产品的装配与运动仿真

1、实验五 产品的装配与运动仿真一、实验目的1 了解产品及数据组织结构的基本知识；2 了解产品装配的原理与过程；3 掌握产品装配的数据保存方法与格式；4 掌握运动仿真的基本原理；5 了解常见运动副的类型和要素；6 掌握运动仿真的必要条件、参数与仿真方法；7 了解运动仿真的常用用途、在工程分析中的地位。二、实验内容1 教师讲解产品组成及零件间的约束；2 通过示例演示产品自零件设计到装配的过程，3 讲解演示装配约束类型，以及数据保存的方法；4 分析产品实例，定义零件及其间装配关系；5 讲解产品仿真的分类、及运动仿真的基本原理；6 通过示例演示产品的运动副定义及形成运动仿真的过程；7 通过产品实例分析，

2、定义零件间的运动关系与运动副，构成运动仿真。三、实验设备1 硬件：海信图形工作站；2 软件：操作系统Windows XP或Windows 2000；CATIA V5R14；四、实验概述1产品的装配1）产品的装配概述产品通常由多个零件组成，因产品的复杂程度而异，其组成的产品数量和装配关系都不尽相同。产品的装配是指将零件按照其实际装配中的机械约束关系，定义特定的装配约束关系，从而将单个的零件组合起来，最终构建完整的产品，表达真实产品的形态，并为后续的运动仿真、分析、ERP等工作提供数据。如实验图5-1中所示为产品（引擎机构）装配后的状态。实验图5-2中所示为将产品中的所有零件按爆炸视图绘制后的情况

3、。实验图5-1 装配后的产品实验图5-2 产品爆炸图2）装配约束及类型以CATIA为例，按零件、部件间不同的装配关系，装配约束通常可以分为如下几种：实验表5-1 常用的装配约束类型序号图标约束名称及应用场合1重合（Coincidence）约束；用于定义孔、轴的同心、工件表面的对齐等场合2贴合（Contact）约束；用于定义工件表面、棱边等的（贴合）接触；3偏置（Offset）约束；用于定义工件表面之间有一定特定偏置距离的场合；4角度（Angle）约束；用于定义工件表面之间成一定角度的夹角；5固定（Fix）约束；定义装配机构中的某个零件定义为不可运动；6固定组合（Fix Components T

4、ogether）约束；用于固定装配中两个零件之间的相对位置；3）实例：现以某机构的装配为例，需要在CATIA中完成从开始装配到定义约束，最终完成数据保存输出的过程。事先已经完成组成机构的三个零件设计，保存在计算机中，文件名分别为零件一：CRIC_FRAME.CATPart、零件二：CRIC_BRANCH_1.CATPart、零件三：CRIC_BRANCH_2.CATPart。形状与文件名如实验图5-3所示：零件一零件二零件三实验图5-3 零件图（1）启动CATIA，进入装配设计模块双击桌面上的CATIA图标 。待CATIA启动完成后，依次点击StartàMechanical Desi

5、gnàAssembly Design，进入装配设计模块（实验图5-4）。实验图5-4 启动装配模块（2）调入零件依次点击InsertàExisting Component，在弹出的文件选择对话框中选择第零件一（CRIC_FRAME.CATPart）。重复上述步骤，将零件二、零件三（CRIC_BRANCH_1.CATPart、CRIC_BRANCH_2.CATPart）也分别调入，结果如实验图5-5所示。实验图5-5 调入后的零件（3）约束分析与添加如实验图5-6所示，根据机械装配关系，零件一与零件三之间应该有如下的约束关系：a、孔轴同轴；b、侧面面贴合；点击，然后分别选择零

6、件一的轴，和零件三的孔，以施加同轴约束；再点击，分别点击零件一和零件三相应表面，施加贴合约束。约束定义完成后，零件间的位置不会马上变化，需要点击“EditàUpdate”或图标，零件才会更新为新的位置。零件二和零件三之间的情况类似。添加完约束后，产品定义完毕，如实验图5-7所示。图5-7 装配结果（4）保存产品数据依次点击FileàSave Management.，将所有的文件保存到同一目录中。2. 机构的运动仿真1）机构的运动仿真概述本实验中所说的机构的运动与仿真，属于机械系统的运动学分析，主要针对系统及其各构件的运动分析，一般不考虑驱动力的影响。根据已知构件之间的运动关

