iNVENTOR 运动仿真分析之欧阳治创编.docx
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iNVENTOR运动仿真分析之欧阳治创编
第1章运动仿真
时间2021.03.10
创作：
欧阳治
本章重点
应力分析的一般步骤
边界条件的创建
查看分析结果
报告的生成和分析
本章典型效果图
1.1机构模块简介
在进行机械设计时，建立模型后设计者往往需要通过虚拟的手段，在电脑上模拟所设计的机构，来达到在虚拟的环境中模拟现实机构运动的目的。
对于提高设计效率降低成本有很大的作用。
Pro/engineer中“机构”模块是专门用来进行运动仿真和动态分析的模块。
PROE的运动仿真与动态分析功能集成在“机构”模块中，包括Mechanismdesign（机械设计）和Mechanismdynamics（机械动态）两个方面的分析功能。
使用“机械设计”分析功能相当于进行机械运动仿真，使用“机械设计”分析功能来创建某种机构，定义特定运动副，创建能使其运动起来的伺服电动机，来实现机构的运动模拟。
并可以观察并记录分析，可以测量诸如位置、速度、加速度等运动特征，可以通过图形直观的显示这些测量量。
也可创建轨迹曲线和运动包络，用物理方法描述运动。
使用“机械动态”分析功能可在机构上定义重力，力和力矩，弹簧，阻尼等等特征。
可以设置机构的材料，密度等特征，使其更加接近现实中的结构，到达真实的模拟现实的目的。
如果单纯的研究机构的运动，而不涉及质量，重力等参数，只需要使用“机械设计”分析功能即可，即进行运动分析，如果还需要更进一步分析机构受重力，外界输入的力和力矩，阻尼等等的影响，则必须使用“机械设计”来进行静态分析，动态分析等等。
1.2总体界面及使用环境
在装配环境下定义机构的连接方式后，单击菜单栏菜单“应用程序”→“机构”，如图1-1所示。
系统进入机构模块环境，呈现图1-2所示的机构模块主界面：
菜单栏增加如图1-3所示的“机构”下拉菜单，模型树增加了如图1-4所示“机构”一项内容，窗口右边出现如图1-5所示的工具栏图标。
下拉菜单的每一个选项与工具栏每一个图标相对应。
用户既可以通过菜单选择进行相关操作。
也可以直接点击快捷工具栏图标进行操作。
图1-1由装配环境进入机构环境图
图1-2机构模块下的主界面图
图1-3机构菜单图1-4模型树菜单图1-5工具栏图标
图1-5所示的“机构”工具栏图标和图1-3中下拉菜单各选项功能解释如下：
连接轴设置：
打开“连接轴设置”对话框，使用此对话框可定义零参照、再生值以及连接轴的限制设置。
：
打开“凸轮从动机构连接”对话框，使用此对话框可创建新的凸轮从动机构,
也可编辑或删除现有的凸轮从动机构。
：
打开“槽从动机构连接”对话框，使用此对话框可创建新的槽从动机构，也可编辑或删除现有的槽从动机构。
打开“齿轮副”对话框，使用此对话框可创建新的齿轮副，也可编辑、移除
复制现有的齿轮副。
打开“伺服电动机”对话框，使用此对话框可定义伺服电动机，也可编辑、移除或复制现有的伺服电动机。
：
打开“执行电动机”对话框，使用此对话框可定义执行电动机，也可编辑、移除或复制现有的执行电动机。
打开“弹簧”对话框，使用此对话框可定义弹簧，也可编辑、移除或复制现有的弹簧。
打开“阻尼器”对话框，使用此对话框可定义阻尼器，也可编辑、移除或复制现有的阻尼器。
打开“力/扭矩”（对话框，使用此对话框可定义力或扭矩。
也可编辑、移除或复制现有的力/扭矩负荷。
打开“重力”对话框，可在其中定义重力。
：
打开“初始条件”对话框，使用此对话框可指定初始位置快照，并可为点、连接轴、主体或槽定义速度初始条件。
打开“质量属性”对话框，使用此对话框可指定零件的质量属性，也可指定组件的密度。
打开“拖动”对话框，使用此对话框可将机构拖动至所需的配置并拍取快照。
