本文介紹了SolidWorks虛擬機構創新實踐系統相關內容。
創新理論是由美國經濟學家J. A. Scnumpter在《經濟發展理論》一書中首次提出的，為科技與經濟結合提供了比較系統的理論觀點、思路、途徑和方法。創新是人類和經濟發展的源泉，也是培養人才和造就科技人才的重要途徑，國家"十一五"規劃，提出自主創新。在世界進入知識經濟時代，創新更是一個國家國民經濟可持續發展的基石。機械創新設計(Mechanical Create Degsin, MCD)是充分發揮設計者的創造力，利用人類已有的相關科學技術成果(含理論、方法、技術、原理等)，進行創新構思，設計出具有新穎性、創造性及實用性的機構或機械產品(裝置)的一種實踐活動。創新是時代發展永恒的主題。隨著科技的高速發展，PC及3D設計軟件在產品生產中得到了廣泛的應用，機械產品的設計和開發已經向3D以及虛擬化方向發展。目前，已經有眾多的中高檔3D軟件被使用，如MDT,SolidWorks,SolidEdge,UG,Pro/E等。由于3D設計軟件一般都采用基于特征的參數化造型方法，在此，筆者選用SolidWorks作為三維建模的平臺，特別容易對三維虛擬實體零部件的結構特征進行修改，以滿足可裝配性方面的要求，用它可以建立一系列的模型庫，用戶進行機構拼裝的時候調用所需的模型，按照自行設計的方案對機構進行組裝和仿真。
在本文中虛擬實踐系統研究的內容為:
1)以連桿機構為研究對象，在SolidWorks中虛擬出各種常用連桿機構的三維模型，存放在模型庫中;
2)研究常用連桿機構構成方案，并建立其運動和動力學數學模型，能夠進行可視化分析;
3)模型庫中零件的參數可以根據需要進行參數化修改，利用SolidWorks里現有的尺寸驅動功能方便地進行模型重建;
4)所建立的機構可以用COSMOSMotion插件進行模擬仿真，能夠對機構在運動中發生的干涉進行檢查，然后反復修改相應的參數最終達到消除干涉的目的。
1開發工具的選擇及系統開發總體結構
虛擬創新實踐系統選用SolidWork。軟件作為三維造型的軟件平臺。Solidworks擁有豐富的應用編程接口(Application Programming Interlace, API) ,是一個基于OLE Automation的編程接口，包含了數以百計的功能函數，可以方便地被高級編程語言調用，內嵌VBA二次開發環境，可以開發我們所需要的應用軟件。任何支持OLE和COM的編程環境都可以作為SolidWork，的開發工具。SolidWorks二次開發分為兩種，一種是基于自動化技術的，另一種是基于COM的。COM技術可以使用最多的SolidWorks API，并且可以控制SolidWorks的運行方式，生成*. DLL格式的文件，也就是SolidWorks的插件。根據SolidWorks的特點，按照虛擬實踐的任務設計了系統運行的流程圖，如圖1所示。
2創新機構知識庫的建立
知識庫通常由一條條的經驗法則構成，我們將機構創新的方法進行歸納成幾個大類，用圖2表示。
知識庫建立以后，用戶利用知識庫中的創新原理來為機構制定組成方案，根據每種機構的特性來選擇基本的機構，使幾種簡單的機構拼裝在一起后成為所需要的機器。
3模型庫的建立
建立模型庫是指給定非標準件基本參數，自動生成三維模型。例如在建立圓柱齒輪的三維模型時，只需要輸人齒數、模數、螺旋角等幾個參數后，就能在solidWorks中自動生成用戶所需的三維模型。對于標準件可以把它的規格、型號放在一個數據庫中，直接創建標準件數據庫，注意數據庫中數據的單位應該和計算過程中數據單位保持一致，避免邏輯錯誤，利用數據庫當中存儲的數據可直接建立三維模型。用ADO實現VC和數據庫之間的數據讀寫，ADO中的編程模型一般由一個動作序列組成，步驟為:①接到一個數據源;②確定對該數據源的一個查詢;③執行該查詢;④把查詢數據檢索到一個能夠在C++代碼中很容易訪問的對象中;⑤如果需要，則更新該數據源，以反映對該數據的編輯;⑥提供檢測錯誤的一般方法。
對于連桿類等具有一系列尺寸的零件，只需要改變長短，無需改動其他尺寸。對于這類零件采用系列零件設計表技術，它是SolidWorks和Excel軟件無縫集成的表現，先生成一個連桿，然后調用SolidWorks中的零件設計表模塊，把變動的系列尺寸直接輸入到Excel中保存起來，與此同時，在SolidWorks的環境管理器中生成與之對應的模型，當需要某長度的模型時，只需雙擊它重建模型即可馬上生成。這樣可以方便用戶隨時調用不同尺寸的桿件進行機構拼裝用戶在拼裝機構的過程中如果沒有需要的連桿或其他零件，那么可利用SolidWorks軟件新建一個模型后把它放人到模型庫中即可，因而不會受到實物的限制，靈活度非常高。
