ProE机构运动仿真设计及分析

1、商用车动力总成工程中心商用车动力总成工程中心20212021年年1212月月2525日日Pro/E机构运动仿真设计及分析内内 容容机构设计基础实例：曲柄活塞连杆机构装配机构动力学分析实例：利用机构运动画凸轮型线一、机构设计基础一、机构设计基础 在Pro/E中的应用程序机构模块进行装配的运动学分析和仿真。结果可以以动画的形式表示，也可以以参数和数值的形式输出。 可以检查运动件是否产生干涉，干涉体积，运动件的轨迹等。 还可以进行运动的优化设计。 机构仿真主要术语。机构仿真主要术语。序号名称含义1主体（body）一个元件或彼止无相对运动的一组元件，主体内自由度=0。2基础（ground）不移动的主体

2、，其它主体相对于基础运动。3连接（connections)定义并约束相对运动的主体之间的关系。4自由度（Degrees of Freedom)允许的机械系统运动。连接的作用是约束主体之间的相对运动，减少系统可能的总自由度。5执行电动机（Force Motor）作用于旋转轴或平移轴上（引起运动）的力。6机构（Joints）特定的连接类型（例如销钉机构、滑块机构和球机构）7齿轮副连接（Gear Pair Connection)应用到两连接轴的速度约束。8伺服电动机（Servo Motor)定义一个主体相对于另一个主体运动的方式，可在机构或几何图元上放置电动机，并可指定主体间的位置、速度或加速度运动

3、。9LCS与主体相关的局部坐标系。LCS是与主体中定义的第一个零件相关的缺省坐标系10WCS全局坐标系。组件的全局坐标系，它包括用于组件及该组件内所有主体的全局坐标系。 Pro/E运动学分析主要的要素是连接、动力和运动连接、动力和运动。必须采用连接方式建立装配才可以运动。PRO/E一般的装配要求零件是0自由度，而连接装配是根据需求赋予零件相对应的多个自由度，使之成为可以运动的结构。 机构连接形式: 序号名称自由度说明旋转平移100使用一个或多个基本约束，交元件与组件连接在一起，连接后，元件与组件成为一个主体，相互间没有自由度。210由一个轴对齐约束加一个与轴垂直的平移约束组成。元件可以绕轴旋转

4、，不能平移。例如，活塞销，齿轮、曲轴等。301由一个轴对齐约束与一个旋转约束组成，元件可沿轴平移，但不能旋转。如活塞。411由一个轴对齐约束组成，元件可绕轴旋转同时可沿轴向平移。如挺柱、气门等。512由一个平面约束组成，元件可在平面上移动（可指定偏移量），且能绕垂直于平面的轴旋转。630由一个点对齐约束组成，元件可绕着对齐点任意旋转。如挺柱与挺杆的连接。700两个坐标系对齐，元件自由度完全消除。焊缝连接与刚性连接是有本质区别的。刚性连接带有“连接设计”的子组件装配到主组件时，子组件连接将不能运动。831由一个点对齐一条直边或轴线的约束组成。与机械上的“轴承”不同。933由元件坐标系和组件坐标系

5、重合来使元件和组件发生关联，但元件可任意旋转和平移，一般不常用。103由两个主体间的一个点和一曲线连接，从动件上的一个点，始终在主动件上的一根曲线上运动，不检查两个主体是否干涉。实例参考。11XX自定义组合约束，可根据需要指定一个或多个基本约束来形成组合约束。槽连接例子 机构特殊连接 机构的连接是在机构工作台中进行定义的，PROE5.0中有4种特殊的连接。序号名称说明1凸轮连接凸轮连接需指定两个主体上的各一个（或一组）曲面或曲线，利用凸轮的轮廓控制从动件的运动规律。如发动机凸轮轴控制摇臂的运动。23D接触元件不作任何约束，只是对3D模型进行空间点重合来使元件与组件发生关联。元件可任意旋转和平移

6、。3齿轮连接用来控制两个旋转轴之间的速度关系。在定义齿轮前，需先定义含有旋转轴的机构连接（如销钉）4带传动通过两个带轮曲面与带平面重合连接。两带轮在装配中就进行销钉连接。按CTRL选两带轮的曲面二、实例：曲柄活塞二、实例：曲柄活塞连杆机构装配连杆机构装配此机构中基础件为机体（也可以用机体总成骨架），活塞在气缸中上下运动，不能旋转，活塞采用滑动杆连接。关键有四组相同的活塞连杆机构，因此活塞连杆可单独装配成一个小机构，然后再往曲轴和缸体上连接。活塞连杆机构单独装活塞连杆机构单独装配为一个机构，活塞配为一个机构，活塞销及活塞往连杆合件销及活塞往连杆合件上装配，均采用销钉上装配，均采用销钉连接连接检查

