基于SolidWorks开发的机构运动方案设计虚拟实验系统 - 文章

基于SolidWorks开发的机构运动方案设计虚拟实验系统

作者：阮静郗向儒韩锐

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为了更好地实现实验目的，提高实验效率，作者以机构运动方案设计实验的要求、实验原理、方法为蓝本，用计算机虚拟实验技术，模拟仿真该实验的全过程，设计了一个机构运动方案设计虚拟实验系统.应用该系统，学生在实验前在计算机上对自己所设计方案的可行性、正确性进行可视化验证，然后再进行实际的拼接，提高了实验效率.

1 虚拟实验系统的功能

1)必须具备齐全的模型、而且尽量接近实物，这样才能对实验进行真实的模拟.
2)灵活性强，零件的参数能根据需要随时进行调整，实现尺寸驱动功能，即改变其中一个零件的参数后，只需要重建模型，其它零件的相应点的位置会跟着发生改变，零件之间依然保持相应的联结关系，而不需重新进行装配.
3)对于机构运动的模拟仿真功能.
4)具有运动特性分析和动力特性分析的功能.
5)具有实验指导功能.系统的结构流程图如图1所示.

图1 系统的结构流程图

2系统开发方法

虚拟实验系统选用的平台是三维设计软件系统SolidWorks。SolidWorks它是基于Windows的全参数化特征造型软件，可十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图，以参数化和特征建模的技术为核心，为设计人员提供了良好的设计环境，还可以方便地对SolidWorks进行二次开发.用户二次开发的应用程序，可直接挂在SolidWorks的菜单下，形成统一的界面.一般而言，开发人员首先需要在SolidWorks的界面上添加自己的菜单项，以此作为激活用户程序的接口，完成与用户的数据交换。

SolidWorks的API(Application Programming Interface应用编程接口)提供了两种接口方式:有OLE Automation的Idispatch和作为Windows基础的COM(Component Object model).Idispatch的方法可用于VB、VBA或VC的开发环境，常作为快速开发的手段.本文开发的实验系统所使用的程序就是采用的Idispatch接口方法，用VC++6.0编写的.在程序编好后，编译即可形成DLL文件.不同的操作系统需要用不同的设置:Windows95/98采用"MBCS";WindowsNT/2000采用"Unicode";生成需要的3dll文件后，就可以使用SolidWorks的"文件/打开"菜单，在过滤器中选择"AddIns(3.dll)"，加载自己的DLL.若该DLL在注册表中注册成功，还可使用"工具/插件"菜单进行一次性加载，以后启动SolidWorks，就可自动加载该DLL，无须再进行加载操作，十分方便.

3系统功能的实现

3.1实验装配零件库的建立

为了满足模型齐全的要求，笔者选用SolidWorks2001进行零件的三维造型，并把所有实验室内要用到的零件做成了一个零件库.通过对SolidWorks进行设置，可以使自己创建的零件库像工具条一样陈列在SolidWorks主窗口中.具体方法是:通过选择SolidWorks主菜单中的工具选项选择文件位置，将文件夹显示为调色板零件，再选"添加"，选中自己的零件库文件夹的存放位置.要使用这个零件库，只需要打开它就可以了.方法是，启动SolidWorks后，在工具下选择FeaturePalette，随后便有一个小窗口被打开，选中用户添加的文件夹，就会有一个新的窗口打开，创建的零件库内所有零件都以图标的形式陈列在窗口内，就好象在真实实验里看到的摆放在实验室里的零件一样.但使用起来比在真实实验室里方便多了，你只需要移动滑动条，就可以找到所需要的零件.

3.2机构运动设计方案的确定

在拟订方案之前，首先可以从过去成功的设计案例中进行检索，看是否有与设计要求类似的设计案例.如果有，则以这个案例为模板，并对其作适当的修改，以满足当前的设计要求.这样做即可以保证设计要求，还可提高设计效率.如果没有类似的设计案例，则利用所掌握的专业知识和经验进行新的设计.机构运动方案的设计具体由以下几个步骤组成:

1)输入设计要求(包括输入输出间的函数关系和工艺动作要求等等)以及外部的各种约束条件.
2)将设计要求及外部条件分解成各个基本动作、基本运动及其约束条件
3)初步选定能完成设计要求的基本机构或已有案例.
4)将初步选定的基本机构进行组合，得到多种可能的设计方案.
5)对各种方案进行初步的尺度综合.
6)对各种方案的机构进行性能分析(包括运动和动力性能分析).
7)对各种方案进行评价和排序，以选出最满意的方案.
8)如果所有方案均不满意，则重新进行机构选型及组合、尺度综合及性能分析、方案评价及排序等工作.其中对方案的机构性能分析可以通过所设计的虚拟实验系统来完成.

