Solidworks/Motion在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技巧

    隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)方法和手段越來(lái)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(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)逐步進(jìn)入三維設(shè)計(jì)時(shí)代。三維設(shè)計(jì)具有形象、直觀、精確、快速的特點(diǎn)，在新產(chǎn)品開發(fā)的方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、產(chǎn)品性能的評(píng)估、確定和優(yōu)化物理樣機(jī)參數(shù)過(guò)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(qiáng)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(shí)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(wú)縫集成實(shí)體造型、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)、虛擬裝配、三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、運(yùn)動(dòng)干涉檢查、工藝規(guī)程生成、數(shù)控加工、三維實(shí)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(hào)的三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)機(jī)械裝置為例，介紹應(yīng)用SolidWorks/Motion軟件進(jìn)行三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)機(jī)械裝置在三維實(shí)體造型、裝配、三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真及運(yùn)動(dòng)部件干涉檢查的過(guò)程和方法。
該三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)機(jī)械裝置主要由內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)和機(jī)座組成，如圖1所示。

    一、三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)

    三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)裝置的測(cè)量系統(tǒng)精度相對(duì)較高，因此在進(jìn)行三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)裝置的機(jī)械臺(tái)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要確保機(jī)械臺(tái)體結(jié)構(gòu)的剛度能夠滿足測(cè)量系統(tǒng)精度要求，同時(shí)還要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在滿足剛度和強(qiáng)度的前提下，使機(jī)械臺(tái)體的重量盡量輕，各轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小。從系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功率、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及控制性等方面來(lái)考慮，機(jī)械臺(tái)體的重心位置越接近轉(zhuǎn)動(dòng)軸線越好。但從安全角度考慮，各轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)任務(wù)書安裝臺(tái)面尺寸和承載要求等技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)，結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，先初步確定機(jī)械臺(tái)體的結(jié)構(gòu)尺寸、斷面尺寸、板材厚度，初步進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，完成零部件設(shè)計(jì)并按相應(yīng)的關(guān)聯(lián)約束進(jìn)行裝配。

    首先確定各轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)各部件進(jìn)行有限元計(jì)算，檢驗(yàn)各部件的應(yīng)力和應(yīng)變是否滿足測(cè)量系統(tǒng)精度要求。若不能滿足要求，則對(duì)相應(yīng)部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改直至滿足要求。

圖1 三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)機(jī)械裝置示意圖

    二、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析及干涉檢查

    1.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

    機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的模型應(yīng)采用自底向上的裝配方法，建立一個(gè)三軸搖擺復(fù)線機(jī)械裝置裝配體。首先插入已完成的機(jī)座，使機(jī)座部件的三個(gè)定義平面與裝配體的三個(gè)定義平面相重合，這樣就可以將機(jī)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(duì)應(yīng)的裝配關(guān)系進(jìn)行約束。如圖1所示，外環(huán)與機(jī)座約束兩個(gè)自由度，外環(huán)可以繞Y軸擺動(dòng)；中環(huán)與外環(huán)同樣約束兩個(gè)自由度，中環(huán)繞X軸可以擺動(dòng)；內(nèi)環(huán)與中環(huán)也約束兩個(gè)自由度，內(nèi)環(huán)繞Z軸可以擺動(dòng)。

    對(duì)已經(jīng)做好的裝配體模型，即可用Solidworks/Motion進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，檢驗(yàn)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)性能及產(chǎn)品的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果正確性。

圖2 按鈕標(biāo)識(shí)

圖3 設(shè)置窗口

    如圖2所示，用鼠標(biāo)將箭頭所指按鈕1點(diǎn)下，即可出現(xiàn)如圖3所示的左邊窗口。確認(rèn)Revolute是否對(duì)應(yīng)Y軸（艏搖軸），Revolute2是否對(duì)應(yīng)X軸（橫搖軸），Revolute3是否對(duì)應(yīng)Z軸（縱搖軸）。用鼠標(biāo)選取“Revolute”按鈕，然后點(diǎn)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(yùn)行的時(shí)間和計(jì)算的點(diǎn)數(shù)，一般取2～3個(gè)周期，500～1000個(gè)計(jì)算點(diǎn)即可。所加參數(shù)添加完成后，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖2中箭頭所指快捷按鈕2（然后點(diǎn)擊圖4中的“simulate”按鈕），然后即可進(jìn)行搖擺模擬運(yùn)動(dòng)。

