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pro/e机构仿真之运动分析
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2009-05-06
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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。坛子里关于仿真的教程也有过一些,但很多都是动画,或实例。偶再发放一份学习笔记,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。
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机构仿真之运动分析-
关键词:PROE仿真运动分析重复组件分析连接回放运动包络轨迹曲线
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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。坛子里关于仿真的教程也有过一些,
但很多都是动画,或实例。偶再发放一份学习笔记,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 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。
接头(Joints) - 特定的连接类型(例如销钉接头、滑块接头和球接头)。
运动(Kinematics) - 研究机构的运动,而不考虑移动机构所需的力。
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。可在接头或几何
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 - 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接头连接、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
重复组件分析
WF2.0 以前版本里的“运动分析”,在 WF2.0 里被称为“重复组件分析”。它与运动分析类似,所
有适用于运动分析的要求及设定,都可用于重复组件分析,所有不适于运动分析的因素,也都不
适用于重复组件分析。重复组件分析的输出结果比运动分析少,不能分析速度、加速度,不能做
机构的运动包络。
使用重复组件分析可获得以下信息:
几何图元和连接的位置
元件间的干涉
机构运动的轨迹曲线
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:接头连接与约束连接
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,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
“接头连接”。
约束连接与接头连接的相同点:都使用 PROE 的约束来放置元件,组件与子组件的关系相同。
约束连接与接头连接的不同点: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,接头
连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,接头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:(yd1)
接头连接的类型
接头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,共 10 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。
接头连接类型:(yd2)
接头连接约束:常规
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,再转换为接头约束后变为“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,再转换为接头约束后变为“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,再转换为接头约束后变为“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,再转换为接头约束
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,再转换为接头约束后仍为单
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 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.
约束转换
接头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接头连接转换为约束连接,
或将约束连接转换为接头连接。
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。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”和“反向”按钮:(yd3)
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