随着计算机辅助设计技术的飞速发展与功能的不断完善，工程技术人员的设计方法和手段越来越丰富。尤其是三维CAD/CAM软件的广泛应用与普及，使得现代机械产品设计逐步进入三维设计时代。三维设计具有形象、直观、精确、快速的特点，在新产品开发的方案设计、结构分析、产品性能的评估、确定和优化物理样机参数过程中能够起到决定性作用，并为新产品研发一次成功，提供了强有力的技术支持。
Solidworks/Motion是基于Windows环境的参数化三维实体造型软件。为广大工程技术人员提供了在单一的Windows界面上无缝集成实体造型、有限元分析和优化设计、虚拟装配、三维机构运动仿真、运动干涉检查、工艺规程生成、数控加工、三维实体图转化二维工程图、产品数据共享与集成等多种多样的功能。
本文以某型号的三轴模拟摇摆复现机械装置为例，介绍应用SolidWorks/Motion软件进行三轴模拟摇摆复现机械装置在三维实体造型、装配、三维机构运动仿真及运动部件干涉检查的过程和方法。
该三轴模拟摇摆复现机械装置主要由内环、中环、外环和机座组成，如图1所示。
一、三维实体造型设计
三轴模拟摇摆复现装置的测量系统精度相对较高，因此在进行三轴模拟摇摆复现装置的机械台体结构设计时，要确保机械台体结构的刚度能够满足测量系统精度要求，同时还要进行结构的优化，在满足刚度和强度的前提下，使机械台体的重量尽量轻，各转动部件的转动惯量尽量小。从系统的驱动功率、运动平稳性及控制性等方面来考虑，机械台体的重心位置越接近转动轴线越好。但从安全角度考虑，各转动部件重心位置应控制在回转轴下方一定范围内。
根据设计任务书安装台面尺寸和承载要求等技术参数和指标，结合以往的设计经验，先初步确定机械台体的结构尺寸、断面尺寸、板材厚度，初步进行三维造型设计，完成零部件设计并按相应的关联约束进行装配。
首先确定各转动部件重心位置。若重心位置不合适，可采用在下部添加配重块或改变结构尺寸的方式满足重心位置的要求。对各部件进行有限元计算，检验各部件的应力和应变是否满足测量系统精度要求。若不能满足要求，则对相应部件的结构进行修改直至满足要求。
图1 三轴模拟摇摆复现机械装置示意图
二、机构运动仿真分析及干涉检查
1.机构运动仿真分析
机构运动仿真的模型应采用自底向上的装配方法，建立一个三轴摇摆复线机械装置装配体。首先插入已完成的机座，使机座部件的三个定义平面与装配体的三个定义平面相重合，这样就可以将机座部件完全约束固定。然后再逐次将外环、中环、内环按相对应的装配关系进行约束。如图1所示，外环与机座约束两个自由度，外环可以绕Y轴摆动；中环与外环同样约束两个自由度，中环绕X轴可以摆动；内环与中环也约束两个自由度，内环绕Z轴可以摆动。
对已经做好的装配体模型，即可用Solidworks/Motion进行运动仿真，根据任务书给定的相关条件和参数，可以模拟产品的不同运动状态，检验产品的运动性能及产品的设计计算结果正确性。
图2 按钮标识
图3 设置窗口
如图2所示，用鼠标将箭头所指按钮1点下，即可出现如图3所示的左边窗口。确认Revolute是否对应Y轴（艏摇轴），Revolute2是否对应X轴（横摇轴），Revolute3是否对应Z轴（纵摇轴）。用鼠标选取“Revolute”按钮，然后点击右键，选择“Properties”出现如图3所示的右边窗口，在该窗口中可以添加各摇摆轴的摇摆方式（displacement）、摇摆数学模型（Harmonic）、幅值、周期、角速度和角加速度参数等。在Motion的下拉菜单中选取“Intellimotion Builder”按钮，出现如图4所示的窗口，在此窗口中可以添加运行的时间和计算的点数，一般取2～3个周期，500～1000个计算点即可。所加参数添加完成后，用鼠标点击图2中箭头所指快捷按钮2（然后点击图4中的“simulate”按钮），然后即可进行摇摆模拟运动。
图4 仿真设置窗口
待运行结束后，用鼠标选取“Revolute”按钮，点击右键，选择“Plot”就会出现如图5所示的窗口，点击其中的“Rotary Motion Generator”按钮，选取所对应的各转动轴的驱动力矩。以图1中的坐标系为参照，Y轴为艏摇轴，X轴为横摇轴，Z轴为纵摇轴。从而得到外环（Y轴）、中环（X轴）以及内环（Z轴）的驱动力矩图。如图6所示。
图5 选取各转动轴的驱动力矩
图6 各转动轴的驱动力矩图
此外，还可将运动仿真的效果直接输出为影视文件。在Motion的下拉菜单中选取“Export Results”按钮后，点击“To AVI Movie”按钮,即可将运动仿真的影视文件存储在指定的目录。
二、运动部件的干涉检查
在这里需要多说一句，设计人员应该对装配体的运动部件进行运动干涉检查，查看限位运动的干涉情况，并查看装配情况和零部件模型的精确程度，以便及早发现产品结构空间布置的干涉和运动机构的碰撞等问题。
在Motion的下拉菜单中选取“Intellimotion builder”按钮后，点击“Interferences”按钮（如图4所示）,然后再点击“Check Interferences”按钮,即可进行运动干涉检查，若有运动干涉的部件就会在如图7所示的窗口中显示，然后即可在相应的部位进行修改。若出现干涉，可察看到具体干涉位置，相应部位进行修改设计。
图7 运动干涉提示
三、二维工程图的转化
当完成零部件建模、装配体装配、有限元分析、运动仿真和干涉检查之后，即可转入工程图绘制，通过模型快速准确生成所需的二维工程视图。由于模型和图纸尺寸相关联，并能自动生成尺寸标注，减少了设计中的人为差错和工作量，设计人员主要工作是对尺寸标注、形位公差进行修改，编制必要的技术要求等，以满足我国机械制图标准和企业标准的要求。
四、小结
本文所述的设计的产品现已交付使用，通过对产品进行加载运行试验，从实际测量和标定结果看，产品的各项性能指标均达到或超过了任务书的要求。说明应用Solidworks/Motion软件构建的三轴模拟摇摆复现机械装置，在三维实体造型、装配、三维机构运动仿真、运动部件干涉检查的过程方法和一些技巧是成功的。
在新产品研制、开发和设计过程中，尤其是对摇摆复线装置这类非标设备，需要对结构件的应力、应变进行计算分析，计算和结构设计工作非常大和繁琐，应用Solidworks/Motion软件进行产品的仿真设计，大大提高了设计效率，避免了设计过程中大量更改，保证了设计质量。合理地运用手中的软件，不仅能够缩短新产品的开发周期，还能大大降低设计成本，减低新产品开发的风险，提高企业的市场竞争力。
