第八章 机械模块与运动仿真.docx

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第八章机械模块与运动仿真

第八章机械模块与运动仿真

第一节概述

一、术语

Body（主体）：

一个元件或彼此间没有相对运动的一组元件。

Base（基础）：

一个不移动的主体

Connection（连接）：

也叫机械连接，用于定义两个元件之间的相对运动。

Joint（接头）：

指定连接类型。

如销钉连接等

DegreeofFreedom（自由度）：

机械系统允许的运动

PlacementConstrains（放置约束）

ConnctingComponent（连接元件）：

连接元件与它附着的元件间有相对运动。

FixedComponent（固定元件）

ServoMotors（伺服电机）

LoopConnection（环连接）：

增加到运动环中的最后一个连接

Motion（运动）

Mechanism（机械装置）

二、进入和退出机械模块

Step1：

新建或打开一个装配模型

Step2：

进入机械模块：

Applications/Machanism

Step3：

退出机械模块：

Applications/Standard

三、机械模块的用户界面

当产品组装完成后，点击下拉式菜单“应用程序/机构”，即可进入机构仿真模块。

图8-1展示了机构模块的窗口。

图8-1机构模块窗口

（1）模型树在窗口的左侧是模型树，分上下两层，上层是组件模型树，显示装配模型中的所有零件和组件；下层是机构模型树，显示机构模型中的所有项目。

如图8-2所示。

（2）工具栏在窗口的右侧是工具栏按钮，按钮的意义如图8-3所示。

通过这些按钮，即可进行机构仿真设计。

图8-2机构模块的模型树图8-3机构模块的工具栏

在主窗口上方工具栏中也有三个与机构设计有关的按钮，如图8-4所示。

图8-4主窗口上方工具栏

四、创建一个机械装置的机械运动仿真的一般操作过程

（1）使用约束条件将固定不动的零件或组件装配进来。

（2）使用连接条件将运动的零件装配进来。

（3）进入机构模块。

当以约束和连接条件将元件组装在一起后，即可通过下拉式菜单“应用程序/机构”进入机构设计模块。

（4）手工拖曳元件运动。

进入机构模块后，可首先点击工具栏按钮

，手工拖曳运动元件，使元件按预定运动方式运动，以测试元件装配是否正确，机构运动方式是否合乎理想。

如果元件装配正确，机构运动合乎理想，则进行下一步，否则回到组装环境重新组装。

（5）设置齿轮副、凸轮从动机构。

如果机构中含有齿轮副或凸轮从动机构，则在机构组装并测试正确后，即可进行齿轮副或凸轮从动机构的设置，建立机构各元件连接条件之间的关系，以便驱动。

（6）添加伺服电机。

当连接设定完成后，即可设置伺服电机，以作为机构的动力来源。

（7）其他设定。

如果机构运动复杂，还需要添加其他设置，如弹簧、力、扭矩等。

（8）分析与仿真。

当机构设置完成后，可进行各种分析，如位置、运动学、动态等，并可根据分析获得结果报告。

第二节连接与连接类型

一、连接

在组件装配时如果在ComponentPlacement对话框中单击Connections选项，系统将弹出Connection操作界面，通过该界面中的有关命令，即可将元件连接到体中。

连接的意义：

定义元件的放置约束，限制主体间的相对运动，定义元件可能有的运动。

连接与固定装配的比较：

元件放置采用装配约束，装配和子装配间的关系相同；不同处：

连接装配定义的约束为不完全约束依据连接类型允许元件以特定的方式运动；约束创建于定义连接的过程中；反转元件方向通过反向而不是对齐或配对平面；可以向一个元件添加多个连接；可将多个约束组合在一起定义单个连接，父装配继承子装配件中的连接定义。

