机构仿真之运动分析基础教程.doc

1、机构仿真之运动分析基础教程机构仿真是 PROE 的功能模块之一。PROE 能做的仿真内容还算比较好，不过用好的兄弟不多。当然真正专做仿真分析的兄弟，估计都用 Ansys 去了。但是，Ansys 研究起来可比 PROE 麻烦多了。所以，学会 PROE 的仿真，在很多时候还是有用的。我再发一份学习笔记，并整理一下，当个基础教程吧。希望能对学习仿真的兄弟有所帮助。术语创建机构前，应熟悉下列术语在 PROE 中的定义：主体 (Body) - 一个元件或彼此无相对运动的一组元件，主体内 DOF=0。连接 (Connections) - 定义并约束相对运动的主体之间的关系。自由度 (Degrees of

2、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。拖动 (Dragging) - 在屏幕上用鼠标拾取并移动机构。动态 (Dynamics) - 研究机构在受力后的运动。执行电动机 (Force Motor) - 作用于旋转轴或平移轴上(引起运动)的力。齿轮副连接 (Gear Pair Connection) - 应用到两连接轴的速度约束。基础 (Ground) - 不移动的主体。其它主体相对于基础运动。机构 (Joints) - 特定的连接类型（例如销钉机构、滑块机构和球机构） 。运动 (Kinematics) - 研究机构的运动，而不考虑移

3、动机构所需的力。环连接 (Loop Connection) - 添加到运动环中的最后一个连接。运动 (Motion) - 主体受电动机或负荷作用时的移动方式。放置约束 (Placement Constraint) - 组件中放置元件并限制该元件在组件中运动的图元。回放 (Playback) - 记录并重放分析运行的结果。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。LCS - 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。UCS - 用户坐标系。WCS -

4、 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。 运动分析的定义在满足伺服电动机轮廓和机构连接、凸轮从动机构、槽从动机构或齿轮副连接的要求的情况下，模拟机构的运动。运动分析不考虑受力，它模拟除质量和力之外的运动的所有方面。因此，运动分析不能使用执行电动机，也不必为机构指定质量属性。运动分析忽略模型中的所有动态图元，如弹簧、阻尼器、重力、力/力矩以及执行电动机等，所有动态图元都不影响运动分析结果。如果伺服电动机具有不连续轮廓，在运行运动分析前软件会尝试使其轮廓连续，如果不能使其轮廓连续，则此伺服电机将不能用于分析。使用运动分析可获得以下信息：几何图元和连接的位置、速

5、度以及加速度 元件间的干涉机构运动的轨迹曲线作为 Pro/ENGINEER 零件捕获机构运动的运动包络运动分析工作流程创建模型：定义主体，生成连接，定义连接轴设置，生成特殊连接检查模型：拖动组件，检验所定义的连接是否能产生预期的运动加入运动分析图元：设定伺服电机准备分析：定义初始位置及其快照，创建测量分析模型：定义运动分析，运行结果获得：结果回放，干涉检查，查看测量结果，创建轨迹曲线，创建运动包络装入元件时的两种方式：机构连接与约束连接向组件中增加元件时，会弹出“元件放置”窗口，此窗口有三个页面：“放置” 、 “移动” 、 “连接” 。传统的装配元件方法是在“放置”页面给元件加入各种固定约束，

6、将元件的自由度减少到 0，因元件的位置被完全固定，这样装配的元件不能用于运动分析（基体除外） 。另一种装配元件的方法是在“连接”页面给元件加入各种组合约束，如“销钉” 、 “圆柱” 、 “刚体” 、 “球” 、 “6DOF”等等，使用这些组合约束装配的元件，因自由度没有完全消除（刚体、焊接、常规除外） ，元件可以自由移动或旋转，这样装配的元件可用于运动分析。传统装配法可称为“约束连接” ，后一种装配法可称为“机构连接” 。约束连接与机构连接的相同点：都使用 PROE 的约束来放置元件，组件与子组件的关系相同。约束连接与机构连接的不同点：约束连接使用一个或多个单约束来完全消除元件的自由度，机构连

