基于SolidWorks/MATLAB的螺旋机构的运动研究

刘艺 高淑芬 赵鹏

摘要：螺旋机构是机械行业所有机构中（即连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、槽轮机构、螺旋机构等）的一种重要的基础机构，理论性和工程性都比较强，有减轻劳动强度和提高工作效率的功能。而对螺旋机构的运动进行分析研究是一个不可或缺的环节，许多螺旋机构只有在实现其运动分析与仿真时才有其应用的价值。通过机构的运动分析与仿真，不仅能够更好地了解和掌握螺旋机构的基本的理论知识，而且能够提高机械机构设计的效率和质量。

关键词：螺旋机构;数学模型;运动分析;运动仿真

中图分类号：TD528                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）14-0019-02

0  引言

随着加工制造、工艺、材料冶炼及热处理等技术的进步和迅速发展，作为线性传动的首要部件之一的螺旋机构越来越受到国内、国际制造业的重视，其综合性能也有了很大的提高。螺旋机构的运动分析与仿真，其研究的目的在于针对所选的具体机构进行运动分析与仿真，比较针对性;提高机构运动分析与仿真的精度，效率，减轻不必要的工作量;把计算与绘图融为一体，操作简便，界面友好，人机互动性强;在实体校核实验之前及时发现问题，便于修改，节省成本与时间;为教学活动提供动画演示与运动分析曲线图更为方便、准确、快速。

1  研究过程

进行螺旋机构的运动分析与仿真的软件和方法各种各样，排除其它软件的分析，本文应用软件有SolidWorks、和MATLAB。基于SolidWorks的螺旋机构的运动研究，关键是确定机构的数学模型。

①选择合适的螺旋机构，该机构的实体模型如图1，其运动简图如图2所示。

图中螺栓为主动件，螺母A为左旋，螺母B为右旋，OM为R1，ON为R2，螺栓角速度ω，螺母A和螺母B的直径相同为ra和rb，所以螺栓A处和B处的速度、加速度相同，螺旋机构可以实现快慢进给运动。以螺栓A处与活动螺母的运动为例，则螺栓A处的速度va、角加速度a、加速度？琢、法向加速度？琢n、切向加速度：

z根据螺栓与螺母配合时，接触点的速度相等，求得活动螺母的角速度ω1为：

，即活动螺母上某一点的速度v1和加速度a1：

對该机构里的螺栓进行受力分析，受力分析图如图3。

已知对螺栓施加力为F，根据力的平衡可知，活动螺母的受力与它对螺栓力的大小相等，从而，可以得出螺栓所受扭转力的大小。其扭转力矩为，P=Fv，Me=9559P/n。

画出螺栓的扭矩图（如图4所示），可以初步推算出该机构的运动情况，即完成机构的数学模型。

②已知数学公式输入到软件MATLAB里，对机构数学模型的求解，得到零部件的速度图和加速度图。

假设？棕=sint，R1=2，在MATLAB中新建M文件，编写这个程序的主要代码如下：

t=[0：pi/10：4*pi];

r=[0：5：100];

hold on

subplot（2，2，1）

axis（[0 4*pi -1 1]）

plot（t，r*sin（t））

xlabel（'时间t'）;ylabel（'速度v'）;title（'速度图'）

legend（'v=r*sin（t）：点划线'）

subplot（2，2，2）

axis（[0 4*pi -1 1]）

plot（t，r*sin（t）/2）

xlabel（'时间t'）;ylabel（'速度v1'）;title（'速度图'）

legend（'v1=r*sin（t）/2：点划线'）

subplot（2，2，3）

a=r*（sqrt（f^2+w^4））

plot（r，a）

xlabel（'半径r'）;ylabel（'加速度a'）;title（'加速度图'）

legend（'a=r*（sqrt（f^2+w^4））：虚线'）

subplot（2，2，4）

a1=2*r*（sqrt（f^2+w^4））

plot（r，a1）

xlabel（'半径r'）;ylabel（'加速度a1'）;title（'加速度图'）

legend（'a1=2*r*（sqrt（f^2+w^4））：虚线'）

调试并优化该程序，可以得到螺母和螺母某一点的速度曲线和加速度曲线。（图4）

③机构的运动仿真。在SolidWorks的界面中建立“运动算例”，添加适当的马达，选择按钮“从头播放”可以实现机构的运动（即机构的运动仿真）。最后，返回到SolidWorks的界面，打开机构装配体的文件，在适当的配合情况下，拖动鼠标，实现机构的手动模拟仿真。

2  结语

随着科学技术的发展和完善，计算机软件辅助设计将会占据更大设计部分，缩短产品的研发、生产周期，减少成本，提高产品的竞争力。对螺旋机构的研究不仅实现了机构的可视化处理，还实现了人机交互性能。也实现了简单机构的二次开发。文章对SolidWorks二次开发具有一定的实际指导意义。在MATLAB与SolidWorks连接过程中，使用程序驱动参数建模程序很长、校正比较麻烦、不能灵活替换，因此程序方面仍然有许多值得改进的地方，在以后的学习工作中，还得多加学习这方面的知识，促使自己进步！

参考文献：

[1]陈海魁.机械基础[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2001：28-32.

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[4]甘勤涛.MATLAB2018数学计算与工程分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2019.

[5]朱金生，凌云主编.机械设计实用机构运动仿真图解[M].北京：电子工业出版社，2012.