第十一讲ProEngineer下的机构运动仿真

1、第十一讲 ProEngineer下的机构运动仿真内容与要求：Pro/Engineer的机构运动仿真功能可以使原来在二维图纸上难于表达和设计的运动变得非常直观和易于修改，并且能够大大简化机构的设计开发过程，缩短其开发周期，减少开发费用，同时提高产品质量。本讲介绍机构添加运动副、驱动器的方法实现机构的运动仿真及完成机构运动仿真后，运用机构中的后处理功能查看当前机构的运动，并且对机构进行运动轨迹、位移、运动干涉情况的分析，以便研究机构模型等内容。本讲应达到如下目标：l 了解机构仿真的特点及过程；l 了解机构仿真中基本术语与常用工具按钮；l 掌握机构的连接方式；l 掌握动画仿真的技术技巧和制作。第一节

2、 概 述一、机构仿真的特点及过程1、机构的特点机构是由构件组合而成的，其中每个构件都以一定的方式至少与另一个构件相联接，这种联接既使两个构件直接接触，又使两构件能产生一定的相对运动。机构仿真主要包括2个步骤：第一是创建机构；第二是添加驱动器。其中创建机构的过程与零件装配的过程极为相似。创建机构添加驱动器进行机构仿真分析仿真结果图11-1 机构运动仿真的流程图相似点：1）两者皆利用“元件放置”对话框联接或安装零件；2）装配和子装配之间的关系相同，Pro/Engineer将连接信息保存在装配文件中，这意味着父装配继承了子装配中的连接定义。不同处：1）创建机构是应用“元件放置”对话框的“连接”功能联

3、接机构中的各个构件；而零件装配直接在“元件放置”对话框通过定义装配约束关系来安装各个零部件。2）由零件装配得到装配体，其内部的零部件之间没有相对运动；而由联接得到的机构，其内部的构件之间可以产生一定的相对运动。3）创建机构以后必须添加驱动器才能进行机构运动仿真。2、运动仿真的过程 机构运动仿真总体下可分成四个部分：创建机构，添加驱动器，进行机构仿真以及仿真结果，图11-1即为机构运动仿真的流程图。1) 创建机构：与零件装配相同，在创建机构之前必须在零件设计模式下完成所有构件（零件）模型的建立。将机构所要涉及到的所有构件复制到同一目录下用于机构创建，进而完成机构设计和运动仿真分析。创建机构主要包

4、括新建机构文件、载入主体机构、定义连接和约束等操作。步 骤：l 新建机构文件【文件】【新建】单击 打开新建对话框Ctrl+N ד使用缺省模板（inlbs_asm_design）” “mmns_asm_design”或通过“浏览”读取模板 【确定】“类型” “组件”“子类型” “设计”“名称”“xin_asm”【确定】 “新建”中选择 “新文件选项”中选择l 载入主体构件主体构件也称作机架，就是机构的参考系统。【插入】【元件】【装配】单击在【打开】中选择作为机架的构件。系统显示【元件放置】对话框，单击该对话框中的“确定”即可。 l 定义联接和约束机构运动仿真必须同时定义联接和约束，载

5、入主体构件后要求载入第二个构件并进行联接和约束。【插入】【元件】【装配】，在【打开】中选择需载入的另一构件。系统显示【元件放置】对话框，单击“连接”选项将该选项展开，用于定义该构件的连接定义，完成后单击“确定”即可。其他构件的载入方法与此相同。2) 添加驱动器由于机构由原动件、机架、从动件3个部分组成，在完成连接和约束建立机构后，要在原动件上添加驱动器。单击【应用程序】【机构】，界面上出现“机构”工具按钮。3) 进行机构仿真完成原动件驱动器添加后，要求对其定义运动类型，以此来进行机构运动仿真。通过【运动定义】完成运动类型的新增、编辑、删除和复制等操作，以及进行运动仿真。4) 查看和分析仿真结果

6、运用机构中的后处理功能可以查看当前机构的运动，并且可以对机构进行运动轨迹、位移、运动干涉情况分析，以便更好地研究机构模型。二、机构仿真的基本术语与常用工具按钮1、基本术语l 放置约束：向组件中放置元件并限制该图元运动的几何关系；l 自由度：构件所具有的独立运动数目（或确定构件位置所需的独立参变量的数目）；l 主体/构件：一个元件或相对不动的一组元件；l 连接：机械学中称其为联接，用于定义并限制相对运动的构件之间的关系。联接的作用是约束构件之间的相对运动，减少机构的总自由度；l 环连接：增加到运动环中的最后一个连接；l 接头：指连接类型（例如销连接、滑动杆连接等）；l 基础：即大地或者机架，它是

