撰文/達(dá)索析統(tǒng)（上海）信息技術(shù)有限公司 彭軍

SOLIDWORKS Simulation機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真在驅(qū)動馬達(dá)選型中的應(yīng)用

撰文/達(dá)索析統(tǒng)（上海）信息技術(shù)有限公司 彭軍

自動化裝備通常會采用馬達(dá)（電機(jī)）驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動，進(jìn)行輸送、裝配和包裝等操作動作例如生產(chǎn)線。馬達(dá)選型通常需要考慮多個因素，其中扭矩特性是一個重要指標(biāo)。本文闡述了如何在SOLIDWORKS中進(jìn)行多步驟機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析，同時獲取多個馬達(dá)力矩的產(chǎn)品仿真和設(shè)計思路。

一、引言

自動化設(shè)備大量采用各種馬達(dá)（電機(jī)）進(jìn)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動，如何確定驅(qū)動力矩進(jìn)而選擇性能合適且價格經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動馬達(dá)是一個關(guān)鍵問題。相對于粗糙的經(jīng)驗(yàn)估計和手工計算，機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真軟件可以精確計算驅(qū)動力矩，進(jìn)而與馬達(dá)扭矩匹配，選擇型號最合適的驅(qū)動馬達(dá)。本文針對一款工業(yè)自動化包裝設(shè)備，使用SOLIDWORKS Motion的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真來計算馬達(dá)力矩，將計算結(jié)果作為驅(qū)動馬達(dá)選型的參考。

二、問題及模型描述

該包裝設(shè)備在一個工作循環(huán)中會將傳送帶A上的四個包裝袋運(yùn)送到傳送帶B上的包裝箱內(nèi)，工作頻率是每分鐘二十個工作循環(huán)。在運(yùn)動機(jī)構(gòu)上布置有三個旋轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動設(shè)備轉(zhuǎn)，如圖1所示。該設(shè)備框架材料是普通鋼材，所有運(yùn)動部件材料是6063鋁合金材料。

由于本次計算目的是得到設(shè)備馬達(dá)布置處的馬達(dá)力矩，因此進(jìn)行兩次機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析。在第一個機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真中設(shè)置運(yùn)動機(jī)構(gòu)抓手處的路徑配合，在三個馬達(dá)處設(shè)置鉸鏈（Hinge）配合。通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真，反向計算得到三個鉸鏈配合處的旋轉(zhuǎn)角速度曲線，并導(dǎo)出成.csv文件，作為下一個機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真算例的馬達(dá)參數(shù)的輸入文件。

在第二個機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真算例中，壓縮前述算例中的路徑配合，在三個Hinge配合處設(shè)置三個旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。馬達(dá)參數(shù)輸入前面計算得到的馬達(dá)角速度曲線，然后計算得到三個馬達(dá)的約束反力矩。

圖1 包裝設(shè)備

三、機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真過程

第一個機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真算例，在圖1所示的三個馬達(dá)處各設(shè)置一個鉸鏈配合（Hinge），該配合允許繞圓柱面軸向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，約束其他的運(yùn)動自由度。設(shè)置鉸鏈配合的目的在于輸出運(yùn)動所需要的角速度曲線，如圖2所示。

圖2 馬達(dá)布置處鉸鏈配合

SOLIDWORKS機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真模塊Motion中建立運(yùn)動仿真分析步，建立如圖3所示的路徑配合馬達(dá)。路徑曲線可以使用SOLIDWORKS中的3D草圖來建立。

圖3 路徑配合馬達(dá)

對該路徑配合馬達(dá)的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在運(yùn)動（M）項下面選擇線段，并編輯（圖3）。設(shè)置位移路徑，時間0～1秒，設(shè)置位移值1，對應(yīng)曲線類型為3-4-5多項式（3-4-5 Polynomial）；時間1～2秒，設(shè)置位移值0，對應(yīng)曲線類型為3-4-5多項式（3-4-5 Polynomial）。該設(shè)置表示2秒時間為一個運(yùn)動工作循環(huán)，時間點(diǎn)0秒開始沿路徑運(yùn)動，時間點(diǎn)2秒返回到初始位置點(diǎn)。3-4-5多項式描述了位移值y與自變量x的曲線關(guān)系，自變量中含有三次方、四次方和五次方項，設(shè)置多項式曲線的目的是確保位移運(yùn)動曲線在各階段能平滑過度。

在圖4中還可以看到，SOLIDWORKS自動生成了該位移多項式曲線對應(yīng)的速度曲線、加速度曲線等。

圖4 路徑配合馬達(dá)參數(shù)設(shè)置

在運(yùn)動算例屬性處設(shè)置計算的每秒幀數(shù)為200，如圖5所示。該運(yùn)動仿真時間設(shè)置為2秒，進(jìn)行運(yùn)動仿真計算。

圖5 運(yùn)動算例屬性設(shè)置

主要的結(jié)果輸出項如圖6所示，分別輸出三個鉸鏈處的旋轉(zhuǎn)角速度曲線，并另存為csv文本文件，取名motor1. csv（圖7）。

圖6 鉸鏈處結(jié)果輸出

圖7 鉸鏈處角速度曲線

第二個機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真算例，將第一個機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真算例復(fù)制成一個新的Motion運(yùn)動仿真算例。壓縮路徑配合馬達(dá)，在三個鉸鏈配合處的圓柱面上設(shè)置旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，在馬達(dá)參數(shù)設(shè)置中的運(yùn)動（M）處選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖8所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)馬達(dá)設(shè)置

插值類型選擇立方樣條曲線，點(diǎn)擊輸入數(shù)據(jù)，將第一個機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真算例計算得到的三個鉸鏈處的角速度曲線導(dǎo)入，如圖9所示。計算幀數(shù)等參數(shù)設(shè)置與第一個算例相同，運(yùn)行該運(yùn)動仿真。

圖9 旋轉(zhuǎn)馬達(dá)參數(shù)

四、結(jié)果輸出

從第二個機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真算例的結(jié)果曲線Motor1的馬達(dá)力矩（圖10）可以看到，該設(shè)備在0.4秒、0.5秒、0.85秒和1.0秒處出現(xiàn)峰值力矩。

圖10 Motor1的馬達(dá)力矩曲線

五、結(jié)語

SOLIDWORKS Simulation中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真模塊Motion可以幫助設(shè)計工程師精確計算設(shè)備機(jī)構(gòu)運(yùn)動的驅(qū)動力矩，作為馬達(dá)選型的參考。Motion中計算得到的位移運(yùn)動、連接力等數(shù)據(jù)結(jié)果也可以作為設(shè)備零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度有限元仿真的輸入數(shù)據(jù)，同時Motion也可以與ROCKWELL的Motion Analyzer等軟件一起進(jìn)行機(jī)電一體化的機(jī)構(gòu)運(yùn)動協(xié)同仿真分析，功能非常強(qiáng)大，非常適合自動化設(shè)備行業(yè)的設(shè)計人員使用。