机构的动态分析及运动学仿真.docx

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机构的动态分析及运动学仿真

山东交通学院

2011届毕业生毕业论文（设计）

题目：

机构的动态分析及运动学仿真

系别工程机械系

专业机械设计制造及其自动化

班级

学号

姓名

指导教师

二○一一年月

摘要

摘要：

机构运动分析的任务是在一直尺寸及原动件运动规律的情况下，确定机构中其他构件上某些点的轨迹、位移、速度及加速度和构件角位移、角速度、角加速度。

这些分析无论是设计新机械，还是为了了解现有机构的性能，都是十分重要的，而且是究机械动力性能的重要前提。

现有比较重要的两种结构运动分析方法：

图解法和解析法。

基于解析法的精确性同时利用计算机的标准运算等优点，我们选择利用Pro/ENGINEERWildfire对机构进行运动的分析。

我们利用解析法对要研究的W型活塞机构建立方程，给定原动件及构件的尺寸参数，在通过Pro/ENGINEERWildfire编程来求解相关构件上一点的运动规律，并对其进行画图。

然后再利用Proe软件进行相应的仿真并画出对应点的运动参量的图线来验证我们利用Proe求解出的点的运动规律。

结果这款软件给出的对应点的运动参量（位移，速度，加速度）图线完全一致。

因此我们得出结论基于Proe的机构运动分析研究是十分科学可靠的，并且有很强的实用性，有很大的利用价值。

关键字：

机构运动分析，仿真，Pro/E建模

Abstract

Theorganizationisthetaskofmotionanalysishasbeenmovingpiecesoftheoriginalsizeandmovementofthecircumstances,determinetheorganizationofcertainothercomponentsinthelocusofpoints,displacement,velocityandaccelerationandangulardisplacementcomponents,angularvelocity,angularacceleration.Theanalysisofboththedesignofnewmachinery,ortounderstandtheperformanceofexistinginstitutionsareveryimportanttostudymechanicalpowerandisanimportantprerequisitefortheperformance.Twoofthemoreimportantstructureoftheexistingmotionanalysis:

graphicalandanalyticalmethod.Analyticalmethodbasedontheaccuracyofthestandardoperationswhileleveragingtheadvantagesofthecomputer,wechosetousePro/ENGINEERWildfireonthebodiesofsport.Weuseanalyticalmethodtostudytheestablishmentoffour-barlinkageequation,giventheoriginalsizeofmovingpartsandcomponentparameters,relatedbyPro/ENGINEERWildfireprogramtosolveapointonthemovementofcomponents,anditsdrawing.ThenuseProesoftwaresimulationanddrawthecorrespondingpointofthemotionparameterscorrespondingtothegraphtoverifythatweuseProetosolvethemovementofthepoint.Theresultsofthiscorrespondingpointsgivensoftwaremovementparameters（displacement,velocity,acceleration）oflinesexactlythesame.Therefore,weconcludebasedonkinematicanalysisofProe'sstudyisveryscientificandreliable,andhasastrongpractical,thereisgreatvalueinuse.

Keywords:

DynamicAnalysis,DynamicSimulation,Pro/Emodeling

前言…………………………………………………………………………………………4

1绪论…………………………………………………………………………………………5

1.1课题提出的背景………………………………………………………………………5

1.2课题研究的意义………………………………………………………………………5

1.3课题完成的主要工作…………………………………………………………………7

2机构运动学分析研究过程介绍……………………………………………………………8

2.1机构运动学分析………………………………………………………………………8

2.2机构运动学分析步骤…………………………………………………………………8

3机构运动学分析软件介绍…………………………………………………………………12

3.1Pro/E的主要特点……………………………………………………………………12

3.2Pro/E的运动学分析模块介绍………………………………………………………13

4实例研究……………………………………………………………………………………18

4.1创建W型活塞机构……………………………………………………………………18

4.2添加马达………………………………………………………………………………20

4.3机构的运动仿真………………………………………………………………………21

4.4分析结果和测量值……………………………………………………………………22结论…………………………………………………………………………………………27致谢…………………………………………………………………………………………29

