要由內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)和機座組成，如圖1所示。
一、三維實體造型設(shè)計
三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)裝置的測量系統(tǒng)精度相對較高，因此在進行三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)裝置的機械臺體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要確保機械臺體結(jié)構(gòu)的剛度能夠滿足測量系統(tǒng)精度要求，同時還要進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在滿足剛度和強度的前提下，使機械臺體的重量盡量輕，各轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量盡量小。從系統(tǒng)的驅(qū)動功率、運動平穩(wěn)性及控制性等方面來考慮，機械臺體的重心位置越接近轉(zhuǎn)動軸線越好。但從安全角度考慮，各轉(zhuǎn)動部件重心位置應(yīng)控制在回轉(zhuǎn)軸下方一定范圍內(nèi)。
根據(jù)設(shè)計任務(wù)書安裝臺面尺寸和承載要求等技術(shù)參數(shù)和指標，結(jié)合以往的設(shè)計經(jīng)驗，先初步確定機械臺體的結(jié)構(gòu)尺寸、斷面尺寸、板材厚度，初步進行三維造型設(shè)計，完成零部件設(shè)計并按相應(yīng)的關(guān)聯(lián)約束進行裝配。
首先確定各轉(zhuǎn)動部件重心位置。若重心位置不合適，可采用在下部添加配重塊或改變結(jié)構(gòu)尺寸的方式滿足重心位置的要求。對各部件進行有限元計算，檢驗各部件的應(yīng)力和應(yīng)變是否滿足測量系統(tǒng)精度要求。若不能滿足要求，則對相應(yīng)部件的結(jié)構(gòu)進行修改直至滿足要求。
二、機構(gòu)運動仿真分析及干涉檢查
1.機構(gòu)運動仿真分析
機構(gòu)運動仿真的模型應(yīng)采用自底向上的裝配方法，建立一個三軸搖擺復(fù)線機械裝置裝配體。首先插入已完成的機座，使機座部件的三個定義平面與裝配體的三個定義平面相重合，這樣就可以將機座部件完全約束固定。然后再逐次將外環(huán)、中環(huán)、內(nèi)環(huán)按相對應(yīng)的裝配關(guān)系進行約束。如圖1所示，外環(huán)與機座約束兩個自由度，外環(huán)可以繞Y軸擺動；中環(huán)與外環(huán)同樣約束兩個自由度，中環(huán)繞X軸可以擺動；內(nèi)環(huán)與中環(huán)也約束兩個自由度，內(nèi)環(huán)繞Z軸可以擺動。
對已經(jīng)做好的裝配體模型，即可用Solidworks/Motion進行運動仿真，根據(jù)任務(wù)書給定的相關(guān)條件和參數(shù)，可以模擬產(chǎn)品的不同運動狀態(tài)，檢驗產(chǎn)品的運動性能及產(chǎn)品的設(shè)計計算結(jié)果正確性。
如圖2所示，用鼠標將箭頭所指按鈕1點下，即可出現(xiàn)如圖3所示的左邊窗口。確認Revolute是否對應(yīng)Y軸（艏搖軸），Revolute2是否對應(yīng)X軸（橫搖軸），Revolute3是否對應(yīng)Z軸（縱搖軸）。用鼠標選取“Revolute”按鈕，然后點擊右鍵，選擇“Properties”出現(xiàn)如圖3所示的右邊窗口，在該窗口中可以添加各搖擺軸的搖擺方式（displacement）、搖擺數(shù)學(xué)模型（Harmonic）、幅值、周期、角速度和角加速度參數(shù)等。在Motion的下拉菜單中選取“Intellimotion Builder”按鈕，出現(xiàn)如圖4所示的窗口，在此窗口中可以添加運行的時間和計算的點數(shù)，一般取2～3個周期，500～1000個計算點即可。
Solidworks/Motion是基于Windows環(huán)境的參數(shù)化三維實體造型軟件。為廣大工程技術(shù)人員提供了在單一的Windows界面上無縫集成實體造型、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計、虛擬裝配、三維機構(gòu)運動仿真、運動干涉檢查、工藝規(guī)程生成、數(shù)控加工、三維實體圖轉(zhuǎn)化二維工程圖、產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享與集成等多種多樣的功能。