连接：
打开“连接组件”对话框，使用此对话框可根据需要锁定或解锁任意主体或连接，并运行组件分析。
打开“分析”对话框，使用此对话框可添加、编辑、移除、复制或运行分析。
：
打开“回放”对话框，使用此对话框可回放分析运行的结果。
也可将结果保存到一个文件中、恢复先前保存的结果或输出结果。
打开“测量结果”对话框，使用此对话框可创建测量，并可选取要显示的测量和结果集。
也可以对结果出图或将其保存到一个表中。
打开“轨迹曲线”对话框，使用此对话框生成轨迹曲线或凸轮合成曲线。
除了这些主要的菜单和工具外。
还有几个零散的菜单需要注意。
1.2.1“编辑”菜单
在“编辑”菜单中与“机构”模块有关的菜单主要是：
重定义主体：
打开“重定义主体”对话框，使用此对话框可移除组件中主体的组件约束。
通过单击箭头选择零件后，对话框显示已经定义好的约束，元件和组建参照，设计者可以移除约束，重新指定元件或组件参照，如图1-6所示。
打开“设置”对话框，使用此对话框可 指定"机械设计"用来装配机构的公差，也可指定在分析运行失败时“机械设计”将采取的操作。
如是否发出警告声，操作失败时是否暂停运行或是继续运行等等，该配置有利于设计者高效率的完成工作。
如图1-7所示。
图1-6重定义主体对话框图1-7设置对话框
1.2.2“视图”菜单
在“视图”菜单中与“机构”模块有关的菜单主要是：
加亮主体：
以绿色显示基础主体。
，打开“显示图元”对话框，使用此对话框可打开或关闭工具栏上某个图标的可见性。
去掉任何一个复选框前面的勾号，则该工具在工具栏上不可见。
图1-8显示图元对话框
1.2.3“信息”菜单：
单击“信息”→“机构”下拉菜单，或在模型树中右键单击“机构”节点并选取“信息”，系统打开“信息”菜单，如图1-9所示。
使用“信息”菜单上的命令以查看模型的信息摘要。
利用这些摘要不必打开“机构”模型便可以更好地对其进行了解，并可查看所有对话框以获取所需信息。
在两种情况下，都会打开一个带有以下命令的子菜单。
选取其中一个命令打开带有摘要信息的Pro/ENGINEER浏览器窗口。
（1）摘要：
机构的高级摘要，其中包括机构图元的信息和模型中所出现的项目数。
如图1-10
（2）详细信息：
包括所有图元及其相关属性。
如图1-11所示。
（3）质量属性：
列出机构的质量、重心及惯性分量。
如图1-12所示。
机构为“模型树”中每个“机械设计”图元都提供一个“信息”选项。
右键单击并为某个特定图元选中此选项后，会打开一个带有针对该图元的详细摘要的浏览器窗口。
图1-9信息菜单中机构信息图图1-10摘要信息图
图1-11详细信息图图1-12质量属性信息图
1.3机械设计模块的分析流程
要进行机构运动仿真设计，必须遵循一定的步奏。
Pro/Engineer“机械设计”模块包括“机械设计运动”（运动仿真）和“机械设计动态”（动态分析）两部分，使用“机械设计”分析功能，可在不考虑作用于系统上的力的情况下分析机构运动，并测量主体位置、速度和加速度。
和前者不同的是“机械动态”分析包括多个建模图元，其中包括弹簧、阻尼器、力/力矩负荷以及重力。
可根据电动机所施加的力及其位置、速度或加速度来定义电动机。
除重复组件和运动分析外，还可运行动态、静态和力平衡分析。
也可创建测量，以监测连接上的力以及点、顶点或连接轴的速度或加速度。
可确定在分析期间是否出现碰撞，并可使用脉冲测量定量由于碰撞而引起的动量变化。
由于动态分析必须计算作用于机构的力，所以它需要用到主体质量属性。
两者进行分析时流程基本上一致：
类型
机械设计流程
机械动态动流程
创建模型
定义主体
生成连接
定义连接轴置
生成特殊连接
定义主体
指定质量属性
生成连接
定义连接轴设置
生成特殊连接
应用伺服电动机
应用伺服电动机
应用弹簧
应用阻尼器
应用执行电动机
定义力/力矩负荷
定义重力