7、接使用一个或多个组合约束来约束元件的位置。约束连接装配的目的是消除所有自由度，元件被完整定位，机构连接装配的目的是获得特定的运动，元件通常还具有一个或多个自由度。“元件放置”窗口：1.jpg (11.33 KB)2008-6-12 14:37机构连接的类型机构连接所用的约束都是能实现特定运动(含固定)的组合约束，包括：销钉、圆柱、滑动杆、轴承、平面、球、6DOF、常规、刚性、焊接、槽，共 11 种。销钉：由一个轴对齐约束和一个与轴垂直的平移约束组成。元件可以绕轴旋转，具有 1 个旋转自由度，总自由度为 1。轴对齐约束可选择直边或轴线或圆柱面，可反向；平移约束可以是两个点对齐，也可以是两个平面的

8、对齐/配对，平面对齐/配对时，可以设置偏移量。圆柱：由一个轴对齐约束组成。比销钉约束少了一个平移约束，因此元件可绕轴旋转同时可沿轴向平移，具有 1个旋转自由度和 1 个平移自由度，总自由度为 2。轴对齐约束可选择直边或轴线或圆柱面，可反向。滑动杆：即滑块，由一个轴对齐约束和一个旋转约束(实际上就是一个与轴平行的平移约束)组成。元件可滑轴平移，具有 1 个平移自由度，总自由度为 1。轴对齐约束可选择直边或轴线或圆柱面，可反向。旋转约束选择两个平面，偏移量根据元件所处位置自动计算，可反向。轴承：由一个点对齐约束组成。它与机械上的“轴承”不同，它是元件（或组件）上的一个点对齐到组件（或元件）上的一条

9、直边或轴线上，因此元件可沿轴线平移并任意方向旋转，具有 1 个平移自由度和 3 个旋转自由度，总自由度为 4。平面：由一个平面约束组成，也就是确定了元件上某平面与组件上某平面之间的距离(或重合)。元件可绕垂直于平面的轴旋转并在平行于平面的两个方向上平移，具有 1 个旋转自由度和 2 个平移自由度，总自由度为 3。可指定偏移量，可反向。球：由一个点对齐约束组成。元件上的一个点对齐到组件上的一个点，比轴承连接小了一个平移自由度，可以绕着对齐点任意旋转，具有 3 个入旋转自由度，总自由度为 3。6DOF：即 6 自由度，也就是对元件不作任何约束，仅用一个元件坐标系和一个组件坐标系重合来使元件与组件发

10、生关联。元件可任意旋转和平移，具有 3 个旋转自由度和 3 个平移自由度，总自由度为 6。刚性：使用一个或多个基本约束，将元件与组件连接到一起。连接后，元件与组件成为一个主体，相互之间不再有自由度，如果刚性连接没有将自由度完全消除，则元件将在当前位置被“粘”在组件上。如果将一个子组件与组件用刚性连接，子组件内各零件也将一起被“粘”住，其原有自由度不起作用。总自由度为 0。焊接：两个坐标系对齐，元件自由度被完全消除。连接后，元件与组件成为一个主体，相互之间不再有自由度。如果将一个子组件与组件用焊接连接，子组件内各零件将参照组件坐标系发按其原有自由度的作用。总自由度为0。槽：是两个主体之间的一个点

11、-曲线连接。从动件上的一个点，始终在主动件上的一根曲线(3D)上运动。槽连接只使两个主体按所指定的要求运动，不检查两个主体之间是否干涉，点和曲线甚至可以是零件实体以外的基准点和基准曲线，当然也可以在实体内部。机构连接类型：约束连接： 常规：也就是自定义组合约束，可根据需要指定一个或多个基本约束来形成一个新的组合约束，其自由度的多少因所用的基本约束种类及数量不同而不同。可用的基本约束有：匹配、对齐、插入、坐标系、线上点、曲面上的点、曲面上的边，共 7 种。在定义的时候，可根据需要选择一种，也可先不选取类型，直接选取要使用的对象，此时在类型那里开始显示为“自动” ，然后根据所选择的对象系统自动确定

12、一个合适的基本约束类型。常规匹配/对齐：对齐） 。单一的“匹配/对齐”构成的自定义组合约束转换为约束连接后，变为只有一个“匹配/对齐”约束的不完整约束，再转换为机构约束后变为“平面”连接。 这两个约束用来确定两个平面的相对位置，可设定偏距值，也可反向。定义完后，在不修改对象的情况下可更改类型（匹配常规插入：选取对象为两个柱面。单一的“插入”构成的自定义组合约束转换为约束连接后，变为只有一个“插入”约束的不完整约束，再转换为机构约束后变为“圆柱”连接。常规坐标系：选取对象为两个坐标系，与 6DOF 的坐标系约束不同，此坐标系将元件完全定位，消除了所有自由度。单一的“坐标系”构成的自定义组合约束转