学生要做的就是先按以上步骤初步确定设计方案，画出机构运动简图，然后利用虚拟实验系统进行虚拟装配，给出初始输入条件，让系统进行分析计算，学生根据分析计算结果对设计方案优劣作出判断，如果满意，则根据确定的方案进行实际的拼接，如果不满意，则对机构进行构型演化，再装配，再分析，直至得出满意方案.

3.3虚拟装配

在虚拟装配之前在磁盘上新建一个文件夹，用以存放选择的零件和最后形成的装配体.首先选出装配所需要的零件，从零件库拖出相应零件的图标，系统就会打开相应零件的编辑窗口，选择另存为，把这个零件存放到新建的文件夹中.注意不要改变没有保存的编辑窗口中零件的各项参数，因为放在这个零件库中的零件是一个参考模板文件，它的参数一旦发生改变，所有以它为参考模板文件生成的文件中的相应参数都会发生改变，所以在拖出图标后，一定要将其另存到自己的文件夹中.即可以在装配之前选好所要用的零件，也可在装配时随取，一般只需要选好几类零件就可以了.SolidWorks是基于Windows操作系统的，使用起来完全和 Windows 一样，可以利用复制、粘贴的形式在装配体窗口内生成同样类型的多个零件.

如果是初始装配，则需打开一个新的装配体文件，将选好的零件插入到这个装配体文件中，在零件之间添加相应的装配配合关系就可以了.各构件之间的装配关系和其运动副关系是这样定义的:若是转动副，则在两零件连接处添加端面贴合和同轴心关系;若是移动副，则在两零件接触处添加平面贴合关系.对于机架和导轨等固定不动的构件通过右击SolidWorks特征管理树(Feature manager)中相应零件的实体名，在弹出的菜单内选择固定来实现.

由于是虚拟装配，自然比真实装配轻松得多.因为SolidWorks可以实现尺寸驱动，所以改变装配完的机构中构件的某些参数，如杆长，机架的位置后，只需要对装配体机构进行重建模型，其它零件的相应位置会根据配合关系跟着改变，而不需要拆卸后重新装配.图2所示为运用此系统装配好的四杆机构，并且已在SolidWorks界面上加载了自己的菜单，准备进行运动仿真.

3.4对机构运动的干涉检查

在装配体形成后，首先要对其进行初步的干涉检查.可以使用SolidWorks自带的干涉检查功能.如果觉得不够直观的话，则可以用拖动其中某个构件的方法，观察各个构件的运动情况，直观地看它们的运动是否会发生干涉.进一步的干涉检查，可以在运动的仿真过程中.选择编程加载的菜单下运动仿真项，对装配搭建的机构进行运动仿真.在仿真过程中可以观察到是否发生干涉，如果发生干涉，两个零件将有重叠的部分，这就需要对机构中的参数进行调整.

3.5机构运动的仿真

机构的动态仿真的实现相当于在每一运动时刻，将各个构件根据约束摆放到空间的指定位置上.构件的初始位置在装配体装配好以后就确定了，其中机架位置的坐标值用户是可以自己设定的，而构件在运动当中的各个数据是由外部机构分析程序提供.因此，这种机构三维仿真方法不受机构的复杂性和自由度所限制.给出不同的输入，外部分析程序会提供不同的运动数据分析结果，使机构得以实现不同的运动.运动数据分析结果被存储在数据库中以便需要时进行调用.

3.6机构运动特性分析和动力学特性分析

运动仿真之后，还需要对机构进行运动特性和动力学特性分析.从而判断出所设计出的机构的优劣.方法是输出特征点的位置、速度、加速度、和力分析曲线.具体实现是通过VC编程绘制曲线图，从数据库中取出保存好的绘图所用的数据.如果所设计的方案未打到设计要求，就需要修改设计方案，进行机构构型的演化.演化的方法主要有运动副变换、加杆组、运动倒置、加自由度、运动等效变换，不断对方案进行修改，然后装配，进行运动学特性和力学特性分析，直到形成最满意的方案.

3.7实验指导功能

实验指导主要是在修改设计方案时，系统提供帮助信息，告诉以通过那些方法来优化机构，在学生选好一种方法后，系统会给出方法的原理，帮助使用者快速地修改方案。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/18/2008)


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