创建
运行运动学分析
运行重复组件分析
运行运动学分析
运行动态分析
运行静态分析
运行力平衡分析
运行重复组件分析
回放结果
检查干涉
查看测量
创建轨迹曲线
创建运动包络
回放结果
检查干涉
查看定义的测量和动态测量
创建轨迹曲线和运动包络
创建要转移到Mechanica结构的负荷集
表1.1分析流程表
1.4机械设计运动分析详解
了解了上面基本的分析过程后，下面通过具体的例子一步一步来进行具体的分析。
（1）将光盘文件复制到硬盘上，启动pro/engineer。
单击菜单“文件”→“设置工作目录”。
打开“选取工作目录”对话框工作，将目录设置为X：
/example_1。
单击确定。
则系统工作在此目录下。
如图1-13所示。
（2）单击菜单“文件”→“新建”。
打开“新建”对话框，选择“组件”选项，将组件名改为asm。
去掉“使用缺省模版”复选框前面的勾号，单击“确定”按钮，系统打开“新文件选项”对话框，如图1-14所示。
（3）在列表中选择mmns_asm_design为模板，单击确定。
（4）单击
图标，打开“打开”对话框，如图1-15所示。
选取a.prt，单击“打开”按钮，系统弹出“元件放置”对话框。
单击
按钮接受缺省约束放置，单击确定按钮。
这样系统自动定义此为基础主体。
如图1-16所示。
图1-13选取工作目录对话框
图1-14新文件选项对话框
图1-15打开对话框
图1-16元件放置对话框图1-16元件放置后图
（5）单击
图标，打开“打开”对话框，选取b.prt，单击“打开”按钮，系统弹出“元件放置”对话框。
单击“连接”选项卡，对话框变成如图1-17所示，接受默认连接的名称为connnection_1，选择类型为销钉连接，按照图1-19选取a.prt的轴A1对齐b.prt的轴A1，平移选项选取轴端大端面和b.prt一个侧面，单击确定，完成后如图1-19所示。
在完成连接的过程中，可以通过如图1-20所示的移动选项卡对话框调整机构位置。
可以平移，旋转元件到一定的位置。
便于观察和选取基准轴或面。
图1-17连接中的轴对齐图图1-18连接中的平移图
图1-19连接匹配图图1-20连接调整移动图
1.4.1连接的作用
Pro/E提供了十种连接定义。
主要有刚性连接，销钉连接，滑动杆连接，圆柱连接，平面连接，球连接焊接，轴承，常规，6DOF（自由度）。
最后两种是野火2.0新增加的。
连接与装配中的约束不同，连接都具有一定的自由度，可以进行一定的运动
接头连接有三个目的：
◊定义“机械设计模块”将采用哪些放置约束，以便在模型中放置元件；
◊限制主体之间的相对运动，减少系统可能的总（DOF）；
◊定义一个元件在机构中可能具有的运动类型；
1．销钉连接
此连接需要定义两个轴重合，两个平面对齐，元件相对于主体选转，具有一个旋转自由度，没有平移自由度。
如图示
图1-21销钉连接示意图
2．滑动杆连接
滑动杆连接仅有一个沿轴向的平移自由度，滑动杆连接需要一个轴对齐约束，一个平面匹配或对齐约束以限制连接元件的旋转运动，与销连接正好相反，滑动杆提供了一个平移自由度，没有旋转自由度。
图1-22滑动杆连接示意图
3．圆柱连接
连接元件即可以绕轴线相对于附着元件转动，也可以沿着轴线相对于附着元件平移，只需要一个轴对齐约束，圆柱连接提供了一个平移自由度，一个旋转自由度。
图1-23圆柱连接示意图
4．平面连接
平面连接的元件即可以在一个平面内相对于附着元件移动，也可以绕着垂直于该平面的
轴线相对于附着元件转动，只需要一个平面匹配约束。
图1-24平面连接示意图
5．球连接
连接元件在约束点上可以沿附着组件任何方向转动，只允许两点对齐约束，提供了一个平移自由度，三个旋转自由度。
图1-25球连接示意图
5．轴承连接
轴承连接是通过点与轴线约束来实现的，可以沿三个方向旋转，并且能沿着轴线移动，需要一个点与一条轴约束，具有一个平移自由度，三个旋转自由度。
