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1、基于 SolidWorks 的六自由度液压平台运动仿真0 前言虚拟样机技术是建造物理样机前对设计对象在计算机上建立的虚拟模型机，利用其完成设计对象功能的可行性及其工作性能的分析，更好地理解系统的运动特性、动力特性，比较设计方案，优化设计，提高产品质量和机械设计效率等。仿真模型的建立和模拟现实条件是虚拟样机的重要基础。笔者设计的六自由度液压平台因其自由度较多，正过程的运动仿真比较困难，进行运动逆过程的仿真，即给定末部执行器的运动轨迹或运动参数，来研究各驱动液压缸的运动参数和特性，包括平台的建模、仿真运动过程、极限位置、最大运动量、干涉等。1 液压平台的基本结构设计液压六自由度运动平台本体结构包括
2、上、下平台，变长杆系统，链接上、下平台和变长杆的铰接元件，力传感元件，位移传感元件等，如图 1 所示。下平台为固定平台，上平台是可动平台，采用 6 根变长杆机构驱动。6 根变长支杆采用铰接在上、下平台之间的液压缸进行运动驱动。从模仿人肌肉的角度出发，为体现机构、检测一体化的思想，将力传感器分别集成在液压平台的 2 个平台间的 6 个液压缸的缸杆上，用 6 个一维拉、压传感器检测 1 个六维力。位移检测元件位移传感器选用 FX.11 型直流差动变压器式位移传感器。它把振荡器、相敏解调器与差动变压器封装在一起，只需提供稳定的直流电源，就能获得与位移量成线性关系的直流电压输出。铰接元件，采用万向节铰
3、接设计。这样，在支路上，上、下万向节各有 2 个转动的自由度，液压缸伸缩有 1 个移动自由度，缺少的 1 个转动自由度由液压缸和液压活塞杆的相对转动实现。按照上面的设计原则，采用的结构尺寸：上、下铰接元件的分布圆半径分别为上平台半径ra=300mm，下平台半径 rb=600mm，液压缸行程为 60mm，上、下平台的初始位置高度为 h=1.5ra的负二次方，上、下铰接点之间的距离和上平台端铰接元件的分布圆之间的关系满足：l*l=45r*r 另外，为了保证铰接元件运动副运动空间的充分利用，采用支座设计使铰接元件在液压缸的中间工作位置时处在原始状态(即铰接元件的轴线重合状态)。2 虚拟样机的建立与仿
4、真SW 是美国 SolidWorks 公司生产的完全基于 NTWindows 平台的集三维机械设计(CAD)、机构运动仿真分析和结构有限元分析(CAE)、计算机辅助制造(CAM)、大型企业管理(PDM)等各种功能为一体的软件。利用 SW 对六自由度液压平台进行建模和运动分析，必须以三维实体为基础，合理选择运动副和定义连杆的运动驱动，从而实现六自由度液压平台的正确运动仿真。同其它方法相比，该方法可以很容易解决看起来很复杂的机构系统仿真问题。依托 SW 强大的运动分析功能，能精确地对研究对象进行空间运动位置及运动参数的计算，并可以得出漂亮的虚拟现实的动画演示，能够很好地解决复杂机构的运动规律问题。
5、通过建立虚拟仿真环境进行仿真试验研究，可以降低实验成本，提高实验效率。并且能够对运动状态进行仿真，检查机构设计的合理性等，对实际样机的设计具有重要的参考和指导价值。21 零件建模机构设计是和造型设计合为一体的，所以必须在零件模式下绘出零件的立体模型。SolidWorks 是非常有效的三维设计软件，利用软件进行实体建模十分方便。根据部件的形状和尺寸，在 SolidWorks 软件的零件模块中利用拉伸、旋转、扫描等特征创建方式建立各个零件的模型。在建模过程中，一定要充分利用各零部件之间的位置关系和连接关系，选择合适的草绘平面、参照平面及特征的生成方式，即通过合理地设定各零件之间的父子关系，以尽量减
6、少部件上的定位尺寸，提高设计效率。这里不做具体分析，主要零部件的建模结构如图 3 所示。利用 SW 软件的零件建模模块(Parts)生成六自由度液压平台各零件的三维模型，其中平台的基座、上平台与液压缸联接用万向节的联接座，设计比较复杂和困难，因其接触配合面为一空间面，与坐标平面无任何位置关系，又要保证下动板处于中间位置时，液压缸和两侧的万向节的 4 个叉形接头轴线重合，并要保证与基座相接的万向节回转中心分布在直径 600mm 的圆上，与下动板相接的万向节回转中心分布在直径 300mm 的圆上，万向节两两成对，共 3 对，每对回转中间距 80mm，圆周分布(参考图 1 和图 6)。所以要经过精确
7、空间位置计算，利用构建辅助线、辅助面、拉伸等方法完成建模。22 装配设计六自由度液压平台的装配设计较为复杂，包含万向节的装配、液压缸的装配、力传感器的装配、位移传感器的装配等，因零件较多，为方便装配，采用自底而上的装配方法。在具体操作中，应该根据机构的运动特点选择合适的连接形式，并对运动元件进行适当的约束。正确地选择并使用约束类型和连接形式，对能否成功地实现机构的虚拟装配与运动仿真至关重要。本设计为了便于运动分析，按照运动特点进行部件装配，即按照部件的运动关系进行分组，如液压缸体和位移传感器装配为一体，而力传感器和液压缸的活塞杆、位移传感器的拉杆装配为一体，万向节和锁紧螺母装配为一体等。2.