7、系，通过定义机架、运动副定义零件间的传动关系，通过求解位置的非线性方程组和速度、加速度的非线性方程组，分析整体机构运动的可能性，空间运动范围，求解其余构件的位置、速度和加速度与时间的关系。以在设计阶段观察产品机构的运动及空间干涉等情况，并校验设计过程中的机构、运动副是否合理。2）机械传动中自由度及运动副类型（1）自由度单个零件的自由度，为在笛卡儿坐标系中沿X、Y、Z三轴的移动和绕三轴的旋转；而对于机构，机械系统的自由度表示机械系统中各构件相对于地面机架所具有的独立运动数量。机械系统的自由度与构成机械的构件数量、运动副的类型和数量、原动机的类型和数量、以及其他约束条件有关。机械系统的自由度（DO

8、F）可以用下式计算：其中：n：活动构件总数;Pi，m：第i个运动副的约束条件数，运动副总数;qj，x：第j个原动机的驱动约束条件数，原动机总数;Rk 其他的约束条件数如果将系统中的驱动输入（如电机轴）作为对某个自由度的约束，当系统中自由度DOF为0时，系统属于本实验所讨论的运动学分析。（2）运动副类型、输入条件及约束自由度数量下面以对常见的运动副类型、输入条件及运动副定义后剩余的自由度数量进行说明（试验表5-2）：试验表5-2 常见的运动副类型及剩余自由度数量序号装配（运动副）类型剩余自由度1带止推端面的旋转副1旋转2滑槽滑轨1平移3孔轴配合1旋转1移动4球头连接3个旋转5平面接触2移动1旋转

9、6刚性连接无7滚动啮合曲线1旋转1移动8滑动曲线2旋转1移动9点对曲线3旋转1移动10点对曲面2移动3旋转11U形连接（万向节）1旋转12齿轮啮合1旋转13齿轮齿条1旋转 或1移动14系索传动1移动15螺旋传动1旋转 或1移动16CV连接无3）实例：在此以上完成装配的机构定义运动仿真来说明：（1）进入工作模块双击桌面上的CATIA图标 。待CATIA启动完成后，依次点击StartàDigital MockupàDMU Kinematics ，进入运动仿真模块（实验图5-8）。实验图5-8 启动运动仿真模块（2）调入产品文件调入方法和产品装配中相同，零件数据文件在上述装配例子

10、中，增加了零件四、零件五及零件六。（实验图5-9）实验图5-8 调入的产品模型（3）机构分析、定义机构和运动副a、机构分析该机构为一可伸缩支架。零件四和零件五之间为丝杠螺母传动，零件四的轴向位置固定，当零件四（螺杆）旋转时，驱动零件五（螺母）沿零件四移动，从而使得零件二和零件三组成的曲臂伸展或屈曲，最终转化为支架上方零件六的上下运动。b、定义机构整个机构中只有一个动力源输入（零件四的转动）和一个输出（零件六）的上下运动，故机构只有一个，下属为若干个运动副；c、运动副定义由零件之间的机械装配关系，以及自由度的限定，可以判定各零件之间的主要的运动副列表：零件一和零件二：带止推端面的旋转副；零件二和

11、零件三：带止推端面的旋转副零件三和零件六：带止推端面的旋转副零件二和零件五：孔轴配合零件三和零件五：带止推端面的旋转副零件四和零件五：螺旋传动最终，定义结果如实验图5-9。实验图5-9 运动副定义结果（4）定义驱动源和机架并定义零件一为固定的机架；定义驱动来源为零件四螺杆的旋转，且零件四螺杆与机架的轴向位置为定值；（5）分析与运动仿真点击AnalysisàMechanismàAnalysis，分析结果如下，当前系统中共有10个机构，一个驱动源，在驱动状态下的系统自由度为1，可以进行运动仿真（实验图5-10）。实验图5-10 机构运动副分析结果随后点击Simulation With Commands图标，即可实现产品的机构的运动仿真（实验图5-11）。a）初始位置b）中间状态c）最终状态实验图5-11 仿真运动结果五、 实验操作步骤:1. 试分析C形夹（实验图5-12）机构中零件之间的装配关系，分析零件之间的装配关系，定义必要的装配约束，完成装配，并保存数据文件：实验图5-12 C形夹机构2. 有机构如上实验图所示，试分析零件之间的运动副及运动关系，对产品添加必要的运动