机构运动仿真基本知识.docx

1、机构运动仿真基本知识机构仿真是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 An sys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 Freedom)

2、 - 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，而不考虑移动机构所需的力

3、。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 - 全局

4、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

5、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， 将

6、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，机构连接使用一个或多个组合约束来约束元件

7、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：啟置 移动飞属性二-it用户定义乜动11 11禅j工讶怜选取旦动类型约束的任意卷照.by伽址L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、6D0F、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

8、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

9、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。6D0F:即6自由度，也就是对元件不作任何约束，仅用一

10、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

11、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 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：用户曲芝二by dwdqbt性钉晞拄面 接质规一 刚销滑圆平球焊釉常一放置 琏动-r 1 IBPUF : 一 1 閩 PWT y毘户定义约束连接：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

12、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。常规一匹配/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 常规一插入：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

13、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。常规一坐标系：选取对象为两个坐标系，与6D0F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，再转换为机构约束后 变为焊接”连接。常规一线上点：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。常规一曲面上的点：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

14、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。常规一曲面上的边：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

15、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

16、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，不再详述。约束转换机构连接与约束连接可相互转换。在

17、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。 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：放置 移动 阳吁 犀性cf选取自动类型约色约東转换为机构连接或反之? d舉d qb t基础与重定义主体基础是在运动分

18、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”模块后，编辑”一重定义主体”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：重定覚主体PT约束曲宙偏移：朋.五:mcT5. 11

19、 - -6 - - - = K- 117 rws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” “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

20、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

21、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

22、），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

23、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

24、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”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

25、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

26、的事项：A PROE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

27、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，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

28、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：1卜為镇拖动匝茂伺服电动机伺服电动机可规定机构以特定方式运动。 伺服电动机引起在两个主体之间、 单个 自由度内的特定类型的运动。伺服

29、电动机将位置、速度或加速度指定为时间的函 数，并可控制平移或旋转运动。通过指定伺服电动机函数，如常数或线性函数， 可以定义运动的轮廓。可从多个预定义的函数中选取， 也可输入自己的函数。可 在一个图元上定义任意多个伺服电动机。如果为非连续的伺服电动机轮廓选取或定义了位置或速度函数， 在进行运动或动态分析时这个伺服电动机将被忽略。但是，可在重复组件分析中使用非连续伺服 电动机轮廓。当用图形表示非连续伺服电动机时，系统将显示信息指示非连续的 点。伺服电动机分为两种，一种是连接轴伺服电机，用于定义某一旋转轴的旋转运动， 一种是几何伺服电机，用于创建复杂的运动，如螺旋运动。连接轴伺服电机只需 要选定一个

30、事先由机构连接（如销钉）所定义的旋转轴，并设定方向即可，连接 轴伺服电机可用于运动分析。几何伺服电机需要选取从动件上的一个点 /平面，并选取另一个主体上的一个点/平面作为运动的参照，并需确定运动的方向及种类，几何伺服电机不能用于运动分析。连接轴伺服电机选取一根旋转轴，并指定方向几何伺服电机根据选取的对象分以下几种：从动 点”参照 点”平移；从动 点”参照 平面”旋转；从动 平面”参照 平 面”旋转；从动 点”参照 平面”平移；从动 平面”参照 平面”平移。其 中，前三种需要再选取一条直边来定义运动方向，后两种不需要。电机轮廓也即是从动件的运动规律，对于平移运动，它是长度（单位： mm）对时间的

31、函数，对于旋转，它是角度（单位：度）对时间的函数。点最下方的 图形”按钮，将会以图形的方式显示出电机的轮廓，其横轴就是时间，其纵轴，就 是位置或速度或加速度。 模”定义的就是图形的形状， 规范”里定义的就是 模”所定义的图形的纵轴所代表的意义。模有九种：常数、斜坡、余弦、 SCCA、摆线、抛物线、多项式、表、用户定义的。规范有三种：位置、速度、加速度。其 中模里的SCCA这一种，只能用于描述加速度（即对应的 规范”只能是加速度）。 规范”为位置时，无需自己定义初始位置，为速度时，需定义 初始角”为加速度时，需定义 初始角”和初始角速度”默认位置为当前屏幕上的位置。点规范”下的那个按钮，可进入 连接轴设置”窗口，对当前电机所用的连接轴进行设置。伺服电动机定义窗口：电动机的轮廓(模)电动机的模用来描述电动机的轮廓， 定义模时，需选定模函数并输入函数的系数 值。对于伺机服电动机，函数中的 X为时间，对于执行电动机，函数中的 X为 时间或选取的测量参数。模函数一共有九种：常数、斜坡、余弦、 SCCA、摆线、抛物线、多项式、表、用户定义的。下面先