江北大 蔡曉紅 孔凡寶 潘磊

摘 要：文章研究了使用Solidworks軟件為機(jī)構(gòu)建模、輸出為X3D格式的方法，并分析了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)合MATLAB軟件計(jì)算出各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡，在X3D格式文件中實(shí)現(xiàn)了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。

關(guān)鍵詞：X3D；MATLAB；Solidworks；曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)仿真

中圖分類號(hào)：TH112

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

機(jī)械基礎(chǔ)是士官職業(yè)技術(shù)教育機(jī)電類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課。常用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真是機(jī)械基礎(chǔ)課程非常重要的教學(xué)素材，運(yùn)用X3D技術(shù)，制作的常用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果。

一、X3D技術(shù)概述

X3D是Web3D組織發(fā)布的一種開源三維圖像標(biāo)記語言，是VRML標(biāo)準(zhǔn)的最新版本，它基于XML開發(fā)，已經(jīng)通過ISO認(rèn)證，被各大建模軟件（UG NX、Solidworks、Pro/E等）支持。X3D語言具有組件化、可擴(kuò)展化，支持多種媒體、用戶交互、腳本語言、網(wǎng)絡(luò)超鏈接等特性，目前，廣泛應(yīng)用于科研、教學(xué)、商務(wù)及軍事等領(lǐng)域。

二、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

1.總體思路

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，是具有一個(gè)曲柄和一個(gè)搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。一般情況下，曲柄為主動(dòng)件，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，而搖桿為從動(dòng)件，做變速往返擺動(dòng)，連桿的一端連接曲柄的運(yùn)動(dòng)端，另一端連接搖桿的運(yùn)動(dòng)端，做平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，要點(diǎn)在于繪制構(gòu)件的三維模型、計(jì)算各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡以及在X3D文件中用ROUTE節(jié)點(diǎn)將相關(guān)傳感器節(jié)點(diǎn)連接起來。

2.零件建模

X3D語言支持使用基本幾何節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建簡(jiǎn)單的三維模型。比如，使用Sphere節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建球體，使用Cylinder節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建圓柱體，但對(duì)于較復(fù)雜的組合體模型，使用Solidworks建模再轉(zhuǎn)為X3D格式則更為簡(jiǎn)便。具體方法如下：

（1）使用Solidworks軟件建立零部件和減速機(jī)模型；

（2）將模型導(dǎo)出為VRML格式；

（3）使用X3D-Edit軟件將VRML格式文件轉(zhuǎn)換為X3D格式。

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真涉及的X3D節(jié)點(diǎn)主要有Orientation Interpolator朝向插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)（實(shí)現(xiàn)模型節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)）、Position Interpolator位置插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)（實(shí)現(xiàn)模型節(jié)點(diǎn)的平移）和Time Sensor時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)（控制模型節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)）。為了簡(jiǎn)化Position Interpolator和Orientation Interpolator節(jié)點(diǎn)的key Value域值數(shù)據(jù)，在給曲柄和搖桿建模時(shí)，應(yīng)當(dāng)將其模型原點(diǎn)設(shè)置在各自的轉(zhuǎn)動(dòng)中心。

3.運(yùn)動(dòng)仿真

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的關(guān)鍵在于使用ROUTE節(jié)點(diǎn)連接Time Sensor時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)和動(dòng)畫控制節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，并讓其沿預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。

曲柄作主動(dòng)件，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，因此，當(dāng)該構(gòu)件模型的原點(diǎn)設(shè)置在固定鉸鏈中心時(shí)，Position Interpolator節(jié)點(diǎn)的key Value域值是固定不變的（為該模型在X3D空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)），只需要將Orientation Interpolator節(jié)點(diǎn)的域值設(shè)置為等差數(shù)列弧度，即可實(shí)現(xiàn)該構(gòu)件的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

結(jié)合曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的四個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和長(zhǎng)度關(guān)系，運(yùn)用MATLAB軟件首先可以計(jì)算出運(yùn)動(dòng)過程中連桿的曲柄端坐標(biāo)變化情況以及連桿與x坐標(biāo)軸夾角的變化情況，轉(zhuǎn)化為連桿的Position Interpolator和Orientation Interpolator節(jié)點(diǎn)的key Value域值。然后，計(jì)算出連桿的搖桿端坐標(biāo)變化情況，并轉(zhuǎn)化為搖桿的Position Interpolator和Orientation Interpolator節(jié)點(diǎn)的key Value域值。最后，將Position Interpolator、Orientation Interpolator、Time Sensor節(jié)點(diǎn)和ROUTE節(jié)點(diǎn)添加到X3D文件中，即可完成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。

三、結(jié)論

基于X3D格式的虛擬場(chǎng)景文件，被ISO組織接收為國際標(biāo)準(zhǔn)，更被眾多三維建模軟件支持導(dǎo)入和導(dǎo)出，同時(shí)，文件體積小，非常有利于網(wǎng)絡(luò)傳輸。結(jié)合X3DOM技術(shù)，它還能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無關(guān)性，因此，特別適合作為交流機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的素材。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)是一種常用機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)形式包含旋轉(zhuǎn)、平移和復(fù)合運(yùn)動(dòng)，在X3D文件的運(yùn)動(dòng)仿真中，是一個(gè)非常典型的案例。本文通過建立曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的三維模型，分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)合MATLAB軟件計(jì)算各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)了該機(jī)構(gòu)在X3D文件中的運(yùn)動(dòng)仿真，該方法可以推廣至絕大部分常用機(jī)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐萬紅，張?zhí)扃?基于X3D的零件測(cè)繪網(wǎng)絡(luò)虛擬平臺(tái)研究[J].機(jī)械工程師，2016（2）：71-73.

[2]朱曉林，黃敏純.基于X3D的虛擬裝配實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)技術(shù)研究[J].機(jī)電技術(shù)，2017（2）：20-22.