二、连接类型及其自由度

在连接装配中，Pro/ENGINEER也提供了10种连接条件，它们的意义如下。

1．Rigid（刚性）

此连接条件相当于一个固定约束。

当一个元件必须与其他元件固定装配在一起时，可使用此连接条件，装配元件之间没有自由度。

图8-5销钉连接的操作过程

2．Pin（销钉）

此连接条件提供元件一个旋转功能。

设置时需要提供一个旋转的轴和一个限制元件移动的面，保证元件绕轴在指定的面上旋转，提供元件一个旋转自由度，如图8-5所示。

3．Slider（滑动杆）

此连接条件提供元件一个移动功能。

设置时需要提供一个移动的边或轴和一个限制元件转动的面，保证元件在指定的面上沿所选的边或轴平移，提供元件一个平移自由度，如图8-6所示。

图8-6滑动杆连接的操作过程

4．Cylinder（圆柱）

此连接条件提供元件一个平移和一个旋转功能。

设置时需要提供一个旋转和平移的轴，保证元件既绕轴旋转又沿轴平移，提供元件一个旋转自由度和一个平移自由度，如图8-7所示。

图8-7圆柱连接的操作过程

5．Planar（平面）

此连接条件提供元件沿平面移动及垂直平面旋转的功能。

设置时需要提供一个面，保证元件在面上移动并绕垂直于面的轴线旋转，提供元件一个旋转自由度，两个平移自由度，如图8-8所示。

6．Boll（球）

此连接条件提供元件绕任意轴旋转功能。

设置时需要提供两个匹配的点或顶点或曲线端点，以保证元件只有旋转而无移动，提供元件三个旋转自由度，如图8-9所示。

图8-8平面连接的操作过程

图8-9球连接的操作过程

7．Weld（焊接）

此连接条件使装配元件焊接在已有的组件上，无相对运动。

设置时需要提供一个匹配的坐标系，将两个元件粘在一起，元件自由度数为0。

8．Bearing（轴承）

此连接条件既提供元件绕任意轴旋转功能，也提供元件沿某一轴移动功能。

设置时需要提供元件上的一个点或顶点或端点和组件上的一个轴或反之，保证元件绕点旋转并沿轴移动，提供元件三个旋转自由度和一个平移自由度，如图8-10所示。

图8-10轴承连接的操作过程

9．常规

此连接条件可使用户在已有的组件和要装配的元件上选取任意图元，提供的运动功能和所选图元有关，元件的自由度数也和所选图元有关。

10．6DOF

此连接条件没有任何运动约束，设置时只需要给出元件和已有组件的坐标系，保证元件在坐标系内可沿X、Y、Z轴移动，也可绕X、Y、Z轴旋转，提供元件6个自由度。

11．slot

此连接类似于一个滑槽，提供元件一个沿槽运动的功能。

设置时需要提供元件上一个点或基准点或端点，以及已有组件上的一个边或轴或曲线，保证元件沿着所选取的边或轴线或曲线滑动，如图1-23所示。

图1-23槽连接的操作过程

第三节拖移

一、概述

选择Machanism/Drag命令，然后选取一个主体或主体上的一点，对主体进行拖移。

它是在允许的运动范围内移动机械元件的有效方法。

二、点拖移

操作步骤：

Step1：

在Drag对话框的Snapshots选向卡中，单击图标（点拖移）

Step2：

在当前机械装置中的某个主体上选择一个位置，在该位置处单击鼠标左键，出现一个标记，这就是将拖移的该主体的确切位置。

Step3：

移动光标，选取的点将跟随光标位置。

Step4：

要完成此操作，单击下列任一鼠标件。

鼠标左键：

接受当前的主体位置并开始拖移另一个主题。

鼠标中键：

取消刚才执行的拖移。

鼠标右键：

终止拖移操作，使主体停留在刚才拖移的位置。

第四节连接轴位置参数设置

对每一个有连接轴的连接条件都可以通过下面的设定查看其当前连接轴位置，或暂时改变位置值。

1．设置连接轴的零点：

连接轴的零点表示连接到接头的两个零件的相对方向或位置为零，伺服电机和初始条件依赖于连接轴零点的设置，在进行运行运动操作时，连接轴零点为机械装置的参照位置，一个连接轴上只能创建一个连接轴零点。

2．设置零参照：

可改变主体上的参照点或参照面

3．设置极限：

设置连接轴的运动范围，操出此范围，接头就不能平移或转动。

4．设置再生值：

设置装配件再生时连接轴的位置，如果设置了连接轴极限，装配件再生值设置就必须在指定的限制内。

第五节定义伺服电动机

在机构运动时，机构的动力源由伺服电动机提供。

本节将简单介绍伺服电动机的驱动轴和位置、速度等参数的设置方法。

一、伺服电动机定义概述

当机构组装完成后，通过下拉菜单“应用程序/机构”进入机构模块，在此模块中，点击伺服电动机创建按钮

，系统会弹出“伺服电动机定义”对话框，如图8-11所示。

该对话框给出了伺服电动机定义的所有内容，包括：

名称名称选项给出所定义的电动机的名称，可以是系统默认的名称ServeMotor1、ServeMotor2等，也可由用户自行定义。

类型类型选项给出了两种不同的电动机定义方法，一种是确定运动轴的电动机的定义，另一种是通过选择几何图元设置元件之间的相对运动进行电动机的定义。

轮廓轮廓选项通过设置电动机的位置、速度、加速度参数形成电动机运动轮廓。

图8-11“伺服电动机定义”对话框

二、伺服电动机轴的设置

1．运动轴方式设置

点击伺服电动机定义按钮

，在弹出的“伺服电动机定义”对话框中选择“运动轴”，然后在已有的组件上点选连接对的连接轴，使其成为电动机的运动轴，并按连接轴的运动方式运动，即若连接轴是旋转轴，则电动机旋转；若此轴为平移轴，则电动机平移。

