SolidWorks平台下的机构运动方案设计虚拟实验系统

1、sol idworks平台下的机构运动方案设计虚拟实验系统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，实现尺寸駆动功能，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

2、会品艮着发生改变，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.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 solidworksosol idworks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， 可克接挂在solidworks的菜单下，形成统一

3、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 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

4、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solidworks

5、2001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披打开，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

6、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彳亍新的设计.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

7、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彳亍组合，傅到多种可育皂的设计方案.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，然后利用虚扌以实验系统进行虚扌以装配，绐出初始输入条件，让 系统进行分析计算，学生根据分析计算结果对设计

8、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 对机构进行构型演彳匕，再装酉己，再分析，直至得出满意方案.3. 3虚拟装配在虚拟装酉己之前在石玆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.

9、即可以在装酉己之前选好所要用的零件，也可在装酉己时 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,定不动的贝!j在两零件接触处添加平面贝占合关系.对于机架和导轨等构件通过右击sol i dworks特征管

10、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若改变，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

11、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毎一运动时刻，将各个构件根据 约束摆放到空间供旨定位置上.构件的初始位置在装酉己体装酉己好以后 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

12、 自由度所限制给出不同的输入，夕卜 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

13、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，帮助使用者央速地丁参改方案。说明：本信息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

14、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，实现尺寸駆 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.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 solidworksosolidworks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

15、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 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。sol idworks 的 api (application programming in terface 应用 编程接口)提供了两种接口方式：有ole automat io n的idispatch和 作为 windows 基础的 com (component object mode

16、l). 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+60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

17、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，笔奢选用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

18、具下选择 featurepalette,随后便有一个j、窗口被扌丁开，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 握的专业知识牙口经验进

19、彳亍新的设计.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

20、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彳亍虚拟装配,，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虚拟装配在虚扌以装配之前在石玆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，

21、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毓可以了 . 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

22、：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,定不动的则在两零件接触处添加平面贴合关系.对于机架和导轨等构件通过右击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品艮着改变，而不需要拆卸后重新装酉己.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