参考文献……………………………………………………………………………………30

前言

随着科技的不断进步，制造业正向数字化、全球化、网络化的方向发展，产品的生命周期越来越短，新产品的上市速度越来越快。

计算机辅助设计/计算机辅助工程/计算机辅助制造（CAD/CAE/CAM）作为数字化技术的重要组成部分，是计算机技术在工程设计、仿真优化、制造加工等广阔领域中具有重大影响的革新技术。

CAD/CAE/CAM技术将计算机高速而准确的运算功能，大容量存储和处理数据的能力，丰富而灵活的图形、文字处理功能与设计者的创造性思维能力、综合分析及逻辑判断能力结合起来，形成一个设计者思想与计算机处理能力紧密配合的系统。

CAD主要包括数据测量、集合建模、计算分析、绘图与技术文档生成、工程数据库的管理和共享等功能。

CAE是利用计算机科学和技术的成果，建立被仿真系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。

CAM多的内容广泛，从协议上指的是数控程序的编制，包括刀具路径的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及NC代码的生成等。

作为国民经济的基础，各个国家和地区一直重视制造业的发展，CAD/CAE/CAM技术与制造业的结合使制造业发生了巨大的变革，也使制造业产生了良好的经济效益。

目前，制造企业精良的设备、优良的工作环境、优厚的待遇和高速增长的产值，不近使其在该行业中所占比重、就业人数、社会贡献位居前列，还在于制造业为新技术、新产品的开发和生产提供了重要的物质基础，是现代化经济中不可缺少的战略性产品。

CAD/CAE/CAM软件技术也在飞速发展，出现了很多软件产品，应用范围比较广泛的有：

Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidWorks、ANSYS、Mastercam、CATIA、Inventor等。

由于Pro/ENGINEERWildfire3.0中的机构运动仿真模块Mechanism可以进行装配模型的运动和仿真，使得原来在二维图样上难以表达和设计的运动变得非常直观和易于修改，并在Pro/ENGINEERWildfire3.0中，运动仿真的结果不但可以以动画的形式表现出来，还可以以参数的形式输出，从而可以获知零件之间是否干涉、干涉的体积有多大等。

根据仿真结果对所设计的零件进行修改，直到不产生干涉为止。

可以应用电动机来生成要进行研究的运动类型，并可使用凸轮和齿轮设计功能扩展设计。

当准备好要分析运动时，可观察并记录分析，或测量诸如位置、速度、加速度或力等量，然后以图形表示这些测量。

也可以创建轨迹曲线和运动包络，以用物理方法描述运动。

所以笨课题是在CAD软件Pro/Engineer环境中运行。

通过对软件的学习和设计实例的应用，可以证明合理运用三维设计软件的动态仿真技术，可使设计工作更为直观、准确和快速。

从而提高企业的设计效率，减轻技术人员的劳动强度，缩短产品的设计周期。

基于以上思想，本文就W型活塞机构三维实体造型和仿真分析，并对应用过程中出现的问题作了分析，包括关键位置的速度、加速度、位置线图、动态仿真动画以及从不同的角度输出的活塞机构的运动过程。

本文用四章的篇幅层层展开，详细地介绍了动态仿真技术及运动学分析研究在三维软件中的应用，并且图文并茂的详细讲解介绍了动态仿真技术及运动学分析的具体运用。

最后通过实例研究——对W型活塞机构的三维实体建模、装配，添加各约束马达，对模型进行运动仿真,测量结果,获得轨速度、加速度、位置线图曲线。

通过这一实例设计，说明了动态仿真技术及运动学分析研究的应用价值，进一步验证了课题的可行性。

第1章绪论

1.1课题提出的背景

制造业是现代国家经济和综合国力的基础，是一个国家经济发展的重要支柱，是国民收入的重要来源。

随着科学技术的飞速发展，全球正在逐渐形成了一个统一的市场，结果导致了激烈的市场竞争，主要表现在客户需求不断变化、产品生命周期越来越短、产品更新换代越来越快、产品质量更高、价格越来越便宜、技术含量越来越高、服务越来越好。

