Технология формирования динамических моделей Matlab  механических узлов, конструкций и приспособлений для их испытаний из 3D-моделей САПР SolidWorks

В.М. Понятский,

нач. сектора, к.т.н, доц.,
В.Г. Федорищева,

вед.  инж., kbkedr@tula.net,
ГУП «КБП», г.Тула

В настоящее время современные информационные технологии открывают новые возможности при проектировании перспективных технических систем. В работе рассматриваются возможности использования трансляции 3D-модели механизмов САПР SolidWorks в среду динамического моделирования Matlab при проектировании сложных конструкций механизмов.

В настоящее время одним из популярных пакетов для разработки конструкторских проектов является САПР SolidWorks. SolidWorks обеспечивает высокую эффективность и качество разработки твердотельных моделей деталей и узлов, их параметризацию и высокую точность определения механических параметров.

Пакет MATLAB расширяет возможности САПР SolidWorks в части динамического моделирования 3D-моделей механизмов. Графическая среда имитационного моделирования Simulink позволяет объединять элементы различной физической. Пакет расширения Simulink SimMechanics позволяет моделировать механизмы, состоящие из множества твердых тел и их компонентов – соединений, ограничителей движения, управляющих элементов и датчиков движения. Входящий в состав пакета SimMechanics CAD-транслятор позволяет генерировать модели механических систем из их сборок в SolidWorks. После установки транслятор внедряется в среду SolidWorks и позволяет переносить сборки механических систем в Simulink. Транслятор SimMechanics преобразует геометрию сборок SolidWorks в модели блок-схем Simulink. При этом все механические параметры твердотельной модели, определяющие её динамику (масса, инерционные характеристики, координаты центров масс, параметры соединений и др.) передаются динамической модели. SimMechanics автоматически формирует систему дифференциальных уравнений движения механизма (она является внутренним объектом, скрытым от пользователя).

Процесс создания математической модели системы управления в Simulink из 3D-модели элементов в SolidWorks состоит из нескольких этапов: экспорт 3D-модели SolidWorks в xml-файл,  импорт xml-файла в среду Simulink, анализ динамики системы управления, выбор закона управления и исполнительного элемента в среде Simulink. На рисунке 1 приведена обобщенная схема этого процесса.

рис. 1 Обобщённая схема процесса проектирования

Проведено исследование функционирования кулачкового механизма, включающего шаговый двигатель с кулачок на его валу и рычагом с линзой. Вращение шагового двигателя вызывает дискретное перемещение кулачка. Подпружиненный рычаг перемещается по профилю кулачка. Поворот линзы приводит к изменению угла преломления луча. Необходимо обеспечить минимальные колебания кулачка, возникающие при дискретных поворотах вала двигателя.

Проведена трансляция 3D-модели механизма САПР SolidWorks (рис. 2) в среду динамического моделирования Matlab.

 

рис. 2  3D-модель механизма в SolidWorks

Осуществлены доработки динамической модели механизма в среде Matlab (рис. 3), обеспечивающие дискретное изменение вращающего момента на валу шагового двигателя, прижатие рычага к кулачку и перемещение рычага по профилю кулачка.

Моделирование вращающего момента на валу шагового двигателя осуществляется с помощью угловой пружины, подключенной к соединению между шаговым двигателем и кулачком. Величина вращающего момента определяется по формуле:

М = – Сx (φt – φо) – bω,                           (1)

где Сx – угловая жесткость пружины; (φt – φо) – относительное изменение углового положения пружины; φt – текущее угловое положение вала двигателя; b – коэффициент демпфирования пружины; ω – угловая скорость оси вала двигателя. Дискретный вращающий момент формируется за счет дискретного изменения угла φо. Величина угловой жесткости пружины определена исходя из паспортных данных шагового двигателя.

рис. 3 Модель кулачкового механизма вращения в Simulink

Для моделирования взаимодействия между рычага и кулачком подключены две пружины, обеспечивающие прижатие рычага и формирование профиля кулачка.

При трансляции телам модели Simulink передаются соответствующие массо-инерционные характеристики компонентов сборки SolidWorks. Для обеспечения визуализации  модели  Simulink  геометрия элементов сборки SolidWorks передается с помощью транслируемых stl-файлов (рис. 4).

рис. 4  Визуализация механизма превышения в Simulink с помощью stl-файлов

В соответствии с полученной моделью кулачкового механизма вращения в среде Matlab проведено исследование его динамики функционирования (рис. 5).

Анализ полученных результатов показывает, что при увеличении момента на валу двигателя или коэффициента демпфирования возрастает частота и уменьшается величина колебательной составляющей, а при уменьшении момента на валу двигателя или коэффициента демпфирования уменьшается частота и увеличивается величина колебательной составляющей.

рис. 5  Результат моделирования работы кулачкового механизма при отработке дискретного вращающего

момента:  М=0,015 нм (Cx=0.008 нм/гр), b=0.000005 нмс/гр

Рассмотрен механизм, закрепленный в приспособлении для его испытаний. Необходимо разработать динамическую модель, обеспечивающую воспроизведение передачи вибрационных колебаний от приспособления к испытуемому механизму.

Проведена трансляция 3D-модели сборки исследуемого механизма и приспособления (рисунок 6) САПР SolidWorks в среду динамического моделирования Matlab (рисунок 7). Приспособление представлено в виде раскрывающихся подсборок. При преобразовании телам модели Simulink передаются соответствующие массо-инерционные характеристики деталей сборки SolidWorks и не передаются их упругие свойства.

 

         

рис. 6  Механизм в сборке с приспособлением для вибрационных испытаний в SolidWorks:

а) исходная 3D-модель; б) 3D-модель при нагрузке 

рис. 7  Модель механизма с приспособлением для вибрационных испытаний в Simulink

с раскрывающимися  подсборками

Осуществлены доработки динамической модели приспособления в среде Matlab, обеспечивающие упругие колебания его деталей и задание постоянной вибрационной нагрузки.

Моделирование упругих свойств деталей приспособления обеспечено соответствующим их представлением в виде двух тел, соединенных с помощью угловой пружины. Величина упругого момента определяется по формуле:

М = - Сx (φt – φо) – bω,               (2)

где Сx – угловая жесткость пружины; (φt – φо) – относительное изменение углового положения пружины; φt, φо – текущее и исходное угловое положение соединенных тел; b – коэффициент демпфирования пружины; ω – угловая скорость взаимного перемещения двух тел. Величины угловых жесткостей деталей определены по 3D-модели приспособления в САПР SolidWorks.

При задании вибрационных нагрузок моделировалась работа системы регулирования, обеспечивающая постоянство нагрузки в месте её приложения к приспособлению.

В соответствии с полученной динамической моделью в среде Matlab проведено исследование возникающих резонансных частот в рассмотренной конструкции механизма и приспособления для его испытаний.

Литература

1.   Понятский В.М., Колесников Г.И., Федорищева В.Г. Проектирование систем управления с CAD/CAE элементами SolidWorks в среде имитационного моделирования MATLAB // Доклады Российской конференции с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения»  (УКИ’08). 10 - 12 ноября 2008 г. - М.: ИПУ РАН, 2008. С 445 – 452.