沟槽凸轮机构的设计和运动仿真.doc

摘摘 要要 在当今经济全球化 市场竞争日趋激烈的时代 新产品的开发时间成为企业能 否在激烈的市场竞争中取胜的关键因素 传统的产品设计过程中重复计算 重复建 模等工作量很大 一直困扰着产品开发人员 严重影响了产品的设计质量和效率 这种现象在凸轮的设计中尤为突显 针对这一问题 本课题利用 Pro E 软件中的运 动仿真模块对凸轮机构运动进行模拟仿真 本论文的主要研究内容有 1 沟槽凸轮设计 2 沟槽凸轮机构的零部件的实体建模 3 沟槽凸轮机构的运动仿真 关键词 沟槽凸轮 实体建模 运动仿真 ABSTRACT In the competitive era of economic globalization and increasingly markets the development time for new product become a key factor to win in the fierce competition market The traditional product design process of double counting such as repeated heavy workload and modeling have troubled the product development staff a serious impact on product design quality and efficienct This phenomenon is particularly on the design of cam highlights Address with this problem the subject of using the movement simulation module of Pro E software on the cam movement simulation In this paper the main research contents are as follows 1 Designing the groove cam 2 Modeling the mechanism parts of groove cam 3 Motion simulating of the groove cam mechanism Key Words Cam groove Modeling Motion Simulation 目 录 绪 论 1 1 1 本文研究的背景 1 1 1 1 我国凸轮机构的研究现状 1 1 1 2 我国凸轮机构 CAD CAM 的研究现状 1 1 1 3 国外凸轮机构及其 CAD CAM 的研究现状 2 1 1 4 我国凸轮 CAD 系统存在的问题 2 1 2 本文研究的主要内容 2 1 3 本文意义 3 1 4 本章小结 3 2 凸轮机构设计分析 4 2 1 从动件运动规律的选取 4 2 1 1 从动件常用的基本运动规律 4 2 1 2 从动件运动规律的选取原则 4 2 2 凸轮机构基本尺寸的设计 5 2 2 1 凸轮机构压力角和基圆半径 5 2 2 2 凸轮机构的偏距 6 2 2 3 凸轮滚子半径 6 2 3 凸轮轮廓设计 7 2 4 机构简介 8 2 5 本章小结 9 3 凸轮机构的实体建模与装配 10 3 1 Pro E 软件简介 10 3 2 零部件的实体建模 10 3 3 装配原理简介与装配模型的建立 12 3 3 1 Pro E 仿真装配原理介绍 12 3 3 2 装配模型建立 14 3 4 本章小结 17 4 凸轮机构的运动仿真 18 4 1 计算机仿真概述 18 4 1 1 计算机仿真的基本概念及特点 18 4 1 2 计算机仿真技术在制造业中的应用 18 4 2 Pro E 运动仿真简介 19 4 2 1 Pro E 运动仿真的特点 19 4 2 2 Pro E 运动仿真的基本术语 20 4 2 3 Pro E 运动仿真的步骤 21 4 3 凸轮机构的运动仿真 21 4 3 1 设置机构环境 21 4 3 2 分析 25 4 4 本章小结 29 结 论 30 致 谢 31 参考文献 32 绪 论 1 1 本文研究的背景 1 1 1 我国凸轮机构的研究现状 凸轮机构是典型的常用机构之一 凸轮机构是能使从动件按照给定的运动 规律运动的高副机构 可以实现任意给定的位移 速度 加速度等运动规律 而且与其它机构配合可以实现复杂的运动要求 工程中 几乎所有简单的 复 杂的重复性机械动作都可由凸轮机构或者包括凸轮机构的组合机构来实现 又 由于凸轮机构具有平稳性好 重复精度高 运动特性良好 机构的构件少 体 积小 刚性大 周期控制简单 可靠性好 寿命长等优点 因而是现代工业生 产设备中不可缺少的机构之一 被广泛用于各种自动机中 例如 自动包装机 