本文介紹了SolidWorks虛擬機構(gòu)創(chuàng)新實踐系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容。

　　創(chuàng)新理論是由美國經(jīng)濟學家J. A. Scnumpter在《經(jīng)濟發(fā)展理論》一書中首次提出的，為科技與經(jīng)濟結(jié)合提供了比較系統(tǒng)的理論觀點、思路、途徑和方法。創(chuàng)新是人類和經(jīng)濟發(fā)展的源泉，也是培養(yǎng)人才和造就科技人才的重要途徑，國家"十一五"規(guī)劃，提出自主創(chuàng)新。在世界進入知識經(jīng)濟時代，創(chuàng)新更是一個國家國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基石。機械創(chuàng)新設(shè)計(Mechanical Create Degsin, MCD)是充分發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)造力，利用人類已有的相關(guān)科學技術(shù)成果(含理論、方法、技術(shù)、原理等)，進行創(chuàng)新構(gòu)思，設(shè)計出具有新穎性、創(chuàng)造性及實用性的機構(gòu)或機械產(chǎn)品(裝置)的一種實踐活動。創(chuàng)新是時代發(fā)展永恒的主題。隨著科技的高速發(fā)展，PC及3D設(shè)計軟件在產(chǎn)品生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，機械產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)已經(jīng)向3D以及虛擬化方向發(fā)展。目前，已經(jīng)有眾多的中高檔3D軟件被使用，如MDT,SolidWorks,SolidEdge,UG,Pro/E等。由于3D設(shè)計軟件一般都采用基于特征的參數(shù)化造型方法，在此，筆者選用SolidWorks作為三維建模的平臺，特別容易對三維虛擬實體零部件的結(jié)構(gòu)特征進行修改，以滿足可裝配性方面的要求，用它可以建立一系列的模型庫，用戶進行機構(gòu)拼裝的時候調(diào)用所需的模型，按照自行設(shè)計的方案對機構(gòu)進行組裝和仿真。

　　在本文中虛擬實踐系統(tǒng)研究的內(nèi)容為:

　　1)以連桿機構(gòu)為研究對象，在SolidWorks中虛擬出各種常用連桿機構(gòu)的三維模型，存放在模型庫中;

　　2)研究常用連桿機構(gòu)構(gòu)成方案，并建立其運動和動力學數(shù)學模型，能夠進行可視化分析;

　　3)模型庫中零件的參數(shù)可以根據(jù)需要進行參數(shù)化修改，利用SolidWorks里現(xiàn)有的尺寸驅(qū)動功能方便地進行模型重建;

　　4)所建立的機構(gòu)可以用COSMOSMotion插件進行模擬仿真，能夠?qū)C構(gòu)在運動中發(fā)生的干涉進行檢查，然后反復修改相應(yīng)的參數(shù)最終達到消除干涉的目的。

　　1開發(fā)工具的選擇及系統(tǒng)開發(fā)總體結(jié)構(gòu)

　　虛擬創(chuàng)新實踐系統(tǒng)選用SolidWork。軟件作為三維造型的軟件平臺。Solidworks擁有豐富的應(yīng)用編程接口(Application Programming Interlace, API) ,是一個基于OLE Automation的編程接口，包含了數(shù)以百計的功能函數(shù)，可以方便地被高級編程語言調(diào)用，內(nèi)嵌VBA二次開發(fā)環(huán)境，可以開發(fā)我們所需要的應(yīng)用軟件。任何支持OLE和COM的編程環(huán)境都可以作為SolidWork，的開發(fā)工具。SolidWorks二次開發(fā)分為兩種，一種是基于自動化技術(shù)的，另一種是基于COM的。COM技術(shù)可以使用最多的SolidWorks API，并且可以控制SolidWorks的運行方式，生成*. DLL格式的文件，也就是SolidWorks的插件。根據(jù)SolidWorks的特點，按照虛擬實踐的任務(wù)設(shè)計了系統(tǒng)運行的流程圖，如圖1所示。

　　2創(chuàng)新機構(gòu)知識庫的建立

　　知識庫通常由一條條的經(jīng)驗法則構(gòu)成，我們將機構(gòu)創(chuàng)新的方法進行歸納成幾個大類，用圖2表示。

　　知識庫建立以后，用戶利用知識庫中的創(chuàng)新原理來為機構(gòu)制定組成方案，根據(jù)每種機構(gòu)的特性來選擇基本的機構(gòu)，使幾種簡單的機構(gòu)拼裝在一起后成為所需要的機器。

