1、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，实现尺寸驱动功能，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.
2、 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.图 1 系统的结构流程图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 SolidWorks。SolidWorks 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，可直接挂在 SolidWorks 的菜单下，形成统一的界面.一般而言，开发人员首先需要
3、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 的 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 编写的.在程序编好后，编译即可
4、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 SolidWorks2001 进行零件的三维造
5、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被打开，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的摆放在实验室
6、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行新的设计.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件 3
7、)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行虚拟装配，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
8、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 在虚拟装配之前在磁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.即可以在装配之前选好所要用的零件，也可在装配
9、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，则在两零件接触处添加平面贴合关系.对于机架和导轨等固定不动的构件通过右击 SolidWorks 特征管理树(Feature manager)中相应零件的实体名
10、，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着改变，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，则可以用拖动其中某个构件的方法，观察各个构件的运动情况，
11、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每一运动时刻，将各个构件根据约束摆放到空间的指定位置上.构件的初始位置在装配体装配好以后就确定了，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自由度所限制.给出不同的输入，外部分析程低碳马氏体在热作模具中的应
12、用 http:/ 模具钢开裂焊接工艺与 Cr13 模具钢磨损焊接工艺 http:/ http:/ 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
13、等效变换，不断对方案进行修改，然后装配，进行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，帮助使用者快速地修改方案引言 混凝土搅拌机是使混凝土配合料均匀拌和而制备混凝土的专用机械，是现代化建设施工中不可缺少的机械设备。为了适应不同混凝土搅拌要求，搅拌机有多种机型。按工作性质分，有周期式和连续式搅拌机;按搅拌原理分，有白落式和强制式搅拌机。本次设计的是生产率为 75m3/h 的双卧轴强制式搅拌机，它是由搅拌系统、传动装置、卸料机构等组戊 :搅拌系统
14、由圆槽形搅拌筒和搅拌轴组成，在两根搅拌轴上安装了几组结构相同的叶片，但其前后上下都错开一定的空间，使拌合料在两个搅拌筒内不断地得到搅拌，一方面将搅拌筒底部和中间的拌合料向上翻滚，另一方面又将拌合料沿轴线分别向前推压，从而使拌合料得到快速而均匀的搅拌。设置在两只搅拌间底部的卸料门由气缸操纵。卸料门的长度比搅拌筒长度短，80-90%的混凝土靠其自重卸出，其余部分则靠搅拌叶片强制向外排出，卸料迅速干净。 SolidWorks 软件可以十分方便地绘制复杂的三维实体模型、完成产品装配和生成工程图。它能以立体的、有光的、有色的生动画面表达大脑内产品的设计结果，较之于传统的二维设计图更符合人的思维习惯与视觉
15、习惯，有利于发挥人的创造性思维，有利丁新产品、新方案的设计，帮助机械设计设计人员更快、更准确、更有效率地将创新思想转变为市场产品。 为此，我们利用 SolidWorks 软件来完成双卧轴强制式搅拌机虚拟样机设计 1 双卧轴强制式搅拌机主要参数的确定2 双卧轴强制式搅拌机的主体样机设计 在搅拌机的结构设计中，最困难、最繁琐的工作就是运动机构的设计与运动轨迹校核。目前主要采用的轨迹图法或根据几何约束条件建立方程组来求解，但这种设计比较麻烦，且设计工作不直观，设计结果不尽人意，而利用三维设汁软件 Solidworks 则能较好地解决上述问题，首先建立零件的三维模型，再将其装配起来，并可进行有限元分析
16、计算，最后利用 COSMOSMotion 来模拟各零部件的运动情况。2.1 零件设计建模 利用拉伸、阵列、切除、扫描、镜像等特征，建立双卧轴强制式搅拌机主要零部件的三维参数化模型.包括搅拌臂、搅拌筒、各种衬板、8 种规格的搅拌叶片、刮板、搅拌装置等100 多个零件。因电机、减速器、连轴器等为选购件，在设计时没有建立这些零件的三维模型，仅建立双卧轴强制式搅拌机主机上零件模型。在建模过程中，充分利用参数化尺寸、方程式共享数值、配置、派生零件等参数化设计和设计重用技术，便于虚拟装配时发现零件结构不合适时对其进行修改。 2.2 虚拟装配 SolidWorks 软件提供了自上而下和自下而上两种设计方式，
17、因我们已完成了双卧轴强制式搅拌机主要零部件设计，所以采用自下而上方式.按照同袖、共面等几何约束关系先将侧衬板、侧搅拌叶片、搅拌叶片、搅拌装置轴装配体等小部件装配起来.然后将子装配体装配成筒体搅拌装置等较大的部件，最后将较大的子装配体组装成双卧轴强制式搅拌机的整机装配图。采用分级装配方法，既便于我们及时发现装配问题，又便于修改。 在设计过程中为便于方案论证和与领导、制造工程师及其他相关人员进行交流，我们使用了 Animaior 插件实现了搅拌机所有零部件的动态组装模拟，并制作了装配动画，提高了设计的可视化。 2.3 有限元分析计算 搅拌机在工作过程中，搅拌轴是主要的传动和工作部件，利用 Soli
18、dWorks 内嵌集成的COSMOSWorks 有限元分析软件对装配有搅拌臂和叶片的搅拌装置轴装配体进行有限元分析计算。首先将所建模型进行简化，忽略圆角倒角键槽等设计细节，通过标准数据接口，调人到 CosmosWorks 有限元分析模块，进行实体网格划分，添加轴一端“不可平移“ 约束、轴承载荷和叶片上分布压力，然后进行有限元分析计算，得到搅拌轴应力分布情况应变和变形状况，计算CAD 技术在建筑电气设计中的应用 建筑电气设计 CAD 特点 http:/ http:/ 装修房屋时如何考虑管 线 http:/ 2.4 搅拌运动模拟 搅拌机螺旋叶片绕水平轴旋转时使物料向上翻动，轴向力的作用将物料沿水平轴推向中问和另一端，物料的运动轨迹非常复杂在方案论证时，为形象地表达物料的运动情况，我们首先借助 COSMOSMotion 全功能运动仿真软件，制作了搅拌机空转工作的运行动画，再建立单个物料和搅拌叶片碰撞的数学方程，借助 Swift 3D 制作了单个物料在搅拌简运行状况，模拟出物料在整个搅拌筒中形成的封闭式环流，反映出物料的拌合、离析状态，为进一步借助控制方程模拟双卧轴搅拌机的物料运动轨迹打下基础。3 结束语 利用 SolidWorks 软件进行双卧轴搅拌机设计，可以形象生动地表达产品的设计结果，既帮助设计人员更快更准确地进行新产品设计，同时提高了设计的可视性和可靠性。