随着市场竞争越来越激烈和变化迅速，制造企业为了在竞争中求生存，必须尽力缩短产品开发周期和提高产品质量，以优良的性能价格比参与竞争。

随着我国市场经济的快速发展，特别是中国在加入了WTO以后，企业正面临着持续多变和无法预测的全球化市场竞争。

要使中国的制造业在激烈竞争的市场环境中生存下来,并占有一席之地，企业就必须不断的革新和创造。

众所周知，新产品的开发是一个极其复杂的过程，传统的机构设计要历经很多环节，如明确设计任务、方案构思、初步设计、技术设计、样机试制试验以及反复修改实验数据等一系列繁琐复杂过程。

整个设计过程时间长、效率低，尤其是样机的试制试验，更是一个消耗材料、加工设备、人力和时间等资源的过程。

基于动态仿真技术及运动学分析研究就是在这种状况下不断改进提出的。

随着现代科学技术的发展，工程设计及其研究工作已经开始从二维CAD设计发展为三维动态结构设计。

当今比较流行的Pro/ENGINEER软件，不仅能够实现机械二维和三维动态造型仿真设计、机械设计、模具设计、加工制造设计，而且还能够实现机构仿真、结构分析、优化设计、电路设计以及数据库管理等多种技术目的。

三维设计软件无论从易用性、设计的高效率，还是功能的实用性上都达到一个新的定点，这必将发挥计算机的最大作用，使制造业的发展前进一大步。

1.2课题研究的意义

ISO标准《数据处理词汇》原本给出这样的解释：

模拟（Simulation）是指选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一个系统来表示它们的过程。

仿真（Emulation）是指用另一数据处理系统，主要用硬件来全部或部分地模仿某一数据处理系统，以致于模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。

所谓仿真模拟，即是外形仿真、操作仿真、视觉感受仿真，使用真实的汽车模型或其他等比例的飞机、飞船等模型作为参与者的操控平台，利用VR技术（虚拟现实技术），通过实际操作，使参与者有身临其境的切身体会。

以汽车驾驶为例，在车体内辅以方向盘、档位装置和油门踏板、刹车踏板等输入装置作为参与者对车辆控制的界面，能够控制虚拟的车辆在视景中形式，并且车辆的运动在一定程度上符合真实车辆的运动。

在车体模型前放置大屏幕，利用单通道或多通道技术装置在车体模型前形成尽量大的视景，作为车辆控制的视觉回馈。

在车内相应位置安装速度表，转速表等装置作为车辆行驶信息的反馈，参与者看到较为真实的虚拟道路景象。

同时，在车内配以音响装置，作为操作中汽车发动机及路面噪声、空气噪声的回馈装置，给予参与者操控的声音回馈。

对一个工程技术系统进行模拟仿真，包括了建立模型、实验求解和结果分析三个主要步骤。

1.建立系统数学模型

模拟仿真是一基于模型的活动，是用模型模拟来代替真实系统进行实验和研究。

因此，首先就要对待仿真的问题进行定量描述，这就是建立系统的数学模型。

模型是对真实世界的模仿，真实世界是五彩缤纷的，因此模型也是千姿百态的；根据模型中是否包含随机因素，可分为随机型和确定型模型；根据模型是否具有时变性，可分为动态模型和静态模型；根据模型参数是否在空间连续变化，可分为分布参数模型和集中参数模型；根据模型参数是否随时间连续变化，可分为连续系统模型和离散系统模型；根据模型的数学描述形式，又可分为常微分方程、偏微分方程、差分方程、离散事件模型等。

