為了保證汽車在雨雪天有良好的視野，各種車輛均配有刮水器，他利用連桿機構(gòu)將電機連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為刮片的往復(fù)刮刷運動。由于刮水器在工作過程中是動態(tài)的，運動關(guān)系較為復(fù)雜，要確定其合理的連桿長度和固定點位置，在平面圖上要經(jīng)過反復(fù)運算和校核，工作量較大，效率低。為了在短周期內(nèi)設(shè)計出合格的產(chǎn)品，滿足客戶的要求和增加市場競爭力，設(shè)計者通過Matlab／SimMe-chanics仿真建模環(huán)境提供的良好的人機交互圖形界面，建立產(chǎn)品模型，對刮水器進行虛擬設(shè)計和動態(tài)仿真分析，并及時對設(shè)計進行改進和優(yōu)化。1 SimMechanics簡介
SimMechanics機械系統(tǒng)建模與仿真集成于Simulink之中，是進行控制器和對象系統(tǒng)跨領(lǐng)域／學(xué)科的研究分析模塊集。SimMechanics為多體動力機械系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)提供了直觀有效的建模分析手段，一切工作均在Simulink環(huán)境中完成。他提供了大量對應(yīng)實際系統(tǒng)的元件，如：剛體、鉸鏈、約束、坐標(biāo)系統(tǒng)、作動器和傳感器等。使用這些模塊可以方便地建立復(fù)雜圖形化機械系統(tǒng)模型，進行機械系統(tǒng)的單獨分析或與任何Simulink設(shè)計的控制器及其他動態(tài)系統(tǒng)相連進行綜合仿真。他擴展了Simulink的建模能力，利用他做出的模型仍能與傳統(tǒng)Simulink模塊所建立的模型相融合。
SimMechanics系統(tǒng)包含有剛體模塊組(Bodies)，運動鉸模塊組(Joins)，約束與驅(qū)動模塊組(Constraints&Driver)，傳感器與作動器模塊組(Seneors&Actuators)，力單元模塊組(Force Elements)等，各模塊組中所包涵的模塊及其功能詳見文獻[3]。
2 創(chuàng)建刮水器機構(gòu)的仿真模型
2.1 刮水器機構(gòu)簡圖及工作原理
刮水器一般分為對刮和順刮兩種形式。如圖1所示是順刮式刮水器的機構(gòu)簡圖，包括連桿、刮臂、刮片等。刮水電機以30 r／min的速度單向連續(xù)轉(zhuǎn)動，刮臂作左右往復(fù)擺動，且左右擺動的速度相同。已知初始設(shè)計參數(shù)為曲柄lAB=60 mm，連桿LBC=LBC1=200 mm，固定點位置水平方向lAD=lAD1=200 mm，刮臂擺角φ =120°，刮片的工作阻力矩如圖2所示。左右刮臂和刮片的重心分別為S1和S，質(zhì)量m=1.530 6 kg，lD1S1=lDS=100 mm。觀察刮臂的運動情況，分析運動副A須加的力矩及運動副D的運動情況。
2.2 創(chuàng)建刮水器機構(gòu)SimMechanics模型
根據(jù)機構(gòu)簡圖，用SimMechanics中提供的模塊，先繪制出固定機架，用剛體模塊組中的Ground模塊來表示，然后從Joints模塊組中復(fù)制Revolute模塊，構(gòu)造出第一個轉(zhuǎn)動副A，依此類推，就可以將所需的模塊都復(fù)制到此模型窗口中，復(fù)制完模塊后，將這些模塊托放到合適的位置，依照機構(gòu)簡圖將他們依次連接起來，可對各模塊的名稱進行編輯修改。
對每一個模塊均需設(shè)置參數(shù)，雙擊桿件模塊可以得到參數(shù)設(shè)置對話框，需要輸入的剛體參數(shù)有：桿的質(zhì)量、慣量矩陣、剛體坐標(biāo)和質(zhì)心位置，各桿具體參數(shù)見表1。參數(shù)的設(shè)置可以通過直接輸入和變量輸入兩種方法，具體內(nèi)容可參見參考文獻[2，5]。電動機的單向轉(zhuǎn)動由普通Simulink的一級信號控制模塊圖3所示子系統(tǒng)來完成，通過運動副作動器(Joint Actuator)輸入，其有效參數(shù)為角位移、角速度和角加速度；刮水刷的工作阻力矩可由工作阻力矩控制模塊(圖4)輸入給RevoluteD，該子系統(tǒng)的輸入為RevoluteD的角速度。建立的刮水器機構(gòu)SimMechanics模型如圖5所示。
3 配置和運行模型
3.1 配置SimMechanical Environment