8、3 运动分析运动仿真是在成功建立了其装配模型的基础上，通过定义静止部件、运动部件，并为在各起始运动件上定义驱动电机、选择连接轴和运动方向、设定运动初始条件或参数等一系列操作来实现。打开设计树右侧的齿轮标文件夹即为运动分析模块(Cosmos Motion )，它内置于 SW，使用ADAMS/SOLVER 求解器，能对机构进行静力学和运动学分析，包括运动极限位置分析、千涉分析、轨迹跟踪、测量、图表、动画生成，以及为 ADAMS 及其它大型分析软件输出三维设计文件等。装配体直接应用于分析模块，分析模块会根据零件间的装配关系而赋予零件间以恰当的运动副，表征运动关系。如液压缸连接的螺纹，根据装配关系会转
9、化成转动副，实际机构中是不运动的，即转化的运动副多数不符合要求，因而仿真前不必改变装配关系，直接在分析模块中将转化的运动副去掉，再根据需要重新定义。(1)运动副的定义装配体设计中系统自动将最先导入的构件作为固定构件(先导人的基座为机架)，其后导人的构件均为可动构件，也可以手动进行修改，运动分析模块遵循这样的原则。这样根据需要将各零件间赋予不同的运动副，如缸体螺纹连接处及螺纹固定处赋予固定副( Fixed)，万向节叉形接头与基座、下动板支座、缸体、力传感器间的连接为转动副(Revolute ) ,活塞杆与缸体、位移传感器测杆与主体间为圆柱副(Cy-lindrical)等定义整个平台。(2)运动驱
10、动的定义仿真模块提供了位移运动和旋转运动两种运动方式，每种方式提供无驱动、位移(角度)驱动、速度(角速度)驱动、加速度(角加速度)驱动等运动类型，根据不同的运动类型，可定义为连续、步进函数、谐波函数、齿条和表达式等方式。而六自由度液压平台的运动包括滚动、仰俯、转动和 3 个平移运动，可根据运动形式的不同给出不同的驱动方式。(3)运动分析 为保持上动板与基座平行的前提下，分别定义 1#和 2#液压缸或 2#和 3#液压缸的运动为移动25mm(因初始位置为中间位置，液压缸行程为 50mm )，共分四种情况仿真，得出其最大位移量，并绘制曲线。如图 7-9 所示，分别是以中间位置为基础的最大翻转角度、
11、最大平移距离和最大转动角度仿真结果曲线。 3 结束语机电液一体化仿真方法在仿真研究工作中必将成为备受关注的研究方向。通过以上实例，可以看出 SolidWorks 软件具有方便易用的特点。运用软件进行实体建模和运动学仿真，能够使设计人员直观看到机构的运动过程，及时发现和改正设计中的干涉等问题，交互地进行结构参数的调整和改进。实践表明 SolidWorks 软件的虚拟设计和动态仿真技术在并联机构虚拟样机设计中具有良好的应用前景。应用软件可以把并联机构建模仿真、运动学计算、动力学计算、参数化设计等几个方面的工作有机地结合起来，充分体现了虚拟样机技术的先进思想，从而大大提高了工作效率，降低了开发成本，为并联机构的一次性研制成功提供了可靠保证，为应用虚拟样机技术进行并联机构的设计提供了一条新的思路。