2.仿真计算　　

仿真计算是对所建立的仿真模型进行数值实验和求解的过程，不同的模型有不同的求解方法。

例如：

对于连续系统，通常用常微分方程、传递函数，甚至偏微分方程对其进行描述。

由于要得到这些方程的解析解几乎是不可能的，所以总是采用数值解法，如：

对于常微分方程主要采用各种数值积分法，对于偏微分方程则采用有限差分法、特征法、蒙特卡罗法或有限元方法等。

又例如：

对于离散事件系统，通常采用概率模型，其仿真过程实际上是一个数值实验的过程，而这些参数又必须符合一定的概率分布规律。

对于不同类型的离散事件系统（如随机服务系统、随机库存系统、随机网络计划等）有不同的仿真方法。

随着被仿真对象复杂程度的提高和对仿真实时性的迫切要求，研究新的仿真算法一直是一项重要的任务，特别是研究各种并行的仿真算法。

3.仿真结果的分析　　

要想通过模拟仿真得出正确、有效地结论，必须对仿真结果进行科学的分析。

早期的仿真软件都是以大量数据的形式输出仿真的结果，因此有必要对仿真结果数据进行整理，进行各种统计分析，以得到科学的结论。

现代仿真软件广泛采用了可视化技术，通过图形、图表，甚至动画生动逼真地显示出被仿真对象的各种状态，使模拟仿真的输出信息更加丰富、更加详尽、更加有利于对仿真结果的科学分析。

合理运用三维设计软件的动态仿真技术，可以使设计工作更为直观、准确和快速。

从而提高企业的设计效率，减轻技术人员的劳动强度，缩短产品的设计周期。

运动仿真有助于设计人员从一开始就获得产品模型，因此，它可以提高产品质量和发扬设计优点，并减少开发时间、原型和成本，使得产品设计更加快捷，提高产品的设计效率。

这样就提高整个企业的生产效率，就能更快的满足客户的需求，并能根据市场需要及时做出反应，设计出市场急需的产品，能够的快速实现产品创新过程。

超越其竞争对手，最终实现市场新产品的占有率，增强企业的竞争实力，使企业在竞争中立于不败之地。

1.3课题完成的主要工作

1.深入的了解机构的动态仿真及运动学分析的主要定义及主要内容；

2.掌握动态仿真及运动学分析在机械设计中的应用；

3.选定运动学分析的相关软件并掌握其分析过程；

4.介绍Pro/e软件的运动分析模块

5.选定实例机构对其进行机构的动态仿真及运动学分析；

6.分析总结设计中所发现的问题，完善不足

第2章机械运动学分析研究过程介绍

2.1机械运动学分析

2.1.1机构运动学的定义

机构运动学是研究构成机构要素的惯性和机构中各元、部件的刚性引起振动的一门学科。

机械动力学是机械原理的主要组成部分。

它研究机械在运转过程中的受力、机械中各构件的质量与机械运动之间的相互关系，是现代机械设计的理论基础。

研究机械运转过程中能量的平衡和分配关系。

主要研机构动力学是研究构成机构要素的惯性和机构中各元、部件的刚性引起振动的一门学科。

机械动力学是机械原理的主要组成部分。

它研究机械在运转过程中的受力、机械中各构件的质量与机械运动之间的相互关系，是现代机械设计的理论基础。

研究机械运转过程中能量的平衡和分配关系。

主要研究的是：

在已知外力作用下，求具有确定惯性参量的机械系统的真实运动规律；分析机械运动过程中各构件之间的相互作用力；研究回转构件和机构平衡的理论和方法；机械振动的分析；以及机构的分析和综合等等。

究的是：

在已知外力作用下，求具有确定惯性参量的机械系统的真实运动规律；分析机械运动过程中各构件之间的相互作用力；研究回转构件和机构平衡的理论和方法；机械振动的分析；以及机构的分析和综合等等。

机构运动学是研究构成机构要素的惯性和机构中各元、部件的刚性引起振动的一门学科。

机械运动学是机械原理的主要组成部分。

它研究机械在运转过程中的受力、机械中各构件的质量与机械运动之间的相互关系，是现代机械设计的理论基础。

研究机械运转过程中能量的平衡和分配关系。

主要研究的是：

在已知外力作用下，求具有确定惯性参量的机械系统的真实运动规律；分析机械运动过程中各构件之间的相互作用力；研究回转构件和机构平衡的理论和方法；机械振动的分析；以及机构的分析和综合等等。