13、换为约束连接后，变为只有一个“坐标系”约束的完整约束，再转换为机构约束后变为“焊接”连接。常规线上点：选取对象为一个点和一条直线或轴线。与“轴承”等效。单一的“线上点”构成的自定义组合约束转换为约束连接后，变为只有一个“线上点”约束的不完整约束，再转换为机构约束后变为“轴承”连接。常规曲面上的点：选取对象为一个平面和一个点。单一的“曲面上的点”构成的自定义组合约束转换为约束连接后，变为只有一个“曲面上的点”约束的不完整约束，再转换为机构约束后仍为单一的“曲面上的点”构成的自定义组合约束。常规曲面上的边：选取对象为一个平面/柱面和一条直边。单一的“曲面上的点”构成的自定义组合约束不能转换为约束连

14、接。自由度与冗余约束自由度（DOF）是描述或确定一个系统（主体）的运动或状态（如位置）所必需的独立参变量（或坐标数） 。一个不受任何约束的自由主体，在空间运动时，具有 6 个独立运动参数（自由度） ，即沿 XYZ 三个轴的独立移动和绕 XYZ 三个轴的独立转动，在平面运动时，则只具有 3 个独立运动参数（自由度） ，即沿 XYZ 三个轴的独立移动。主体受到约束后，某些独立运动参数不再存在，相对应的，这些自由度也就被消除。当 6 个自由度都被消除后，主体就被完全定位并且不可能再发生任何运动。如使用销钉连接后，主体沿 XYZ 三个轴的平移运动被限制，这三个平移自由度被消除，主体只能绕指定轴（如 X

15、 轴）旋转，不能绕另两个轴（YZ 轴）旋转，绕这两个轴旋转的自由度被消除，结果只留下一个旋转自由度。冗余约束指过多的约束。在空间里，要完全约束住一个主体，需要将三个独立移动和三个独立转动分别约束住，如果把一个主体的这六个自由度都约束住了，再另加一个约束去限制它沿 X 轴的平移，这个约束就是冗余约束。合理的冗余约束可用来分摊主体各部份受到的力，使主体受力均匀或减少磨擦、补偿误差，延长设备使用寿命。冗余约束对主体的力状态产生影响，对主体的对运动没有影响。因运动分析只分析主体的运动状况，不分析主体的力状态，在运动分析时，可不考虑冗余约束的作用，而在涉及力状态的分析里，必须要适当的处理好冗余约束，以得

16、到正确的分析结果。系统在每次运行分析时，都会对自由度进行计算。并可创建一个测量来计算机构有多少自由度、多少冗余。PROE 的帮助里有一个门铰链的例子来讲冗余与自由度的计算，但其分析实丰有欠妥当，各位想准确计算模型的自由度的话，请找机构设计方面的书来仔细研究一番。这也不是几句话能说明白的，我这里只提一下就是了，不再详述。 约束转换机构连接与约束连接可相互转换。在“元件放置”窗口的“放置”页面和“连接”页面里，在约束列表下方，都有一个“约束转换”按钮。使用此按钮可在任何时候根据需要将机构连接转换为约束连接，或将约束连接转换为机构连接。在转换时，系统根据现有约束及其对象的性质自动选取最相配的新类型。

17、如对系统自动选取的结果不满意，可再进行编辑。转换的规则，可参考 PROE 的自带帮助。不过，没有很好的空间想像力和耐性的兄弟就不用看了。需要记住的一个：曲线上的点、曲面上的点、相切约束，在转换时是不会转换成常规连接的。下图显示“约束转换”按钮：基础与重定义主体基础是在运动分析中被设定为不参与运动的主体。创建新组件时，装配（或创建）的第一个元件自动成为基础。元件使用约束连接（“元件放置”窗口中“放置”页面）与基础发生关系，则此元件也成为基础的一部份。如果机构不能以预期的方式移动，或者因两个零件在同一主体中而不能创建连接，就可以使用“重定义主体”来确认主体之间的约束关系及删除某些约束。进入“机构”

