隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真已成為現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)重要的科研手段，它在可行性論證、工程設(shè)計(jì)和尋求最佳方案等方面發(fā)揮著重要作用，因而為機(jī)構(gòu)仿真提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)來(lái)源的運(yùn)動(dòng)分析也顯得尤為重要。目前，國(guó)外機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方面的軟件在人機(jī)交互、圖形圖像處理和可視化方面做的比較好，但在運(yùn)動(dòng)分析時(shí)一般采用非線性方程組迭代求解，速度慢，特別是對(duì)于比較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)就更慢，有時(shí)甚至不能收斂;國(guó)內(nèi)這方面的軟件在運(yùn)動(dòng)分析及受力分析方法方面已達(dá)到世界先進(jìn)水平，但大多是用二維符號(hào)表示傳動(dòng)類型和機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型，一般也僅著眼于數(shù)值計(jì)算，缺乏與三維CAD技術(shù)的緊密結(jié)合，不適合一般工程技術(shù)人員使用。

　　所以說(shuō)以強(qiáng)大的三維實(shí)體造型軟件為支撐軟件結(jié)合國(guó)內(nèi)先進(jìn)的分析方法，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化實(shí)體運(yùn)動(dòng)分析和仿真系統(tǒng)是十分有意義的。文中采用的軟件平臺(tái)是SolidWorks，分析理論采用型轉(zhuǎn)化理論和廣義型轉(zhuǎn)化理論。

　　1連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)具備對(duì)由轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副等連接而成的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維參數(shù)化實(shí)體建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及動(dòng)態(tài)仿真的功能(見(jiàn)圖1)

　　為了實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的快速建模和避免重復(fù)性工作，建立了一些常用構(gòu)件的三維參數(shù)化模板庫(kù).用戶可以在特征模板中查詢和調(diào)用各種構(gòu)件模型(如圖2).構(gòu)件建模時(shí)應(yīng)充分利用SolidWorks提供的16種幾何約束關(guān)系，以得到各種特征之間的幾何約束關(guān)系.

　　SolidWorks中的配合是基于特征的，而機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件是通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接的，因此，裝配時(shí)構(gòu)件之間的配合特征要體現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)副的類塑特性.圖3說(shuō)明了轉(zhuǎn)動(dòng)副的定義過(guò)程.

　　1. 2裝配信息的提取與轉(zhuǎn)化

　　在SolidWorks環(huán)境中裝配好的機(jī)構(gòu)并不能直接用于機(jī)構(gòu)分析，必須提取出裝配體的配合特征信息，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)構(gòu)分解與分析所需要的拓?fù)湫畔⒑徒Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù).

　　通過(guò)遍歷所有配合特征，得到配合特征的名稱和兩個(gè)配合構(gòu)件的名稱.裝配信息向拓?fù)湫畔⒌霓D(zhuǎn)化是以構(gòu)件的名稱為索引通過(guò)遍歷裝配特征信息鏈表實(shí)現(xiàn)的.首先通過(guò)SolidWorks API提供的方法遍歷裝配體，得到固定構(gòu)件(即機(jī)架)名稱.然后以機(jī)架名稱為索引遍歷鏈表，找到與機(jī)架相連的構(gòu)件名稱"Partl<1>"，并為其編號(hào);再次以"Partl <1>"為索引遍歷鏈表，…，依次類推，所有構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副被按序編號(hào)，從而得到機(jī)構(gòu)的拓?fù)湫畔?

　　1. 3結(jié)構(gòu)分解及型轉(zhuǎn)化單元的分析模型

　　識(shí)別出結(jié)構(gòu)分解所需要的信息后，結(jié)構(gòu)分解路線的優(yōu)選原則將機(jī)構(gòu)分解為機(jī)架、主動(dòng)件和有序單元組(虛擬單構(gòu)件、雙桿組、約束單構(gòu)件).型轉(zhuǎn)化單元共有37種，其數(shù)學(xué)模型可以歸納為26種.因此，構(gòu)造一個(gè)單元基類CUnit來(lái)定義型轉(zhuǎn)化單元運(yùn)動(dòng)分析的共同屬性和方法，再?gòu)膯卧愔信缮龈鞣N單元類對(duì)象.通過(guò)基類中虛函數(shù)的定義，引人多態(tài)機(jī)制，便于程序擴(kuò)充.

　　1.3運(yùn)動(dòng)分析與仿真的實(shí)現(xiàn)

　　機(jī)構(gòu)分解完成后，通過(guò)調(diào)用主動(dòng)件及各型轉(zhuǎn)化單元的運(yùn)動(dòng)分析子程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析.首先調(diào)用Component:: GetXform來(lái)得到該構(gòu)件的初始位置的位姿矩陣，當(dāng)主動(dòng)件位置發(fā)生變化的時(shí)候，順序調(diào)用各型轉(zhuǎn)化單元的運(yùn)動(dòng)分析子程序，得到該位置的分析結(jié)果，然后調(diào)用Component::SetXform重新設(shè)置構(gòu)件的位姿矩陣，這樣的話，運(yùn)動(dòng)分析的結(jié)果就直接為仿真服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真

　　2算例

　　以下面六桿機(jī)構(gòu)為例說(shuō)明機(jī)構(gòu)的分解和分析仿真(機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型和機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖分別見(jiàn)圖5和圖6).

圖5 三維實(shí)體模型及仿真

　　選取的計(jì)算參數(shù):主動(dòng)件AB轉(zhuǎn)動(dòng)步長(zhǎng)為10°

　　桿組分解結(jié)果:型轉(zhuǎn)化數(shù)為1;虛擬單構(gòu)件為BC桿，約束單構(gòu)件為EG桿，其余兩桿為雙桿組.

　　經(jīng)程序計(jì)算，得到各桿的仿真曲線如圖7所示

　　3結(jié)論

　　文中研究了在SolidWorks平臺(tái)上開(kāi)發(fā)面向?qū)ο蟮倪B桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化實(shí)體運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)的方法.結(jié)合國(guó)內(nèi)先進(jìn)的機(jī)構(gòu)分析理論和SolidWorks強(qiáng)大的造型功能及其提供的API對(duì)象，開(kāi)發(fā)出了一套三維實(shí)體化的通用連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和仿真系統(tǒng).

　　所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)的特點(diǎn).

　　1)完全基于三維實(shí)體的分析.運(yùn)動(dòng)分析中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)模擬、曲線圖、數(shù)據(jù)表等形式表現(xiàn)出來(lái)，增強(qiáng)了連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的直觀性，并為連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了全面準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù).

　　2)由于參數(shù)化構(gòu)件模板庫(kù)的建立，大大簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)實(shí)體建模的過(guò)程;而裝配特征隱含了運(yùn)動(dòng)副的信息.省略了交互定義運(yùn)動(dòng)副的過(guò)程.

　　3)采用型轉(zhuǎn)化及廣義型轉(zhuǎn)化的理論，將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方程的維數(shù)降至最低，提高了求解的速度;模型構(gòu)造與求解算法穩(wěn)定可靠，不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰現(xiàn)象.

　　4)具有良好的用戶界面和適時(shí)的交互能力，程序的自動(dòng)識(shí)別能力強(qiáng)，用戶交互信息少，操作方便，對(duì)用戶的專業(yè)要求很低

　　5)程序的通用性好，不受機(jī)構(gòu)復(fù)雜性和自由度的限制.