基于SolidWorks Motion的压床机构运动仿真分析

寇会民 刘春东 姚家祥 常兆麒

摘 要：应用SolidWorks软件，建立压床机构的三维机构图，添加相应的约束完成机构的装配。加载SolidWorks Motion插件，对其进行运动分析与仿真，对于其他连杆机构的快速、准确的运动分析有一定的借鉴意义。

关键词：SolidWorks Motion；压床机构；运动仿真

引言

对于压床机构的运动学分析，存在图解法和解析法两种基本分析方法，图解法精度较低，人为误差较大，相比而言解析法具有求解精确的特点，并且运用现代的数学计算工具取代人工计算，也大大提高了其求解精度与速度，但是解析法的应用起点较高，要求较高的数学和编程功底及较为熟练的数学工具操作能力，造成了该方法的难以普及。现在提出了一种基于SolidWorks及其运动仿真插件进行运动仿真分析的方法，在已知原动件的运动规律和各构件的尺寸条件下，快速而精确的获得输出构件的运动规律。

1 机构部件建模

压床机构属于连杆机构，其机构示意图与各构件尺寸如图1所示。

连杆的三维模型为能获得精确的仿真结果，需使已知的连杆尺寸应等于模型上连杆两边铰链孔的孔心距，如杆长AB长度为263.89mm， 其对应的草图如图2所示。

结合拉伸、切除命令完成各个机构部件的建模。

2 压床六杆机构的装配

2.1 该机构的配合方式

连杆与插销的配合方式要选择【配合】中【机械配合】下的【铰链配合】，虽然其效果相当于同时添加同心配合和重合配合，但是在motion分析中，反作用力和结果会与铰链配合相关联，而不是与某个特定的同心配合或重合配合相关联。这可减小冗余配合对分析的负面影响，从而提高仿真结果的精确度。

2.2 该机构装配方式的选择

由于在Motion 分析中算例要求布局草图中每个块的质量、质量中心和惯性张量都有对应的值。 对于布局草图中的每个块，需要在运行质量属性算例之前，通过在块 PropertyManager 中编辑质量属性来修改零部件的质量属性，该方法不易操作，所以在装配中放弃了布局草图的使用，而将装配体布局草图的尺寸整合到机架建模中，并且使该压床机构只有一个机架，从而避免了布局草图在motion分析中执行不稳定的问题，选择自下而上的装配方式，快速的完成了机构的装配。该压床机构机架与最终装配结果如图3所示。

图3

3 运动仿真分析与验证

3.1 仿真分析前的准备

（1）打开装配体，验证固定和浮动的零部件是否正确，在CommandManager下加载SolidWorks Motion插件。

（2）新建算例，为运动仿真环境添加引力，在此，选择Y轴负方向为引力方向，大小为9806.65mm/s^2。

（3）在运动算例属性中打开【Motion分析】设置每秒帧数，该数值表示每秒用于记录分析结果的频率，其值越大记录的数据越密集，从而获得的记录输出构件运动规律的图像也就越光顺，越准确，在此，设置该数值大小为100。

3.2 添加驱动马达

为该压床机构的主动件添加驱动马达，在MotionManager工具栏中单击【马达】，在马达类型中选择【旋转马达】选择该压床做主动件的连杆的任意一个面，设置运动类型为【等速】，按照设计要求转速设置为90RPM（Round per minute）。

3.3 输出构件的位移分析

单击Motion工具栏中的【结果和图解】按钮，在【结果】下选取类别为【位移/速度/加速度】，在【子类别】中选择【线性位移】，在【选取结果分量】中选择【Y分量】，再选中输出构件的一个面，单击计算按钮，显示该图解，生成输出构件的运动位移随时间的变化图像，如图4所示。

图4

分析生成的位移图像，可以得出，滑块在该分析图像中的冲程为109mm-（-71mm）=180mm，与方案中设计要求的滑块冲程H=180mm完全吻合，验证了仿真结果的正确性。

3.4 输出构件的速度分析

新建另一个图解，选择【位移/速度/加速度】、【线性速度】、【Y分量】，再选中输出构件的任意一个面，定义该图解，单击计算按钮，显示该图解，得到输出构件的速度随时间的变化图像，如图5所示。

图5

3.5 输出构件的加速度分析

按照以上的步骤，选择【位移/速度/加速度】、【线性速度】、【Y分量】，再选中输出构件的任意一个面，系统就会自动识别并选中该构件的质心，并基于该点进行计算，获得输出构件的加速度随时间的变化规律，在Motion Manager中依次选择【结果】、【加速度图解】、【显示图解】，显示该图像如图6所示。

图6

SolidWorks Motion生成的图解，可以进一步转化为电子表格的形式，能够获得图像上点的坐标值，借助Excel强大的数据处理能力，能够更加清晰的表达仿真结果。

3.6 仿真结果的验证

SolidWorks软件具有更改零件的尺寸，其对应的装配体会自动随之更新的优点，根据这个特点，只需改变相应的构件尺寸，就可以进行多组设计方案的运动分析。为了验证该方法的准确性，按照潘宇等人在《基于MATLAB的压床机构运动学与动力学分析》论文中的压床机构的设计数据，更改尺寸建立了新的压床构件，并更新装配体，按照以上的步骤，再次获得了输出构件的位移、速度、加速度的结果，对比该论文中基于MATLAB解析法得出的结果，除去两者图像横坐标的变量不同外，两者图像的极值完全相等，图形变化趋势近似重合，进一步验证了该方法的可行性与准确性。

4 结束语

借助SolidWorks参数化建模的特点，可以迅速的完成各个构件的精确建模与装配，借助与其自身无缝接合的Motion分析软件，可以快速的完成多组设计方案的运动分析。对比基于MATLAB的解析法，该方法易于操作，可以迅速的获得相对精确的分析数据，在工程实践中利于推广，对于其它机构的运动分析具有一定的参考价值。

参考文献

[1]张静，刘春东.机械原理[M].电子工业出版社，2014.

[2]SolidWorks 2014帮助文档[Z].

[3]陈超祥.SolidWorks Motion运动仿真教程（2012版）[M].机械工业出版社，2012.

[4]潘宇，等.基于MATLAB的压床机构运动学与动力学分析[J].科技创新与应用，2014，6.

作者简介：寇会民（1994-），男，河北沧州人，河北建筑工程学院 机械工程学院，在读本科生，曾以第一作者身份发表论文《基于SolidWorks的方程式驱动曲线参数化设计》已被《煤矿机械》2015年10、11期录用，研究方向：机械设计与自动化。

*通讯作者：刘春东（1979-），男，辽宁朝阳人，河北建筑工程学院副教授，主要从事机械设计、机电一体化方面的教学与研究。