18、模块后， “编辑”“重定义主体”进入主体重定义窗口，选定一个主体，将在窗口里显示这个主体所受到的约束（仅约束连接及“刚体”机构所用的约束） 。可以选定一个约束，将其删除。如果删除所有约束，元件将被封装。“重定义主体”窗口：特殊连接:凸轮连接凸轮连接，就是用凸轮的轮廓去控制从动件的运动规律。PROE 里的凸轮连接，使用的是平面凸轮。但为了形象，创建凸轮后，都会让凸轮显示出一定的厚度(深度)。凸轮连接只需要指定两个主体上的各一个（或一组）曲面或曲线就可以了。定义窗口里的“凸轮 1”“凸轮2”分别是两个主体中任何一个，并非从动件就是“凸轮 2”。如果选择曲面，可将“自动选取”复选框勾上，这样，系统将

19、自动把与所选曲面的邻接曲面选中，如果不用“自动选取” ，需要选多个相邻面时要按住 Ctrl。如果选择曲线/边， “自动选取”是无效的。如果所选边是直边或基准曲线，则还要指定工作平面（即所定义的二维平面凸轮在哪一个平面上） 。凸轮一般是从动件沿凸轮件的表面运动，在 PROE 里定义凸轮时，还要确定运动的实际接触面。选取了曲面或曲线后，将会出线一个箭头，这个箭头指示出所选曲面或曲线的法向，箭头指向哪侧，也就是运动时接触点将在哪侧。如果系统指示出的方向与想定义的方向不同，可反向。关于“启用升离” ，打开这个选项，凸轮运转时，从动件可离开主动件，不使用此选项时，从动件始终与主动件接触。启用升离后才能定

20、义“恢复系数” ，即“启用升离”复选框下方的那个“e” 。因为是二维凸轮，只要确定了凸轮轮廓和工作平面，这个凸轮的形状与位置也就算定义完整了。为了形象，系统会给这个二维凸轮显示出一个厚度（即深度） 。通常我们可不必去修改它，使用“自动”就可以了。也可自已定义这个显示深度，但对分析结果没有影响。需要注意：A.所选曲面只能是单向弯曲曲面（如拉伸曲面） ，不能是多向弯曲曲面（如旋转出来的鼓形曲面） 。B.所选曲面或曲线中，可以有平面和直边，但应避免在两个主体上同时出现。C.系统不会自动处理曲面（曲线）中的尖角/拐点/不连续，如果存在这样的问题，应在定义凸轮前适当处理。凸轮可定义“升离” 、 “恢复系

21、数”与“磨擦” 。凸轮定义窗口：恢复系数与磨擦即碰撞系数，其物理定义为两物体碰撞后的相对速度（V2-V1）与碰撞前的相对速度（V10-V20）的比值，即e=(V2-V1)/(V10-V20)，它的值介于 0 到 1 之间。典型的恢复系数可从工程书籍或实际经验中得到。恢复系数取决于材料属性、主体几何以及碰撞速度等因素。在机构中应用恢复系数，是在刚体计算中模拟非刚性属性的一种方法。完全弹性碰撞的恢复系数为 1。完全非弹性碰撞的恢复系数为 0。橡皮球的恢复系数相对较高。而湿泥土块的恢复系数值非常接近 0。摩擦阻碍凸轮或槽的运动。摩擦系数取决于接触材料的类型以及实验条件。可在物理或工程书籍中查找各种典

22、型的摩擦系数表。需要分别指定静磨擦系数和动磨擦系数，且静磨擦系数应大于动磨擦系数。要在力平衡分析中计算凸轮滑动测量，必须指定凸轮连接的磨擦系数。恢复系数与磨擦可用于凸轮连接和槽连接，也可用于连接轴设置。特殊连接:齿轮连接齿轮连接用来控制两个旋转轴之间的速度关系。在 PROE 中齿轮连接分为标准齿轮和齿轮齿条两种类型。标准齿轮需定义两个齿轮，齿轮齿条需定义一个小齿轮和一个齿条。一个齿轮（或齿条）由两个主体和这两个主体之间的一个旋转轴构成。因此，在定义齿轮前，需先定义含有旋转轴的机构连接（如销钉） 。定义齿轮时，只需选定由机构连接定义出来的与齿轮本体相关的那个旋转轴即可，系统自动将产生这根轴的两个