打開“SimMechanical Environment”對話框，選擇“Parameters”選項卡，設(shè)置“analysis type"’為Forward dynamics；選擇“Visualition'’選項卡，勾選“Drawmachine in initialstate”和“Animate machine during simulation"選項，設(shè)置“Draw machine using”為Matlab Graphics，“Representbodies as”為Convex hulls，“Update machine”為When diagram changes。
3.2 檢測運動和運行模型
SimMechanics為機械系統(tǒng)提供了多種仿真／分析方式：正向動力學(xué)分析——求解機械系統(tǒng)在給定激勵下的響應(yīng)；逆向動力學(xué)分析——求解機械系統(tǒng)按給定運動結(jié)果時所需的力和力矩；運動學(xué)分析——在約束條件下求解系統(tǒng)中的位移、速度和加速度，并做一致性檢查；線性化分析——可求得系統(tǒng)在指定小擾動或初始狀態(tài)下的線性化模型，以分析系統(tǒng)響應(yīng)性能；平衡點分析——可以確定穩(wěn)態(tài)平衡點，供系統(tǒng)分析和線性化使用。用戶可以根據(jù)自己的需要，在同樣的基本組合結(jié)構(gòu)下，對一個模型創(chuàng)建多個版本，連接不同的Sensors和Actuators模塊以及不同的配置。本文對刮水器進行正向動力學(xué)分析(Forward dynamics)。
SimMechanics輸出的運動學(xué)參數(shù)和動力學(xué)參數(shù)都通過各種傳感器模塊輸出。SimMechanics中的傳感器模塊有3種：
(1) 構(gòu)件傳感器(BodySensor)：傳遞構(gòu)件的運動，可以將構(gòu)件的位置、速度、加速度、角速度、角加速度等量以數(shù)值或圖示的形式反饋。
(2) 鉸接剮傳感器(JointSensor)：傳遞鉸接副的運動和力，可以傳遞鉸接副的運動、相對力和扭矩以及驅(qū)動鉸接副運動所需的力和扭矩、反作用力和扭矩等量。
(3) 約束及驅(qū)動傳感器(Constraint&DrivetSensor)：傳遞約束反力，可以傳遞由于約束及驅(qū)動塊的作用而產(chǎn)生的反作用力和扭矩。
用戶根據(jù)需要選擇不同的傳感器輸出所需的參數(shù)。要分析運動副A須加的力矩及運動副D的運動情況。如圖5所示須在RevolutD和RevolutA上接傳感器JointSensor，并進行參數(shù)設(shè)置，然后通過顯示器輸出結(jié)果。運動副A及電動機輸出軸力矩(N?m)信號如圖6所示，刮臂的角位移(rad)，角速度(rad／s)及角加速度(rad／s2)信號如圖7所示。
仿真結(jié)果的顯示是SimMechanics程序的一個特色，既可以用Matlab自身的圖形和SimMechanics的示波器以及XY Graph顯示仿真結(jié)果，還可以依賴虛擬現(xiàn)實工具箱，對仿真的機構(gòu)進行動畫顯示。為了觀察刮臂的運動情況，通過前面對Visualition選項卡的配置，運行時對輸出機構(gòu)進行動畫顯示。圖8所示為刮水器的實時圖片。在仿真的過程中，隨時可以停止仿真，修改各模塊參數(shù)，進行優(yōu)化設(shè)計。
4 結(jié) 語
應(yīng)用Matlab／SimMechanics的虛擬模擬功能不但提高了設(shè)計效率，而且整個設(shè)計過程模擬現(xiàn)實狀態(tài)，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，將試制過程中的失誤降至最低，取得了良好的效果，提高了設(shè)計效率和設(shè)計水平。桿類機構(gòu)、齒輪機構(gòu)等其他類似機構(gòu)均可以使用同樣的方法進行動力分析，并利用虛擬現(xiàn)實工具箱對所設(shè)計的機構(gòu)進行動畫顯示以達到運動干涉檢查的目的。與其他通過編程實現(xiàn)的仿真方法相比，此方法簡單易行，他具有系統(tǒng)建模方便直觀，仿真功能強大，自動模型分析等優(yōu)勢，不需要編程，可很好地對機械系統(tǒng)的各種運動動力進行分析。在此基礎(chǔ)上與Simulink的其他模塊相結(jié)合，可以為自動控制系統(tǒng)提供更為有效的設(shè)計手段。