　　3模型庫的建立

　　建立模型庫是指給定非標準件基本參數(shù)，自動生成三維模型。例如在建立圓柱齒輪的三維模型時，只需要輸人齒數(shù)、模數(shù)、螺旋角等幾個參數(shù)后，就能在solidWorks中自動生成用戶所需的三維模型。對于標準件可以把它的規(guī)格、型號放在一個數(shù)據(jù)庫中，直接創(chuàng)建標準件數(shù)據(jù)庫，注意數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的單位應(yīng)該和計算過程中數(shù)據(jù)單位保持一致，避免邏輯錯誤，利用數(shù)據(jù)庫當中存儲的數(shù)據(jù)可直接建立三維模型。用ADO實現(xiàn)VC和數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)讀寫，ADO中的編程模型一般由一個動作序列組成，步驟為:①接到一個數(shù)據(jù)源;②確定對該數(shù)據(jù)源的一個查詢;③執(zhí)行該查詢;④把查詢數(shù)據(jù)檢索到一個能夠在C++代碼中很容易訪問的對象中;⑤如果需要，則更新該數(shù)據(jù)源，以反映對該數(shù)據(jù)的編輯;⑥提供檢測錯誤的一般方法。

　　對于連桿類等具有一系列尺寸的零件，只需要改變長短，無需改動其他尺寸。對于這類零件采用系列零件設(shè)計表技術(shù)，它是SolidWorks和Excel軟件無縫集成的表現(xiàn)，先生成一個連桿，然后調(diào)用SolidWorks中的零件設(shè)計表模塊，把變動的系列尺寸直接輸入到Excel中保存起來，與此同時，在SolidWorks的環(huán)境管理器中生成與之對應(yīng)的模型，當需要某長度的模型時，只需雙擊它重建模型即可馬上生成。這樣可以方便用戶隨時調(diào)用不同尺寸的桿件進行機構(gòu)拼裝用戶在拼裝機構(gòu)的過程中如果沒有需要的連桿或其他零件，那么可利用SolidWorks軟件新建一個模型后把它放人到模型庫中即可，因而不會受到實物的限制，靈活度非常高。

　　4機構(gòu)方案的擬定及其評價方法

　　在擬定方案的時候，運用知識庫中存儲的信息對初始機構(gòu)進行創(chuàng)新方案分析，如果以前有類似的方案，則用戶可以繼續(xù)使用，還可在此基礎(chǔ)上進行改進創(chuàng)新，這樣可以提高效率。對于以前沒有的方案，首先可以從機構(gòu)的功能目標人手，按其工作原理擬訂方案，其次對機構(gòu)進行選型組合。例如，可以完成勻速轉(zhuǎn)動的機構(gòu)有:連桿機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、行星輪系等;用于非勻速轉(zhuǎn)動的機構(gòu)有:連桿機構(gòu)、非圓齒輪機構(gòu)、撓性件傳動機構(gòu);往復移動的機構(gòu)有:連桿機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、楔塊機構(gòu)、螺旋機構(gòu)等。一般情況下，可以找到相應(yīng)的機構(gòu)來滿足用戶需要的運動。在確定基本機構(gòu)后，要對基本機構(gòu)進行組合，機構(gòu)的組合是指在機構(gòu)選型的基礎(chǔ)上，根據(jù)功能目標或工藝動作的各種需要，組合創(chuàng)新機構(gòu)系統(tǒng)。對于已經(jīng)給出的方案有以下5方面評價內(nèi)容:功能性、經(jīng)濟性、安全性、可操作性、舒適性。其評價方法是:采用各種功能指標量化法，即把參評的各項功能指標分別乘以加權(quán)系數(shù)制定出評價函數(shù):先列出每一項評價指標并把它進行量化，然后根據(jù)每項指標的重要程度分別賦予不同的加權(quán)系數(shù):

　　在具體實施方案時，用戶畫出機構(gòu)簡圖，從模型庫中調(diào)人所需的模型進行虛擬裝配，讓系統(tǒng)按標準對機構(gòu)方案進行分析驗證，檢查其是否達到滿意的程度，如果滿意則可以進行實際裝配，否則，重新選擇或者改進方案，重新虛擬裝配直到得出滿意的運動方案為止。