需要注意的是能够使用此种方法定义电动机的只有5种连接对。

它们分别是“销钉”、“滑动杆”、“圆柱”、“平面”及“轴承”，而其他连接对由于无法确定运动轴，所以不能采用。

2．几何方式设置

此种方式设置电动机时，没有可直接选用的运动轴，需要根据期望的运动形式，在两个元件上分别选取合适的几何图元，先选的图元应是驱动图元，后选的是参照图元，驱动图元所在的元件将相对于参照图元所在的元件运动，其设置方式如下。

（1）点击伺服电动机定义按钮

，在弹出的“伺服电动机定义”对话框中选择“从动图元”选框中的“几何”，弹出对话框，如图8-12所示。

（2）在驱动元件上选取点或平面，作为驱动图元。

（3）在另一个元件上选取点或平面，作为参照图元。

（4）在“运动类型”的选框中确定运动类型为平移或旋转。

（5）点击“运动方向”按钮

，选择参照图元所在的元件的轴线、边等，设置平移方向或指向。

（6）点击按钮

，可改变平移或旋转方向。

三、伺服电动机参数的设置

当设置好伺服电动机的驱动轴后，点击

按钮，在弹出的对话框（图8-13）中，进行伺服电动机的参数设置。

图8-12

“几何”方式定义伺服电动机图8-13参数定义对话框

伺服电动机的参数包括位置、速度及加速度，都指定为时间的函数以形成运动轮廓。

函数的类型如图8-14所示，函数的定义如下。

1．常数

q=常数，此函数用于定义恒定运动。

2．斜坡

q=A+B*t，（A=常量，B：

斜率）此函数用于定义恒定运动或随时间呈线性变化的运动。

图8-

14位置、速度、加速度函数图8-15“用户定义的”函数表示

3．余弦

q=A*cos（360*t/T+B）+C，（A=幅值，B=相位，C=偏移量，T=周期）此函数用于定义振荡往复运动。

4．摆线

q=L*t/T-L*sin（2*pi*t/T）/2*pi，（L=总上升数，T=周期）此函数可用于描述摆线运动。

5．用户定义的

如果机构运动的位置、速度或加速度随时间的变化不能由系统给定的函数描述，那么用户可利用“用户定义的”函数来自行定义满足要求的位置、速度或加速度参数。

该函数表示时分为两个部分。

其中，“表达式”用于描述位置、速度、加速度随时间变化的情况，“区域”则给出表达式的时间作用域，如图8-15所示。

6．表

机构运动的位置、速度或加速度随时间的变化由表函数描述。

该函数表示时分为两个部分。

第

一部分是时间，第二部分是位置、速度或加速度。

此表可在图示环境中建立，也可通过文件输入进来，文件的扩展名是.tab，表中的时间从第一行到最后一行按升序排列，如图8-16所示。

其他函数如抛物线、多项式等，用户可根据机构运动时位置、速度或加速度随时间变化的实际情况进行选择，这里不再赘述。

四、伺服电动机定义步骤

定义伺服电动机的一般操作过程：

Step1：

选择Mechanism/ServoMotors命令

Step2：

系统弹出ServoMotors对话框，单击该对话框中的New按钮。

Step3：

系统弹出ServoMotorDefinition对话框，进行下列操作：

（1）键入伺服电动机名称

（2）选择连接轴：

选择对话框中的Type（类型）标签，在该界面中进行下列操作：

1）在DrivenEntity列表框中选择JointAxis

2）设定运动方向

（3）定义运动函数：

单击对话框中的Profile标签，进行下列设置

1）选取规范（位置、速度、加速度）

2）选取运动函数

3）绘制连接轴的位置与时间的函数图形

Step4：

完成伺服电动机定义：

单击OK，单击Close。

第七节凸轮从动机构及齿轮副设置

在机械结构中，凸轮和齿轮是常见的传动机构。

本节将简单介绍凸轮从动机构和齿轮副的设置方法。

一、凸轮从动机构设置

当机构组装完成后，通过下拉菜单“应用程序/机构”进入机构模块，在此模块中，点击“定义图轮从动机构连接”按钮

，系统会弹出如图8-17所示的“凸轮从动机构连接定义”对话框，用户通过该对话框进行凸轮从动机构的设置，步骤如下。