图1-26轴承连接示意图
6．刚性连接
连接元件和附着元件之间没有任何相对运动，六个自由度完全被约束了。
7．焊接
焊接将两个元件连接在一起，没有任何相对运动，只能通过坐标系进行约束。
刚性连接和焊接连接的比较：
（1）刚性接头允许将任何有效的组件约束组聚合到一个接头类型。
这些约束可以是使装配元件得以固定的完全约束集或部分约束子集。
（2）装配零件、不包含连接的子组件或连接不同主体的元件时，可使用刚性接头。
焊接接头的作用方式与其它接头类型类似。
但零件或子组件的放置是通过对齐坐标系来固定的。
（3）当装配包含连接的元件且同一主体需要多个连接时，可使用焊接接头。
焊接连接允许根据开放的自由度调整元件以与主组件匹配。
（4）如果使用刚性接头将带有“机械设计”连接的子组件装配到主组件，子组件连接将不能运动。
如果使用焊接连接将带有“机械设计”连接的子组件装配到主组件，子组件将参照与主组件相同的坐标系，且其子组件的运动将始终处于活动状态。
1.4.2连接过程中的调整方式
在连接机构时，常常会出现位置放置不合理现象，使得连接设置无法快速定位，可通过手动的方式来直接移动或转动元件到一个比较恰当的位置。
该过程主要是通过“元件放置”对话框中的“移动”选项卡来完成。
如图1-27所示。
图1-27移动方式图图1-28选取对话框
1．“运动类型”组合框：
选择手动调元件的方式。
（1）“定向模式”：
可相对于特定几何重定向视图，并可更改视图重定向样式，可以提供除标准的旋转、平移、缩放之外的更多查看功能。
（2）“平移”：
单击机构上的一点，可以平行移动元件。
（3）“旋转”：
单击机构上的一点，可以旋转元件。
（4）“调整”：
可以根据后面的运动参照类型，选择元件上的曲面调整到参照面，边，坐标系等。
选择调整，会弹出图1-28所示的选取对话框。
2．“运动参照”组合框：
选择需要参照的类型
（1）“视图平面”：
系统缺省采用此种参照，且不会弹出图1-28所示的对话框。
除了该项外，选择下面任何一项均会弹出1-28所示的对话框。
（2）“选取平面”：
可以选择创建的基准面，或是曲面作为参照。
（3）“图元／边”：
可以选择图元上的边作为参照。
（4）“平面法向”：
可以选择某个平面，则系统自动选取该平面的法向为参照。
（5）“2点”：
可以选择两点定义矢量方向作为参照。
（6）“坐标系”：
选择坐标系作为参照。
3.“运动增量”组合框：
设置运动位置改变的大小，有两种方式
（1）“平移”下拉框：
有光滑，1，5，10四个选项。
选择光滑，一次可以移动任意长度的距离。
其余是按所选的长度每次移动相应的距离。
（2）“选转”下拉框：
有光滑，5，10，30，45，90六个选项。
其中光滑为每次旋转任意角度。
其余是按所选的角度每次旋转相应的角度。
4．“位置”组合框：
当用鼠标移动元件时，在“相对”文本框中显示移动的距离。
1.4.3连接轴设置
定义完连接后，元件就能相对主体进行一定的运动，可以进行连接轴设置，以进一步设定运动的范围，运动的起点等。
单击“机构”→“连接轴设置”进入“连接轴设置”对话框，如图1-29所示。
各选项介绍如下：
1．“选取连接轴”选项组
单击箭头用鼠标在机构上选取连接轴
2．“连接轴位置”选项组
表示连接轴位置的度量，对于连接轴使用角度表示的，是相对于零点位置的角度值，介于-180-180度之间。
3．“零参照”选项卡
（1）“指定参照”复选框：
勾选该复选框，绿色主题参照和橙色主体参照变为可选。
（2）“绿色主体参照”选项组：
选取一个点、顶点、曲面或平面作为“绿色主体参照”。
（3）“橙色主体参照”选项组：
选取一个点、顶点、曲面或平面作为“橙色主体参照”。
定义旋转轴的连接轴零点参照时应注意下列事项：
（1）点-点零点参照：