7、需装配的每个检查需装配的每个主体，添加必要的主体，添加必要的旋转轴和对齐平面旋转轴和对齐平面新建装配，新建装配，装配缸体或装配缸体或骨架模型骨架模型曲轴按销钉曲轴按销钉连接装配到连接装配到基础上基础上分别按销钉连接和滑分别按销钉连接和滑动杆连接装配活塞连动杆连接装配活塞连杆机构的连杆大头和杆机构的连杆大头和活塞活塞装配流程：装配流程： 活塞连杆机构装配 先装连杆，采用坐标系对齐方式采用销钉连接装配活塞销，对齐中间平面销钉连接装配活塞，注意需选择同一主体的轴和平面技巧：装配完成后可以按住CTRL+ALT键，按鼠标左键拖动零件可检查零件的运动情况。 曲轴及活塞连杆机构装配基础件机体按坐标系对齐装配

8、，曲轴按销钉连接装配到缸体上，对齐止推轴承中心面。活塞连杆机构的装配注意需要添加两个连接。连杆大头销钉连接到曲柄销，活塞在缸孔内滑动杆连接。 运动影片运动影片三、机构动力学分析三、机构动力学分析 在PROE5.0中,运动仿真和动态分析功能集成于机构模块中,包括机械设计和动态分析两方面的分析功能.在机构动力学分析中简单一种的是不涉及重力、弹簧、阻尼、力和力矩等的分析，实现机构的运动模拟，可以观察并测量记录如位置、距离、速度、加速度等运动特征，并可以通过图形直观地显示这些测量值。 另外一种可以在机构上定义重力、弹簧、阻尼、力和力矩等特征，对机构设置材料、密度等属性，使其更加接近现实中的机构，达到真

9、实模拟现实的目的。创建模型 运动学分析流程检查模型添加模型化要素准备进行分析分析模型获取分析结果创建模型：创建模型：建立模型是设计运动仿真的基础步骤，只有机构模型建立正确合理，机构的模拟才能够顺利进行。主要包括定义机构中的主体、建立连接、设置连接轴属性，根据设计需要，添加凸轮、槽轮、齿轮副、带轮副等特殊连接。检查模型：检查模型：在装配中，拖动可以移动的零部件，观察装配连接情况。添加模型化要素：添加模型化要素：在机构中添加伺服电机等运动分析要素。准备进行分析：准备进行分析：定义初始位置，建立测量方式。创建分析模型：创建分析模型：对所创建的机构模型进行运动学分析。获取分析结果：获取分析结果：可以使

10、用回放功能对分析结果进行回放，进行零件之间的干涉检查，观察测量结果，获取轨迹曲线和运动包络线，了解机构的设计合理性，可行性等工程分析。 进入机构工作界面在PROE装配模块下，点击应用程序-机构,进入机构工作台,快捷菜单如下:模型工具栏模型工具栏动态工具栏动态工具栏运动工具栏运动工具栏 结构树结构树在机构模块中包含模型树、机构树模型树、机构树两种结构树，分别对机构模型特征和动力学分析特征进行管理。使用右键菜单对特征进行更改、查询等操作。 拖动和快照 (检查模型) 机构完成连接定义后，可以使用拖动功能，来查看定义是否正确。可以使用快照功能对拖动后结果拍照保存，快照结果也可以应用于动画模快的设计。菜

11、单视图-方向-拖动元件 左键点需要拖动的元件,然后进行拖动. 定义伺服电动机 (添加模型化要素)选取运动轴，曲柄连杆机构选选取运动轴，曲柄连杆机构选择曲轴的销钉连接图标择曲轴的销钉连接图标反向按钮改变旋向反向按钮改变旋向定义轮廓，定义轮廓，“规范规范”为位置时模选为位置时模选项定义为斜坡曲轴旋转一圈项定义为斜坡曲轴旋转一圈360360度，度，图形中可以查看定义的轮廓，横坐图形中可以查看定义的轮廓，横坐标为时间标为时间【伺服电机】分为两种，一种是连接轴伺服电机，用于定义某一旋转轴的旋【伺服电机】分为两种，一种是连接轴伺服电机，用于定义某一旋转轴的旋转运动，可用于运动分析，另一种是几何伺服电机，不