2.1.2机构运动仿真工作流程

1.机构运动设计工作流程

在机构运动设计研究中，用户可以通过添加运动副，使其随伺服电动机一起移动，并且在不考虑作用于系统上的力的情况下分析其运动。

使其运动分析可观察机构的运动，并测量主体位置、速度和加速度的改变。

然后用图形表示这些测量，或者创建轨迹曲线和运动包络。

根据以上分析，机构运动仿真总体上可以分为6个部分：

创建图元、检测模型、添加建模图元、准备分析、分析模型和获取结果。

如图2.1所示为机构运动设计的工作流程。

2.机构动态分析工作流程

如果想研究所施加的力对机构运动产生的影响，就要用到机构动态分析。

机械动态分析中包括多个建模图元，例如弹簧、阻尼器、力/扭矩负荷以及重力等。

可根据电动机所施加的力及其位置、速度或加速度来定义电动机。

除进行位置和运动分析外，还可运行动态、静态和力平衡分析，也可以创建测量、以及检测连接点上的力以及点、顶点或运动轴的速度或加速度。

可确定在分析期间是否出现碰撞，并可使用脉冲测量定量由于碰撞而引起的动量变化。

根据以上分析，动态分析总体上可以分为6个部分：

创建图元、检测模型、添加建模图元、准备分析、分析模型和获取结果。

机构动态分析的工作流程与机构运动设计的工作流程大体相同，但机构动态分析中增加了许多功能，比如可以添加弹簧、阻尼器、力/扭矩负荷以及重力和执行电动机等建模图元，从而除了可以对机构进行运动和位置分析，还可以对机构进行动态分析、静态分析和力平衡分析。

如果要研究机构对施加力所产生的运动，就要用到机构动态分析。

机构动态分析的工作流程如图2.2所示

图2.1机械运动设计工作流程

Fig.2.1mechanicalmotiondesignworkprocess

图2.2机构动态分析工作流程

Fig.2.2Agenciesworkingflowdynamicanalysis

2.2运动学分析的步骤

2.2.1机构运动学工作流程

在Mechanism工作环境中，使用机构运动学可观察研究机构的运动、测量体零件的位置、速度、加速度。

机构运动学工作流程如图2.3

图2.3机构运动学工作流程

Fig.2.3Kinematicsworkflow

（1）创建模型：

包括定义体、建立连接、定义连接轴以及根据设计需要选择是否建立凸轮-随动件连接、槽轮-随动件连接或齿轮副连接。

（2）检查模型：

在装配模型中，拖动可移动的零件，观察模型的装配连接情况。

（3）添加模型化要素：

在机构中添加伺服马达。

（4）为分析做准备：

定义初始位置，建立测量方式。

（5）分析模型：

执行运动学分析。

（6）获得分析结果：

回放结果，检验零件间的干涉情况，观察测量结果，获得轨迹曲线，获得运动包络线等。

2.2.2机构动力学工作流程

在机构动力学中，可以根据机构中各要素需要的力、各要素的位置、速度及加速度定义马达，可执行机构的动力、静力及力平衡分析，也可以建立多种测量类型检测机构中个零件的受力、速度、加速度等情况。

机构动力学工作流程如图2.4。

图2.4机构动力学工作流程

Fig.2.4Dynamicworkflow

（1）创建模型：

包括定义机构中的体、在机构中分析质量属性、建立零件间的连接、设定连接轴的属性，根据设计需要，添加凸轮-随动件、槽轮-随动件连接、齿轮副连接，设定仿真冲击或仿真摩擦损失的恢复系数或摩擦系数。

（2）检查模型：

在装配模型中，拖动可移动的零件，观察模型的装配连接情况。

（3）添加模型化要素：

应用添加伺服马达、应用力马达、应用阻尼器、定义力/力矩的大小、定义引力（重力）。

（4）分析模型：

进行运动学分析、进行动力学分析、进行静态分析、进行平衡分析、进行重复装配分析。

（5）获得分析结果：

回放结果，检验零件间的干涉情况，观察测量结果，获得轨迹曲线，获得运动包络线等。

第3章机构运动学分析的软件介绍

3.1Pro/E的主要特点

3.1.1Pro/E的特点

（1）Pro/E软件以参数化著称，是第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题；是参数化技术的最早应用者，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，在国内产品设计领域占据重要位置。

（2）Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。

它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上；它采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。

（3）基于特征建模Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。

这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

（4）单一数据库（全相关）Pro/E是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。

所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。

换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动