“机械设计模块”以垂直于旋转轴的方向从每一点绘制向量。
这两个向量对连接零点应重合。
这两个点不能位于连接轴上。
（2）点-平面零参照：
包含点和旋转连接轴的平面应平行于为连接零点选取的平面。
该点不能位于连接轴上。
（3）平面-平面零参照：
这两个平面在连接零点处平行。
两个平面都必须平行于旋转轴。
这里的主体主要是指如果通过Pro/ENGINEER中的连接方式将主体连接一起，则第一主体是组件，被添加的主体是元件。
“零参照”选项卡上的绿色主体指元件放置过程中的组件主体，而橙色主体则指元件。
选取连接轴后,系统会将组件主体和元件主体分别以绿色和橙色显示，同时“机械设计”还显示平面或向量，用来定义零点参照。
对于平移连接轴，显示一个绿色平面和一个橙色平面。
对于旋转连接轴，显示一个绿色箭头和一个橙色箭头。
另一个绿色箭头用于指示正测量的方向。
这些参照会改变方向，以反映“连接轴位置”文本框中的值。
4．“再生值”选项卡：
勾选指定再生值复选框，在“再生值”文本框中输入想要的位置，再按下Enter键，机构即可按指定的位置重新生成。
如图1-30所示。
图1-29连接轴设置对话框图1-30再生值选项卡
5．“属性”选项卡：
可以指定是否启用限制和摩擦。
（1）启用限制：
勾选此复选框，可以为连接轴指定最小和最大位置，限制连接轴在此范围内运动。
恢复系数用在凸轮从动连接，槽连接等具有冲击的运动中，恢复系数定义为两个图元碰撞前后的速度比，数值范围为0-1。
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。
（2）启用摩擦：
勾选此复选框，可以为连接轴指定摩擦，
，
为动摩擦系数，R（只限于旋转轴）。
图1-31属性选项卡
连接轴设置体验：
接上面的例子example1
（6）单击“应用程序”→“机构”，选择“连接轴设置”。
弹出“连接轴设置”对话框，单击“选取连接轴”，通过鼠标选取上面所定义的连接轴。
在“连接轴位置”文本框中输入角度为120度，单击“生成零点”。
（7）单击“再生值”选项卡，勾选“启用再生值”复选框，在“再生值”文本框中输入60，按下Enter键，机构立即改变到图1-32所示的位置。
重新输入-120度，按下Enter键，机构立即改变到图1-33所示的位置，单击确定按钮。
此两幅图依据读者的系统有所不同。
主要是体验一下连接轴的设置功能。
读者可以自行输入自己所要的角度值进行比较。
图1-3260度位置图图1-33-120度位置图
1.4.4拖动功能
定义完连接轴后，可以使用拖动功能，来查看定义是否正确，连接轴是否可以按设想的方式运动。
可使用快照创建分析的起始点，或将组件放置到特定的配置中。
可以使用接头禁用和主体锁定功能来研究整个机械或部分机械的运动。
单击“机构”→“拖动”或直接单击工具栏图标
可以进入拖动对话框。
分别介绍一下各个菜单的功能。
1.快照与拖动工具栏：
给机构拍照。
拖动到一个位置时单击此按钮可以拍照。
同时该照添加到快照列表中。
拖动点。
选取主体上某一点，该点会突出显示，并随光标移动，同时保持连接。
该点不能为基础主体上的点。
拖动主体。
该主体突出显示，并随光标移动，同时保持连接。
不能拖动基础主体。
撤消命令。
重做命令。
所谓的基础主体，就是在装配中添加元件或新建组件时按
接受缺省约束定义为基础主体。
2.快照选项卡：
显示选定快照。
在列表中选定快照后单击此按钮可以显示该快照中机构的具体位置。
打开“快照构建”对话框，选取其他快照零件位置用于新快照。
就是拷贝其他快照。
将选定快照的名改为“当前快照”输入框中的名称。
相当于改变列表框中快照的名称。
使选定快照可用作Pro/ENGINEER分解状态。
随后分解状态可用Pro/ENGINEER绘图视图中。
单击此按钮时，“机械设计”在列表上的快照旁放置一个图标。