12、能用于运动分析。转运动，可用于运动分析，另一种是几何伺服电机，不能用于运动分析。机构完成连接定义后，需要给机构添加伺服电动机才能驱使机构运动.定义轮廓，定义轮廓，“规范规范”为速度时，定义为常数，表示一秒钟旋转的角度。为速度时，定义为常数，表示一秒钟旋转的角度。 模函数共有九种：常数、斜坡、余弦、SCCA、摆线、抛物线、多项式、表、用户定义的。以下是六种模的数学表达式：模：模：SCCASCCA 只能用于加速度伺服电机，不能用于执行电机。它用来模拟凸轮轮廓输出。 它称为“正弦-常数-余弦-加速度”运动，缩写为SCCA。共有五个参数： 七种电动机模的函数图例七种电动机模的函数图例各函数的参数值设定

13、如下： 下图给出了七种函数的模所代表的电机轮廓。电动机的模：表表 也就是指定N个点，以这些点为节点，按线性或样条插值方式构建一条通过所有点的曲线。这条曲线就是电动机的轮廓。样条拟合构建的曲线比线性拟合构建的曲线平滑一点。创建并执行运动分析：创建并执行运动分析：定义时间及帧，根据前面伺服电机的定义，2秒钟曲轴转角720度加入前面定义的伺服电动机点运行，可以查看运行情况并产生一个结果集回放：干涉与动画回放：干涉与动画 利用回放来查看机构中零件的干涉情况、输出影片、显示力和扭矩对机构的影响，以及在分析期间跟踪测量的值。动画演示，输出影片界面测量测量： 创建测量，用来分析机构在整个运动过程中的各种具体

14、参数，如位置、速度、力等，为改进设计提供资料。查看测量的结果必须有一个分析的结果集。（只有运动学分析才能对速度、加速度进行测量）活塞速度的测量结果，也可导出为EXCEL和文本格式 测量特征也可加入到运动分析中，进行结果查看，图形输出，如测量连杆大头最外测量特征也可加入到运动分析中，进行结果查看，图形输出，如测量连杆大头最外边与缸体裙部的距离。边与缸体裙部的距离。 应将测量保存为一个特征应将测量保存为一个特征, ,然后才能进行测量分析然后才能进行测量分析回放：轨迹曲线回放：轨迹曲线菜单：插入-轨迹曲线“轨迹曲线”可选2D或3D，“凸轮合成曲线”只能是2D。 轨迹曲线用来表示机构中某一元素相对于另

15、一零件的运动。分为“轨迹曲线”与“凸轮合成曲线”两种：“轨迹曲线”表示机构中某一点或顶点相对于另一零件的运动。“凸轮合成曲线”表示机构中某曲线或边相对于另一零件的运动。连杆螺栓上一个顶点的轨迹曲线。连杆螺栓上一个顶点的轨迹曲线。四、实例：利用机构运动画凸轮型线四、实例：利用机构运动画凸轮型线问题: 已知的气门的升程表，怎样把画出正确的凸轮型线?1. 1. 模型准备模型准备: :设计运动主体,包括凸轮、挺柱和基础件。 a. 凸轮轴只画出轴颈即可,轴颈大小不要过凸轮基圆大小; b. 挺柱要在底面画出一条曲线,此曲线为挺柱底面的轮廓,始终与凸轮面相接触,即凸轮面在此线上滑动. C. 基础件，需创建凸

16、轮旋转轴、挺柱滑动轴及对齐平面。这就需要利用这就需要利用Pro/EPro/E机构分析中的机构分析中的“凸轮合成曲线凸轮合成曲线”功能。详细步聚如下：功能。详细步聚如下：2. 2. 组装模型组装模型: :装配各主体并设置连接 a. 新建一组件，装配基础零件，按坐标系对齐方式装配到组件中。 b. 装配凸轮零件，按销钉连接。 c. 装配挺柱零件,按滑动杆连接。 注意要使挺柱底面的曲线与凸轮旋转轴垂直。3. 3. 设置机构分析要素：设置机构分析要素： 需要分别定义凸轮和挺柱的伺服电机，也就是此机构中有两个伺服电机。 a. 添加并定义凸轮的伺服电机，凸轮定义按匀角速度旋转运动，根据时间定义角速度，可设定凸轮的模为0-500度，旋转一周为0.72秒。 b. 添加并定义挺柱伺服电机,连接轴为滑动轴,模选择表,表文件为.tab的文本文件,是时间和升程的函数,来自凸轮轴图纸中的升程表.此处简化为0.01秒既5度一个点.在轮廓中位置插值采用线性拟合.在轮廓位置中