1．名称设置

系统会自动给出凸轮从动机构的名称，默认的名称为CamFollower1、CamFollower2等，用户也可自行定义名称。

2．凸轮设置

在图8-17中，“凸轮1”用于凸轮从动机构中的凸轮接触曲面设置，设置方式有两种：

（1）指定曲面用户沿凸轮接触表面一一选取，选取完毕后，按鼠标中键。

（2）自动选取在图8-17所示的对话框中的“曲面/曲线”栏中勾选“自动选取”项，然后在凸轮曲面上挑选一个曲面，系统便会自动将所有相连曲面选为凸轮接触曲面。

3．从动件设置

当“凸轮1”定义完成后，点击“凸轮2”，可指定凸轮从动件的接触曲面，方法与“凸轮1”相同。

在图8-17所示的对话框中点击“属性”，可弹出图8-18所示对话框，用于“升离”及“摩擦”的定义。

所谓“升离”是指两个零件接触后分离的运动情况，改选项中有一个系数e，称为恢复系数，取值范围为0≤e≤1。

等于0时，两零件不分离；等于1时，两零件分开，且第一个零件将能量完全传给第二个零件。

而“摩擦”包括静摩擦和动摩擦，通过此系数的指定，可模拟凸轮机构的摩擦运动。

4．属性设置

二、齿轮副设置

当机构组装完成后，通过下拉菜单“应用程序/机构”进入机构模块，在此模块中，点击“定义齿轮副连接”按钮

，系统会弹出如图8-19所示的“齿轮副定义”对话框，用户通过该对话框进行齿轮副的设置，步骤如下。

1．名称设置

系统会自动给出齿轮副的名称，默认的名称为GearPair1、GearPair12等，用户也可自行定义名称。

图8-

17“凸轮从动机构定义”对话框图8-18“属性”设置对话框

2．齿轮类型设置

类型有标准和齿轮齿条两种，标准齿轮副包括各种直齿轮副、锥齿轮副等。

3．“齿轮1”或“小齿轮”设置

如果在齿轮类型中设置为“标准”，则接下来页签显示为“齿轮1”，否则是“小齿轮”。

无论是“齿轮1”还是“小齿轮”都必须选择一个具有旋转自由度的连接对的旋转轴作为运动轴，然后输入节圆直径。

如图8-19所示。

图8-19“齿轮副定义”对话框图8-20“属性”设置对话框

4．“齿轮2”或“齿条”设置

如果在齿轮类型中设置为“标准”，则接下来页签显示为“齿轮2”，否则是“齿条”。

“齿轮2”的设置如同“齿轮1”，而“齿条”则需要选择一个具有平移自由度的连接对的平移轴作为运动轴。

图8-21由节圆直径计算转速比图8-22由输入直径计算转速比

5．属性设置

用于指定齿轮副转速比的计算方式，其选项有两个，即“节圆直径”和“使用者定义”，如图8-20所示。

如果是“节圆直径”，则系统由前面输入的节圆直径自动给出转速比为节圆直径的反比，如图8-21所示，如果是“使用者定义”，则用户需要输入两个齿轮的直径，如图8-22所示，系统将按用户输入的直径计算齿轮副的转速比为输入直径的反比。

三、槽从动机构设置

此机构类似于一个滑槽，提供元件一个沿槽运动的功能。

设置时需要提供元件上一个点或基准点或端点，以及已有组件上的一个边或轴或曲线，保证元件沿着所选取的边或轴线或曲线滑动，如图1-23所示。

图1-23槽连接的操作过程

第八节分析、结果回放与制作播放文件

一、分析

一般过程：

Step1：

选择Mechanism/Analyses

Step2：

在弹出的对话框中，单击New按钮

Step3：

在弹出的对话框中进行下列操作：

（1）键入分析名称

（2）选择分析类型

（3）调整伺服电动机顺序

（4）定义时间周期和运动增量

Step5：

运行

Step6：

完成分析定义

二、结果回放、制作播放文件

操作过程：

Step1：

选择Mechanism/Playback

Step2：

在对话框中设定运动名称→从ResultSet下拉列表中选取一个运动名称

Step3：

开始回放演示

Step4：

制作播放文件

单击Animate对话框中的Capture按钮，再在弹出的对话框中单击OK，即可生成一个*.mpg文件，该文件可在其它软件中播放。