4機構方案的擬定及其評價方法
在擬定方案的時候，運用知識庫中存儲的信息對初始機構進行創新方案分析，如果以前有類似的方案，則用戶可以繼續使用，還可在此基礎上進行改進創新，這樣可以提高效率。對于以前沒有的方案，首先可以從機構的功能目標人手，按其工作原理擬訂方案，其次對機構進行選型組合。例如，可以完成勻速轉動的機構有:連桿機構、齒輪機構、行星輪系等;用于非勻速轉動的機構有:連桿機構、非圓齒輪機構、撓性件傳動機構;往復移動的機構有:連桿機構、齒輪齒條機構、凸輪機構、楔塊機構、螺旋機構等。一般情況下，可以找到相應的機構來滿足用戶需要的運動。在確定基本機構后，要對基本機構進行組合，機構的組合是指在機構選型的基礎上，根據功能目標或工藝動作的各種需要，組合創新機構系統。對于已經給出的方案有以下5方面評價內容:功能性、經濟性、安全性、可操作性、舒適性。其評價方法是:采用各種功能指標量化法，即把參評的各項功能指標分別乘以加權系數制定出評價函數:先列出每一項評價指標并把它進行量化，然后根據每項指標的重要程度分別賦予不同的加權系數:
在具體實施方案時，用戶畫出機構簡圖，從模型庫中調人所需的模型進行虛擬裝配，讓系統按標準對機構方案進行分析驗證，檢查其是否達到滿意的程度，如果滿意則可以進行實際裝配，否則，重新選擇或者改進方案，重新虛擬裝配直到得出滿意的運動方案為止。
5虛擬裝配與構件之間的干涉檢測
用戶根據已經選定的機構運動方案確定需要用到的各種虛擬零件，將他們共同保存在磁盤的某一個文件夾中，打開SolidWorks軟件，新建一裝配體文件，將選好的零件依次插人到裝配體文件中，在零件之間添加相應的裝配配合關系即可。例如:零件之間是通過鉸接裝配，則可添加轉動副;如果是平面接觸，則添加移動副。各構件之間的裝配關系及其運動副關系定義如下:若是轉動副，則在兩零件連接處添加端面貼合和同軸心關系;若是移動副，則在兩零件接觸處添加平面貼合關系。機架和導軌等固定不動的構件通過右擊SolidWorks特征管理樹(Feature manager)中相應零件的實體名，在彈出的菜單內選擇"固定"來實現。由于SolidWorks是基于Windows開發出來的，并且它含有尺寸驅動功能，用戶利用這個功能可以對已經建好的裝配模型隨時修改。當它修改某一個尺寸時，其他的一些關聯尺寸也會隨之發生相應的改變，而不必拆卸零件重新裝配，這在實物裝配中是不能實現的。完成虛擬裝配后進行干涉檢查，例如，檢查一個平面連桿機構在同一平面的兩個轉動副之間是否發生位置千涉，直觀檢查干涉情況的方法是拖動其中某個構件觀察各構件在運動中是否發生位置重疊或者桿件之間是否發生碰撞，如果發生這種情況，則需要調整機構中的某些參數使之避免干涉。
6機構的運動與動力仿真
機構的運動仿真是指在每一運動時刻，各個構件在空間中的位置用計算機實時顯示出來。其方法有兩種:①圖解法，把每一個時刻機構的狀態繪制出來，通過它來確定機構某點在此刻的位置，這種方法的精度不高;②解析法，它是根據機構的幾何關系利用封閉矢量的方法計算出點的位置。因而，運用解析法和計算機相結合就可以計算出桿上某一點不同時刻的不同位置。由于各個構件在原裝配關系中有各種約束關系，機構本身特性也就確定了，而機構固定不動的零件放在空間的任何位置不會改變機構上某點運動軌跡的形狀。完成運動分析之后，為了判斷所設計機構特性的優劣，需要對機構的動力特性加以分析，提取感興趣點進行位置、速度和加速度分析以便作出機構特性優劣的最后評判。如圖3所示曲線①是E點的運動軌跡，帶箭頭的直線②為E點瞬時速度方向，帶箭頭的直線③為E點瞬時加速度方向。圖4一圖7分別是E點X向速度、加速度和Y向速度、加速度圖。
7結論
虛擬機構創新實踐系統可以幫助用戶快速地完成設計任務，通過可視化的運動和動力學分析，在線對機構方案進行修改，從而整理出最優的方案。因此，本系統可以培養用戶對機構運動方案的整體認識，培養用戶的創新意識、綜合設計及工程實踐動手能力。用戶在機構拼裝的過程中熟悉機構及機械設計中出現的典型問題，通過分析，解決問題，可以把運動方案中的一些基本知識點融會貫通，對機構系統的運動特性有一個更加深人的理解。