从列表中删除选定快照。
图1-34拖动对话框图1-35约束选项卡
3.“约束”选项卡：
应用约束后，“机械设计”会将其名称放置于约束列表中。
通过选中或清除列表中所选约束旁的复选框，可打开和关闭约束。
也可选择如下选项进行临时约束：
选取两个点、两条线或两个平面。
这些图元将在拖动操作期间保持对齐。
选取两个平面。
两平面在拖动操作期间将保持相互匹配。
为两个平面，使其互成一定角度。
并选取连接轴以指定连接轴的位置。
指定后主体将不能拖动。
并选取主体，可以锁定主体。
并选取连接。
连接被禁用。
从列表中删除选定临时约束。
使用所应用的临时约束来装配模型。
4.“高级拖动选项”选项卡：
打开“移动”对话框，它允许执行封装移动。
指定当前坐标系。
通过选择主体来选取一个坐标系，所选主体的缺省坐标系是要使用的坐标系。
X、Y或Z平移或旋转将在该坐标系中进行。
指定沿当前坐标系的X方向平移。
指定沿当前坐标系的Y方向平移。
指定沿当前坐标系的Z方向平移。
指定绕当前坐标系的X轴旋转。
指定绕当前坐标系的Y轴旋转。
指定绕当前坐标系的Z轴旋转。
参照坐标系：
可使用选择器箭头在模型中选取坐标系。
拖动点位置：
实时显示拖动点相对于选定坐标系的X、Y和Z坐标。
图1-36高级拖动选项卡
拖动功能体验，接上一例子example1：
（8）选择“应用程序”→“标准”重新进入装配环境下。
单击
添加零件，打开“打开”对话框，选取c.prt，单击打开，弹出“元件放置”对话框。
单击“连接”选项卡，选取c.prt的轴和a.prt的轴对齐如图1-39所示，选取轴的小端面和c.prt的一个侧面对齐如图1-40所示。
完成连接定义，单击确定。
实体参照如图1-37所示。
完成后见图1-38所示。
图1-37销钉连接实物图图1-38连接完成图
图1-39轴对齐图图1-40平移图
（9）单击
弹出“拖动”对话框，点击
图标，然后选b.prt的一个点可以拖动b.prt绕着轴旋转。
按下
后给当前机构拍照，列表框中增加快照Snapshot1。
拖动b.prt在不同的位置拍照，列表框中增加Snapshot2，Snapshot3，Snapshot4等快照列表。
如图1-41所示。
（10）任意选取其中某个快照，单击
可以使机构重新定义到该快照中所记录的机构位置，选取快照Snapshot3，并在文本框中将其改为snapshot4，再单击
，则将快照Snapshot3改成快照snapshot4所记录的机构位置。
（11）单击“约束”选项卡→单击“
”锁定主体图标，选择b.prt和c.prt，单击“确定”→“确定”如图1-42所示，则完成主体锁定定义。
列表框中出现“主体-主体锁定”复选框，去掉前面的勾号可以解除主体-主体锁定。
系统以青色显示主动主体b.prt，以橙色显示从动主体c.prt。
单击
拖动。
可看见c.prt随b.prt之一起转动。
实体图参考如图１-43所示。
图1-41增加快照图图1-42增加主体锁定图
图１-43主体锁定实例参考图
1.4.5定义驱动
定义完连接后就需要加饲服电机才能驱使机构运动，单击“机构”→“伺服电动机”或直接单击工具栏图标
。
弹出“伺服电动机”对话框如图１-44所示。
在对话框右边有新建，编辑，复制，删除四个按钮，左边的列表框显示定义的饲服电动机名称和状态，在Pro/E中这样的对话框很多，可以方便的进行管理。
单击“新建”按钮弹出饲服电动机定义对话框。
图1-44伺服电动机对话框
1．“新建”按钮：
可以创建伺服电动机。
2.“编辑”按钮：
重新编辑选定的伺服电动机。
3．“复制”按钮：
在原有的基础上重新创建同样的电动机。
4．“删除”按钮：
删除选定的电动机。
单击“新建”弹出“伺服电动机定义”对
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