自动成型机 自动装配机 自动机床 纺织机械 农用机械 印刷机械加工中 心环刀机构 高速压力机械等 我国以前对凸轮机构深入系统地研究较少 仅在内燃机配气凸轮机构有较 深入研究 1990 年以来 有关凸轮机构的应用研究取得了一大批成果 许多己 应用于生产 陕西科技大学完成的 高速高精度间歇转位凸轮分度机构 CAD CAM 1995 年获陕西省科技进步二等奖 开发的 凸轮分度机构传动装 置 获中国轻工总会优秀新产品一等奖 加工弧面凸轮的 XK5001 双回转坐标 数控铣床 获实用新型专利 天津大学关于分度凸轮机构的研究 得到了国家 自然科学基金的支持 研究开发的两片式平行分度凸轮机构达到了国内领先水 平 此外 上海交通大学 大连轻工业学院 合肥工业大学和山东大学 山东工 业大学 等在理论应用研究方面都取得了很多具有国际或国内先进水平的科研成 果 尽管我国对凸轮机构的应用和研究也有多年的历史 对凸轮机构的设计 运动规律 轮廓线 动力学 优化设计等方面的研究都取得了很多科研成果 但是 与先进国家相比 我国对凸轮机构的设计和制造上都还存在较大的差距 尤其在制造方面 在国外核心技术也只是集中在少数的几家公司和科研机构中 而且由于技术保密等因素 具有一定参考价值的相关资料很少公开发表 这样 就在无形中制约着我国凸轮机构设计和制造水平的提高 造成高速 高精度的 凸轮机构必须依赖进口的被动局面 1 1 2 我国凸轮机构 CAD CAM 的研究现状 我国凸轮机构运动学的理论研究己经达到了较高的水平 为凸轮机构设计 奠定了坚实的理论基础 当今 凸轮机构设计己广泛采用解析法并借助于计算 机来完成 数控机床用于凸轮加工也有很长的历史 我国发表的凸轮机构 CAD CAM 方面的文献较多 但这些凸轮的 CAD CAM 系统核心技术仅被某些 企业所有 并未在市场上以商品软件的形式出现 迄今为止我国凸轮机构 CAD CAM 技术仍未得到有效的推广应用 另外 由于凸轮专用软件开发更新 的速度慢 远远跟不上当今计算机软 硬件的发展速度 使得现有凸轮机构 CAD CAM 软件己大为落后 不能完全适应广大设计人员的要求 1 1 3 国外凸轮机构及其 CAD CAM 的研究现状 自上世纪三十年代以来 人们就开始了对凸轮机构的研究 并且研究工作 随着新技术 新方法的产生和应用在不断深化 60 年代后 对凸轮的研究逐步 成熟起来 出现了较完整的运动规律的设计 在梯萨尔的著作中就采用了多项 式运动规律 对凸轮机构的研究不断向纵深方向发展 开始对凸轮进行有限元 分析及非线性问题的研究 同时 欧美各国学者对高速凸轮的研究也有新的突 破 许多学者发表了关于凸轮机构的优化设计 凸轮振动 动态响应等方面的 论文 日木在凸轮机构方面的研究也有巨大贡献 在机构设计方面 致力于寻 求凸轮机构的精确解和使凸轮曲线多样化 以适应新的要求 并加强了对凸轮 机构动力学和振动方面的研究和标准化研究 发展成批生产的标准凸轮机构 在此基础上进一步拓展凸轮机构 CAD CAM 系统 美国 日木等国家的一些凸 轮制造企业开发了供木企业使用的凸轮 CAD CAM 系统 有的还形成了商业化 软件 如日木 SUNCALL 公司开发的 HYMOCAM 系统等 1 1 4 我国凸轮 CAD 系统存在的问题 通过调研以及查阅大量文献资料 我国现有的凸轮 CAD 系统存在如下问题 1 多数是在 AutoCAD 基础上进行二次开发而成的 不具有三维建模功能 2 没有商品化的凸轮 CAD 系统出现 3 现有的基于 Pro ENGINEER 的凸轮 CAD 系统中 融入先进的数据库管 理技术的还没有主要原因是由于 Pro TOOLKIT 开发界面的功能很弱 而且根木 没有连接数据库的功能 4 由于凸轮专用软件开发更新的速度慢 远远跟不上当今计算机硬件的发 展速度 使得现有的平面凸轮机构 CAD 应用软件已大为落后 不能适应实际生 产的需要 5 集成化 智能化和网络化很不完善 1 2 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容是关于沟槽凸轮机构的运动仿真 首先介绍了沟槽凸 轮的设计 然后在 Pro E 软件中实现其实体建模和装配 最后才对装配好的沟槽 凸轮机构进行运动仿真 并对仿真结果进行了分析 1 3 本文意义 对凸轮机构进行运动仿真 可以根据仿真结果以及碰撞干涉检查 对设计 的零件进行结构等方面的修改 大大简化机构的设计开发过程 缩短开发周期 减少开发费用 同时提高产品质量 1 4 本章小结 首先本章对课题的研究背景进行了详细的介绍 然后又对本文的研究内容 和本文意义进行介绍 2 凸轮机构设计分析 2 1 从动件运动规律的选取 运动规律设计包括对所设计的凸轮机构输出件的运动提出的所有给定要求 例如 推程 回程运动角 远休止角 近休止角 行程以及推程 回程的运动 规律曲线形状 