7、一个固定不动的零件。其他构件相对于基础运动。可以定义多个基础；l 运动：服从驱动器的构件运动方式；l 拖动：用鼠标抓取并在屏幕上移动机构；l 驱动器/伺服电机：定义一个构件相对于另一个构件运动的方式，l 回放：记录并重新演示机构运动。可以在接头或几何图元上放置驱动器，并指定构件之间的位置、速度或加速度运动；2、常用工具按钮当用户进入机构模块时，工具栏中出现图11-2所示的常用工具按钮。 图11-2 常用工具按钮 图11-3 “显示图元”对话框：“机械图标显示”按钮。单击该按钮弹出“显示图元”对话框，如图11-3所示，从该对话框中可以选择要在主窗口模型中显示的图元。:“定义凸轮”按钮。单击该按钮

8、弹出“凸轮从动机构连接”对话框，如图11-4所示，从该对话框中可以创建凸轮机构联接。:“定义凹槽”按钮。单击该按钮弹出“槽从动机构连接”对话框，如图11-5所示，从该对话框中可以创建一个凹槽机构联接。图11-4 “凸轮从动机构连接”对话框图11-5 “槽从动机构连接”对话框:“定义伺服电动机”按钮。单击该按钮弹出“驱动程序”对话框，如图11-6所示，从该对话框中可以创建一个驱动器。图11-6“伺服电动机”驱动对话框：“定义齿轮副连接”按钮，从该对 话框中可以创建一个齿轮副连接。:“拖动元件”按钮单击该按钮弹出“拖移”对话框，如图11-7所示，从该对话框中可以拖动构件到指定的位置并且拍取快照等。

9、:“执行运动”按钮。单击该按钮弹出“运动定义”对话框，如图11-8所示从该对话框中可以增加、编辑、删除、复制或执行一个机构运动。图11-7 “拖移”对话框图11-8 “运动定义”对话框:“回放”按钮。单击该按钮弹出“结果回放”对话框，如图11-9所示，从该对话框中可以回放或演示当前的机构运动，同时也可以将机构运动仿真结果保存到一个文件、或恢复先前保存的仿真结果、或输出仿真结果。:“测量仿真结果”按钮。单击该按钮弹出“测量结果”对话框，如图11-10所示，图11-9 “结果回放”对话框图11-10 “测量结果”对话框从该对话框中可以选取要进行分析、测量的仿真结果。3、机构运动仿真菜单1） 模型l

10、 【加亮主体】：【视图】【加亮主体】l 【重定义主体】：【编辑】【重定义主体】l 【连接轴设置】、【凸轮】、【槽】、【伺服电机】：“机构”主菜单中 2） 连接：用来锁定或解锁主体单击“”，弹出图11-8所示的“分析”对话框，在该对话框中单击“新建”按钮，弹出“分析定义”对话框，在机构模型中选取要锁定或解锁主体，并单击“运行”，系统将自动锁定或解锁主体。3） 拖移/拖动：用于拖动构件到指定的位置并且拍取快照。4） 运动分析:同按钮“”5） 结果l “回放”按钮l “测量仿真结果”按钮。6） 设置【编辑】【设置】7） 调试【工具】【调试】 三、构件的连接类型在Pro/Engineer中，应用“元件

11、放置”对话框中的“连接”功能可以联接机构中的各个构件。单击“元件放置”对话框的“连接”选项，如图11-11所示，可指定机构中各个构件之间的连接类型，如图11-12所示。 图11-11 元件放置对话框连接类型共有8种，分别为：（1）刚性：自由度为零（即旋转自由度与平移自由度均为零）。此连接可以使构件成为机架（即与大地连接），从而完全固定不动。（2）销钉：只有一个旋转自由度，可绕指定轴旋转。（3）滑动杆：只有一个平移自由度。可沿指定轴或边移动。（4）圆柱：有一个平移自由度和一个旋转自由度。此连接允许构件沿指定的轴平移并允许相对于该轴旋转。（5）平面：有一个旋转自由度和两个平移自由度。此连接允许构件

12、在一个平面内平移和绕该平面的法向旋转。（6）球：有三个旋转自由度，但没有平移自由度，即球绞链，此连接允许两构件在连接点任意旋转。（7）焊接：自由度为零（即旋转自由度与平移自由度均为零）。此连接可以使两个构件完全固定不动。（8）轴承：有三个旋转自由度和一个平移自由度，此连接允许两构件沿指定轴平移并可以在连接点作任意旋转。刚性连接，自由度为0，零件装配处于完全约束状态。滑动连接，自由度为1，零件可沿某一轴平移。缸连接，自由度为2，零件可沿某一轴平移或旋转。平面连接，自由度为2，零件可在某一平面内移动或绕该面法线旋转。球连接，自由度为3，零件可绕某点旋转，不能进行平移。轴承连接，自由度为4，零件可自

13、由旋转，并绕某轴平移。焊接，自由度为0，两零件刚性连接在一起（坐标系约束）。销连接，自由度为1，零件可沿某一轴旋转。 图11-12 装配连接类型2、各种连接应满足的约束条件1、以销钉方式连接时，应满足的约束条件是：l 轴对齐：有两个自由度(绕轴旋转和沿轴平移)l 平移：以“匹配”或“对齐”方式约束装配零件的平移，使平移自由度为零2、以滑动杆方式连接时，应满足的约束条件是：l 轴对齐：有两个自由度(绕轴旋转和沿轴平移)l 旋转：以“匹配”或“对齐”方式约束装配零件的平移，使旋转自由度为零3、以圆柱杆方式连接时，应满足的约束条件是：l 轴对齐：有两个自由度(绕轴旋转和沿轴平移) 4、以平面方式连接