　　5虛擬裝配與構(gòu)件之間的干涉檢測

　　用戶根據(jù)已經(jīng)選定的機構(gòu)運動方案確定需要用到的各種虛擬零件，將他們共同保存在磁盤的某一個文件夾中，打開SolidWorks軟件，新建一裝配體文件，將選好的零件依次插人到裝配體文件中，在零件之間添加相應(yīng)的裝配配合關(guān)系即可。例如:零件之間是通過鉸接裝配，則可添加轉(zhuǎn)動副;如果是平面接觸，則添加移動副。各構(gòu)件之間的裝配關(guān)系及其運動副關(guān)系定義如下:若是轉(zhuǎn)動副，則在兩零件連接處添加端面貼合和同軸心關(guān)系;若是移動副，則在兩零件接觸處添加平面貼合關(guān)系。機架和導軌等固定不動的構(gòu)件通過右擊SolidWorks特征管理樹(Feature manager)中相應(yīng)零件的實體名，在彈出的菜單內(nèi)選擇"固定"來實現(xiàn)。由于SolidWorks是基于Windows開發(fā)出來的，并且它含有尺寸驅(qū)動功能，用戶利用這個功能可以對已經(jīng)建好的裝配模型隨時修改。當它修改某一個尺寸時，其他的一些關(guān)聯(lián)尺寸也會隨之發(fā)生相應(yīng)的改變，而不必拆卸零件重新裝配，這在實物裝配中是不能實現(xiàn)的。完成虛擬裝配后進行干涉檢查，例如，檢查一個平面連桿機構(gòu)在同一平面的兩個轉(zhuǎn)動副之間是否發(fā)生位置千涉，直觀檢查干涉情況的方法是拖動其中某個構(gòu)件觀察各構(gòu)件在運動中是否發(fā)生位置重疊或者桿件之間是否發(fā)生碰撞，如果發(fā)生這種情況，則需要調(diào)整機構(gòu)中的某些參數(shù)使之避免干涉。

　　6機構(gòu)的運動與動力仿真

　　機構(gòu)的運動仿真是指在每一運動時刻，各個構(gòu)件在空間中的位置用計算機實時顯示出來。其方法有兩種:①圖解法，把每一個時刻機構(gòu)的狀態(tài)繪制出來，通過它來確定機構(gòu)某點在此刻的位置，這種方法的精度不高;②解析法，它是根據(jù)機構(gòu)的幾何關(guān)系利用封閉矢量的方法計算出點的位置。因而，運用解析法和計算機相結(jié)合就可以計算出桿上某一點不同時刻的不同位置。由于各個構(gòu)件在原裝配關(guān)系中有各種約束關(guān)系，機構(gòu)本身特性也就確定了，而機構(gòu)固定不動的零件放在空間的任何位置不會改變機構(gòu)上某點運動軌跡的形狀。完成運動分析之后，為了判斷所設(shè)計機構(gòu)特性的優(yōu)劣，需要對機構(gòu)的動力特性加以分析，提取感興趣點進行位置、速度和加速度分析以便作出機構(gòu)特性優(yōu)劣的最后評判。如圖3所示曲線①是E點的運動軌跡，帶箭頭的直線②為E點瞬時速度方向，帶箭頭的直線③為E點瞬時加速度方向。圖4一圖7分別是E點X向速度、加速度和Y向速度、加速度圖。

　　7結(jié)論

　　虛擬機構(gòu)創(chuàng)新實踐系統(tǒng)可以幫助用戶快速地完成設(shè)計任務(wù)，通過可視化的運動和動力學分析，在線對機構(gòu)方案進行修改，從而整理出最優(yōu)的方案。因此，本系統(tǒng)可以培養(yǎng)用戶對機構(gòu)運動方案的整體認識，培養(yǎng)用戶的創(chuàng)新意識、綜合設(shè)計及工程實踐動手能力。用戶在機構(gòu)拼裝的過程中熟悉機構(gòu)及機械設(shè)計中出現(xiàn)的典型問題，通過分析，解決問題，可以把運動方案中的一些基本知識點融會貫通，對機構(gòu)系統(tǒng)的運動特性有一個更加深人的理解。