基于X3D的曲柄摇杆机构运动仿真

江北大 蔡晓红 孔凡宝 潘磊

摘 要：文章研究了使用Solidworks软件为机构建模、输出为X3D格式的方法，并分析了曲柄摇杆机构的运动规律，结合MATLAB软件计算出各构件的运动轨迹，在X3D格式文件中实现了曲柄摇杆机构运动仿真。

关键词：X3D；MATLAB；Solidworks；曲柄摇杆机构；运动仿真

中图分类号：TH112

文献标识码：A

机械基础是士官职业技术教育机电类专业的一门专业基础必修课。常用机构的运动仿真是机械基础课程非常重要的教学素材，运用X3D技术，制作的常用机构的运动仿真动画，能激发学生的学习兴趣，增强教学效果。

一、X3D技术概述

X3D是Web3D组织发布的一种开源三维图像标记语言，是VRML标准的最新版本，它基于XML开发，已经通过ISO认证，被各大建模软件（UG NX、Solidworks、Pro/E等）支持。X3D语言具有组件化、可扩展化，支持多种媒体、用户交互、脚本语言、网络超链接等特性，目前，广泛应用于科研、教学、商务及军事等领域。

二、曲柄摇杆机构运动仿真

1.总体思路

曲柄摇杆机构，是具有一个曲柄和一个摇杆的铰链四杆机构。一般情况下，曲柄为主动件，做匀速圆周运动，而摇杆为从动件，做变速往返摆动，连杆的一端连接曲柄的运动端，另一端连接摇杆的运动端，做平面复合运动。实现该机构的运动仿真，要点在于绘制构件的三维模型、计算各构件的运动轨迹以及在X3D文件中用ROUTE节点将相关传感器节点连接起来。

2.零件建模

X3D语言支持使用基本几何节点创建简单的三维模型。比如，使用Sphere节点创建球体，使用Cylinder节点创建圆柱体，但对于较复杂的组合体模型，使用Solidworks建模再转为X3D格式则更为简便。具体方法如下：

（1）使用Solidworks软件建立零部件和减速机模型；

（2）将模型导出为VRML格式；

（3）使用X3D-Edit软件将VRML格式文件转换为X3D格式。

曲柄摇杆机构运动仿真涉及的X3D节点主要有Orientation Interpolator朝向插补器节点（实现模型节点的旋转）、Position Interpolator位置插补器节点（实现模型节点的平移）和Time Sensor时间传感器节点（控制模型节点的运动）。为了简化Position Interpolator和Orientation Interpolator节点的key Value域值数据，在给曲柄和摇杆建模时，应当将其模型原点设置在各自的转动中心。

3.运动仿真

曲柄摇杆机构运动仿真的关键在于使用ROUTE节点连接Time Sensor时间传感器节点和动画控制节点驱动构件，并让其沿预定的轨迹运动。

曲柄作主动件，做匀速圆周运动，因此，当该构件模型的原点设置在固定铰链中心时，Position Interpolator节点的key Value域值是固定不变的（为该模型在X3D空间坐标系中的坐标），只需要将Orientation Interpolator节点的域值设置为等差数列弧度，即可实现该构件的匀速圆周运动。

结合曲柄摇杆机构的四个构件的运动规律和长度关系，运用MATLAB软件首先可以计算出运动过程中连杆的曲柄端坐标变化情况以及连杆与x坐标轴夹角的变化情况，转化为连杆的Position Interpolator和Orientation Interpolator节点的key Value域值。然后，计算出连杆的摇杆端坐标变化情况，并转化为摇杆的Position Interpolator和Orientation Interpolator节点的key Value域值。最后，将Position Interpolator、Orientation Interpolator、Time Sensor节点和ROUTE节点添加到X3D文件中，即可完成曲柄摇杆机构运动仿真。

三、结论

基于X3D格式的虚拟场景文件，被ISO组织接收为国际标准，更被众多三維建模软件支持导入和导出，同时，文件体积小，非常有利于网络传输。结合X3DOM技术，它还能实现平台无关性，因此，特别适合作为交流机构运动仿真的素材。

曲柄连杆机构是一种常用机构，其运动形式包含旋转、平移和复合运动，在X3D文件的运动仿真中，是一个非常典型的案例。本文通过建立曲柄摇杆机构的三维模型，分析其运动规律，结合MATLAB软件计算各构件的运动轨迹，实现了该机构在X3D文件中的运动仿真，该方法可以推广至绝大部分常用机构。

参考文献：

[1]徐万红，张天琪.基于X3D的零件测绘网络虚拟平台研究[J].机械工程师，2016（2）：71-73.

[2]朱晓林，黄敏纯.基于X3D的虚拟装配实时碰撞检测技术研究[J].机电技术，2017（2）：20-22.