23、主体设定为“齿轮” （或“小齿轮” 、 “齿条” ）和“托架” ， “托架”一般就是用来安装齿轮的主体，它一般是静止的，如果系统选反了，可用“反向”按钮将齿轮与托架主体交换。 “齿轮 2”或“齿条”所用轴的旋转方向是可以变更的，点定义窗口里“齿轮 2”轴右侧的反向按钮就可以，点中后画面会出现一个很粗的箭头指示此轴旋转的正向。速比定义：在“齿轮副定义”窗口的“齿轮 1”、 “齿轮 2”、 “小齿轮”页面里，都有一个输入节圆直径的地方，可以在定义齿轮时将齿轮的实际节圆直径输入到这里。在“属性”页面里， “齿轮比” （“齿条比” ）有两种选择，一是“节圆直径” ，一是“用户定义的” 。选择“节圆直径

24、”时，D1、D2 由系统自动根据前两个页面里的数值计算出来，不可改动。选择“用户定义的”时，D1、D2 需要输入，此情况下，齿轮速度比由此处输入的D1、D2 确定，前两个页面里输入的节圆直径不起作用。速度比为节圆直径比的倒数，即：齿轮 1 速度/齿轮2 速度=齿轮 2 节圆直径/齿轮 1 节圆直径=D2/D1。齿条比为齿轮转一周时齿条平移的距离，齿条比选择“节圆直径”时，其数值由系统根据小齿轮的节圆数值计算出来，不可改动，选择“用户定义的”时，其数值需要输入，此情况下，小齿轮定义页面里输入的节圆直径不起作用。图标位置：定义齿轮后，每一个齿轮都有一个图标，以显示这里定义了一个齿轮，一条虚线把两个

25、图标的中心连起来。默认情况下，齿轮图标在所选连接轴的零点，图标位置也可自定义，点选一个点，图标将平移到那个点所在平面上。图标的位置只是一视觉效果，不会对分析产生影响。要注意的事项：APROE 里的齿轮连接，只需要指定一个旋转轴和节圆参数就可以了。因此，齿轮的具体形状可以不用做出来，即使是两个圆柱，也可以在它们之间定义一个齿轮连接。B两个齿轮应使用公共的托架主体，如果没有公共的托架主体，分析时系统将创建一个不可见的内部主体作为公共托架主体，此主体的质量等于最小主体质量的千分之一。并且在运行与力相关的分析（动态、力平衡、静态）时，会提示指出没有公共托架主体。齿轮定义窗口：拖动与快照拖动，是在允许的

26、范围内移动机械。快照，对机械的某一特殊状态的记录。可以使用拖动调整机构中各零件的具体位置，初步检查机构的装配与运动情况，并可将其保存为快照，快照可用于后续的分析定义中，也可用于绘制工程图。“机构”-“拖动” ，进入“拖动”窗口，此窗口具有一个工具栏，工具栏左第一个按钮为“保存快照” ，即将当前屏幕上的状态保存为一个快照，左第二个按钮为“点拖动” ，即点取机构上的一个点，移动鼠标以改变元件的位置，左第三个按钮为“主体拖动” ，选取一个主体，移动鼠标以改变元件的位置。右侧两个按钮为“撤消”和“恢复” ，每一次拖动，系统都会记录入内存，使用此两按钮，可查看已做的各次拖动的结果。“快照”页和“约束”页

27、，分别有一个列表，显示当前已经定义的快照和为当前拖动定义的临时约束。快照列表左侧有一列工具按钮，第一个为显示当前快照，即将屏幕显示刷新为选定快照的内容；第二个为从其它快照中把某些元件的位置提取入选定快照；第三个为刷新选定快照，即将选定快照的内容更新为屏幕上的状态；第四个为绘图可用，使选定快照可被当做分解状态使用，从而在绘图中使用，这是一个开关型按钮，当快照可用于绘图时，列表中的快照名前会有一个图标；第五个是删除选定快照。约束列表显示已为当前拖动所定义的临时约束，这些临时约束只用于当前拖动操作，以进一步限制拖动时各主体之间的相对运动。“高级拖动选项”提供了一组工具，用于精确限定拖动时被拖动点或主体的运动。拖动窗口：