本文以某型號的三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)機械裝置為例，介紹應(yīng)用SolidWorks/Motion軟件進行三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)機械裝置在三維實體造型、裝配、三維機構(gòu)運動仿真及運動部件干涉檢查的過程和方法。
該三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)機械裝置主要由內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)和機座組成，如圖1所示。
圖1 三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)機械裝置示意圖
一、三維實體造型設(shè)計
三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)裝置的測量系統(tǒng)精度相對較高，因此在進行三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)裝置的機械臺體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要確保機械臺體結(jié)構(gòu)的剛度能夠滿足測量系統(tǒng)精度要求，同時還要進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在滿足剛度和強度的前提下，使機械臺體的重量盡量輕，各轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量盡量小。從系統(tǒng)的驅(qū)動功率、運動平穩(wěn)性及控制性等方面來考慮，機械臺體的重心位置越接近轉(zhuǎn)動軸線越好。但從安全角度考慮，各轉(zhuǎn)動部件重心位置應(yīng)控制在回轉(zhuǎn)軸下方一定范圍內(nèi)。
根據(jù)設(shè)計任務(wù)書安裝臺面尺寸和承載要求等技術(shù)參數(shù)和指標，結(jié)合以往的設(shè)計經(jīng)驗，先初步確定機械臺體的結(jié)構(gòu)尺寸、斷面尺寸、板材厚度，初步進行三維造型設(shè)計，完成零部件設(shè)計并按相應(yīng)的關(guān)聯(lián)約束進行裝配。
首先確定各轉(zhuǎn)動部件重心位置。若重心位置不合適，可采用在下部添加配重塊或改變結(jié)構(gòu)尺寸的方式滿足重心位置的要求。對各部件進行有限元計算，檢驗各部件的應(yīng)力和應(yīng)變是否滿足測量系統(tǒng)精度要求。若不能滿足要求，則對相應(yīng)部件的結(jié)構(gòu)進行修改直至滿足要求。
二、機構(gòu)運動仿真分析及干涉檢查
1.機構(gòu)運動仿真分析
機構(gòu)運動仿真的模型應(yīng)采用自底向上的裝配方法，建立一個三軸搖擺復(fù)線機械裝置裝配體。首先插入已完成的機座，使機座部件的三個定義平面與裝配體的三個定義平面相重合，這樣就可以將機座部件完全約束固定。然后再逐次將外環(huán)、中環(huán)、內(nèi)環(huán)按相對應(yīng)的裝配關(guān)系進行約束。如圖1所示，外環(huán)與機座約束兩個自由度，外環(huán)可以繞Y軸擺動；中環(huán)與外環(huán)同樣約束兩個自由度，中環(huán)繞X軸可以擺動；內(nèi)環(huán)與中環(huán)也約束兩個自由度，內(nèi)環(huán)繞Z軸可以擺動。
對已經(jīng)做好的裝配體模型，即可用Solidworks/Motion進行運動仿真，根據(jù)任務(wù)書給定的相關(guān)條件和參數(shù)，可以模擬產(chǎn)品的不同運動狀態(tài)，檢驗產(chǎn)品的運動性能及產(chǎn)品的設(shè)計計算結(jié)果正確性。
圖2 按鈕標識
如圖2所示，用鼠標將箭頭所指按鈕1點下，即可出現(xiàn)如圖3所示的左邊窗口。確認Revolute是否對應(yīng)Y軸（艏搖軸），Revolute2是否對應(yīng)X軸（橫搖軸），Revolute3是否對應(yīng)Z軸（縱搖軸）。用鼠標選取“Revolute”按鈕，然后點擊右鍵，選擇“Properties”出現(xiàn)如圖3所示的右邊窗口，在該窗口中可以添加各搖擺軸的搖擺方式（displacement）、搖擺數(shù)學(xué)模型（Harmonic）、幅值、周期、角速度和角加速度參數(shù)等。在Motion的下拉菜單中選取“Intellimotion Builder”按鈕，出現(xiàn)如圖4所示的窗口，在此窗口中可以添加運行的時間和計算的點數(shù)，一般取2～3個周期，500～1000個計算點即可。
圖3 設(shè)置窗口
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