圖4 仿真設(shè)置窗口

    待運(yùn)行結(jié)束后，用鼠標(biāo)選取“Revolute”按鈕，點(diǎn)擊右鍵，選擇“Plot”就會(huì)出現(xiàn)如圖5所示的窗口，點(diǎn)擊其中的“Rotary Motion Generator”按鈕，選取所對(duì)應(yīng)的各轉(zhuǎn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)力矩。以圖1中的坐標(biāo)系為參照，Y軸為艏搖軸，X軸為橫搖軸，Z軸為縱搖軸。從而得到外環(huán)（Y軸）、中環(huán)（X軸）以及內(nèi)環(huán)（Z軸）的驅(qū)動(dòng)力矩圖。如圖6所示。

圖5 選取各轉(zhuǎn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)力矩

圖6 各轉(zhuǎn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)力矩圖

    此外，還可將運(yùn)動(dòng)仿真的效果直接輸出為影視文件。在Motion的下拉菜單中選取“Export Results”按鈕后，點(diǎn)擊“To AVI Movie”按鈕,即可將運(yùn)動(dòng)仿真的影視文件存儲(chǔ)在指定的目錄。

    2、運(yùn)動(dòng)部件的干涉檢查

    在這里需要多說(shuō)一句，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對(duì)裝配體的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查，查看限位運(yùn)動(dòng)的干涉情況，并查看裝配情況和零部件模型的精確程度，以便及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布置的干涉和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞等問(wèn)題。

    在Motion的下拉菜單中選取“Intellimotion builder”按鈕后，點(diǎn)擊“Interferences”按鈕（如圖4所示）,然后再點(diǎn)擊“Check Interferences”按鈕,即可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查，若有運(yùn)動(dòng)干涉的部件就會(huì)在如圖7所示的窗口中顯示，然后即可在相應(yīng)的部位進(jìn)行修改。若出現(xiàn)干涉，可察看到具體干涉位置，相應(yīng)部位進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。

圖7 運(yùn)動(dòng)干涉提示

    三、二維工程圖的轉(zhuǎn)化

   當(dāng)完成零部件建模、裝配體裝配、有限元分析、運(yùn)動(dòng)仿真和干涉檢查之后，即可轉(zhuǎn)入工程圖繪制，通過(guò)模型快速準(zhǔn)確生成所需的二維工程視圖。由于模型和圖紙尺寸相關(guān)聯(lián)，并能自動(dòng)生成尺寸標(biāo)注，減少了設(shè)計(jì)中的人為差錯(cuò)和工作量，設(shè)計(jì)人員主要工作是對(duì)尺寸標(biāo)注、形位公差進(jìn)行修改，編制必要的技術(shù)要求等，以滿足我國(guó)機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

    四、小結(jié)

    本文所述的設(shè)計(jì)的產(chǎn)品現(xiàn)已交付使用，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加載運(yùn)行試驗(yàn)，從實(shí)際測(cè)量和標(biāo)定結(jié)果看，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)了任務(wù)書的要求。說(shuō)明應(yīng)用Solidworks/Motion軟件構(gòu)建的三軸模擬搖擺復(fù)現(xiàn)機(jī)械裝置，在三維實(shí)體造型、裝配、三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、運(yùn)動(dòng)部件干涉檢查的過(guò)程方法和一些技巧是成功的。

   在新產(chǎn)品研制、開發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程中，尤其是對(duì)搖擺復(fù)線裝置這類非標(biāo)設(shè)備，需要對(duì)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作非常大和繁瑣，應(yīng)用Solidworks/Motion軟件進(jìn)行產(chǎn)品的仿真設(shè)計(jì)，大大提高了設(shè)計(jì)效率，避免了設(shè)計(jì)過(guò)程中大量更改，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。合理地運(yùn)用手中的軟件，不僅能夠縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，還能大大降低設(shè)計(jì)成本，減低新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。