14、时，应满足的约束条件是：l 平面：可在一平面内自由移动或绕该平面的法线转动5、以球方式连接时，应满足的约束条件是：l 点对齐：零件可绕某点旋转但不能平移6、以焊接方式连接时，应满足的约束条件是：l 坐标系：完全约束7、以轴承方式连接时，应满足的约束条件是：l 点对齐：零件可自由旋转并可沿某轴平移四、模型树进入机械模块后，将出现相应的模型树部分，包括与模型相关的廉洁、电动机、分析和回放等。选取模型树上的图元时，模型将加亮显示。选取“重心”时，加亮基础主体，并显示一个指向重力加速度方向的箭头。右键单击模型树上的某个项目时，出现一个快捷菜单，选取对象不同，现实的快捷菜单也不同。如果有多个连接或电动机

15、，在模型树中查找特定的连接或电动机于在模型上选取相比更为方便。第二节 动画仿真的技术技巧和制作在组件模式中，仿真的关键技术即定义装配关系，也就是“无件放置”中的连接关系，只有把连接中的八种关系定义正确，以下在定义驱动器完成后方能使机构按预定的轨迹运动，这点非常重要。下面就以一个简单的组件的仿真来说明这一点。123图11-13 动画设置例：曲柄滑块机构动画仿真（图11-13所示）标注1：圆柱与曲柄用“销钉”连接，即：保证曲柄以圆柱为中心，绕其旋转，具体定义如图11-14所示；标注2：连接杆和曲柄之间也是销钉连接，如图11-15所示；标注3：滑块和连接杆之间为销钉连接；滑块和板之间为平面连接，即有

16、一个旋转自由度和两个平移自由度。允许滑块在平面内平移和绕该平面的法向旋转，其定义如图11-16所示。图11-16 滑块定义图11-14 曲柄的连接定义图11-15 连接杆的定义一、创建一个机械装置的机械运动仿真的一般操作过程1、 创建机构l 在零件模式下完成所有零件的创建；l 将机构所要涉及到的所有零件复制到同一目录下； l 设置工作目录为所有零件所在的文件夹；l 新建一个连接装配体文件，并载入构件；l 定义“连接”类型及调整构件形态（“元件放置”“移动”）。2、 添加驱动器（伺服电动机）l 单击“应用程序”“机构”，系统将添加“机构”主菜单；l 单击模型树上右键单击“电动机”“伺服”命令按钮

17、“机构”“伺服电动机” “新建”，系统弹出“伺服电动机定义”对话框，对话框中有“类型”和“轮廓”两个选项卡； 类型：用于为伺服电动机选择从动实体。选择曲柄与基架的连接轴A4为连接轴。电机名称连接轴驱动器，用于创建沿某一方向明确定义的运动。几何驱动器，用于创建复杂的三维运动如螺旋或其他曲线 轮廓 轮廓：用于设置伺服电动机的运动轮廓线。选择轮廓的规范为“速度”，速度的“模”为“常数”，A的值为“20”，单击“应用”或“确定”。l 在“类型”和“轮廓”两个选项卡中填入相应的设置值，可以单击“图形”查看；l 如有必要，可对驱动器进行编辑、复制和删除。3、 定义初始条件模型树上右键单击“初始条件” “新

18、建”/“机构” “初始条件” “新建”，在弹出的“初始条件定义”对话框中输入“初始条件名称”、快照选择“当前屏幕”，然后单击“定义角速度”按钮，并在图形窗口选择相应的原动件，“模”的值输入“20”，单击“确定”完成初始条件的定义。4、 运动定义模型树上右键单击“运动定义” “新建”/“机构” “分析” “新建”，在弹出的“分析定义”对话框中输入“分析定义名称”、“类型”选项卡选择“运动学”、在“优先选项中”“图形显示”的“开始事件”设为“0”、“终止时间”设为“40”、“帧频”设为“10”、“最小间隔”设为“0.1”。单击“电动机”选项卡中的“运行”按钮，可以预览机构的运行情况。 5、回放 模型树上右键单击“回放” “播放”/“机构” “回放”/单击“”，弹出“回放”对话框，单击“播放当前结果集”可在弹出的“动画“对话框”中设置播放的速度、进程等，并可“捕获”当前播放的机构的屏幕演示（不能保存为Pro/E文件，只有在“应用程序” “动画”中获得的动画文件采能保存为Pro/E文件）。 二、用拖动方式建立动画的一般操作步骤* 在装配体中进行动画特性操作1、创建机构l 在零件模式下完成所有零件的创建；l 将机构所要涉及到的所有零件复制到同一目录下；l