都属于运动规律设计 所谓凸轮曲线并不是凸轮轮廓的形状曲 线 而是凸轮驱动从动件的运动曲线 研究凸轮曲线的目的在于用最短时间 最圆滑 无振动 耗能少的方式来驱动从动件 凸轮曲线特性优良与否直接影 响凸轮机构的精度 效率和寿命 从动件的运动情况 是由凸轮轮廓曲线的形 状决定的 一定轮廓曲线形状的凸轮 能够使从动件产生一定规律的运动 反 过来实现从动件不同的运动规律 要求凸轮具有不同现状的轮廓曲线 即凸轮 的轮廓曲线与从动件所实现的运动规律之间存在着确定的依从关系 因此 凸 轮机构设计的关键一步 是根据工作要求和使用场合 选择或设计从动件的运 动规律 在设计凸轮机构基木尺寸和凸轮轮廓之前 必须根据凸轮机构的工作 性能要求选择从动件的运动规律方程式 选择不同的从动件运动规律将直接影 响凸轮机构的基本尺寸设计 轮廓设计及凸轮机构的运动性能等 2 1 1 从动件常用的基本运动规律 几种常见的基木运动规律有三角函数运动规律 简谐运动规律 摆线运动规 律及双谐运动规律等 简单多项式运动规律 等速运动规律 一次项运动规律 等加等减速运动规律 二次项运动规律 等 2 1 2 从动件运动规律的选取原则 从动件运动规律的选择或设计 涉及到许多因素 除了需要满足机械的具 体工作要求外 还应使凸轮机构具有良好的动力特性 同时又要考虑所设计的 凸轮廓线便于加工 这些因素又往往是互相制约的 因此在选择或设计运动规 律时 必须根据使用场合 工作条件等分清主次 综合考虑 下面是一些常用 运动规律的适用场合 l 等速运动规律在很多情况下能满足凸轮机构推程的工作要求 但是在从 动件行程的开始和终止位置存在刚性冲击 是运动特性最差的曲线 所以等速 运动规律很少单独使用 且不适用于中 高速 2 等加速等减速运动规律的速度曲线连续 在所有曲线中其最大加速度值 为最小 但在从动件行程的开始 终止和由正加速度变为负加速度的中间位置 加速度的有限值突变将导致柔性冲击 因而不能在中 高速场合使用 3 余弦加速度运动规律消除了行程中间位置的加速度突变 且易于计算和 加工 在中速时也能获得合理的从动件的运动 但当这种运动规律用于升 停 回 停运动时 在行程的起始和终止位置因加速度突变而仍有柔性冲击 当 这种规律用于升 回 升型运动时 则加速度曲线连续 没有柔性冲击 4 正弦加速度运动规律用于升 停 回 停运动时 从动件在行程的起始 和终止位置加速度无突变 因而无柔性冲击 有利于机构运转平稳 但它用于 升 停 回 停运动时 在推程与回程的连接点处 跃度从有限的正值变为负 值 因而加速度曲线不连续 这种曲线要求机械加工的准确性高于其他曲线 正弦加速度运动规律广泛用于中速凸轮机构 但不适于高速场合 2 2 凸轮机构基本尺寸的设计 凸轮机构的基本尺寸对凸轮机构的结构 传力性能都有重要的影响 凸轮 机构的基本参数选择的不恰当 则可能造成压力角过大或产生运动失真现象 凸轮机构的基本尺寸之间互相影响 互相制约 所以如何合理地设计这些基本 尺寸 也是凸轮机构设计中要解决的重要问题 凸轮机构基本尺寸的设计问题是在给定从动件运动规律和许用压力角的条 件下寻求一组适用的尺寸 从而使设计的凸轮机构性能佳 寿命长 沟槽凸轮 机构主要设计参数有 基圆半径和偏距 滚子半径 摆杆长度等 为提高凸轮 机构传力效果 希望机构在推程中压力角尽量小 一般来讲 这些参数的选择 除应保证使从动件能够准确地实现预期的运动规律外 还应当使机构具有良好 的受力状况和紧凑的尺寸 2 2 1 凸轮机构压力角和基圆半径 凸轮压力角是从动件运动 速度 方向与传动轴线方向之间的夹角 压力角是 衡量凸轮机构传力特性好坏的一个重要参数 从减小推力 避免自锁 使机构 具有良好的受力状况来看 压力角应越小越好 同时设计凸轮机构时 除了使 机构具有良好的受力状况外 还希望机构结构紧凑 在实现相同运动规律的情 况下 基圆半径越大 凸轮的尺寸也越大 因此 要获得轻便紧凑的凸轮机构 就应当使基圆半径尽可能地小 而基圆半径 r 及偏距 e 与凸轮压力角有如下 0 关系 tan 2 1 0 ss e d ds 2 2 0 ers e d ds 当凸轮逆时针转动 从动件偏于凸轮轴心左侧或当凸轮顺时针转动 从动 件偏于凸轮轴心右侧时 压力角的计算公式 tan 2 2 2 2 0 ers e d ds 由计算公式可知压力角和基圆半径两者是互相制约的 在一般情况下 为 了保证设计的凸轮机构既有较好的传力特性又具有较紧凑的尺寸 设计时两者 应同时考虑 为了保证凸轮机构顺利工作 规定了压力角的许用值 在使 的前提下 选取尽可能小的基圆半径 推荐推程的许用压力角为 移 max 动推杆 30 38 当要求凸轮尺寸尽可能小时可取 45 摆动推杆 00 0 40 45 回程时 由于推杆通常受力较小而无自锁问题 故许用压力角 00 可以取大一点 通常取 70 80 00 在实际工作中 一般都是先根据具体情况预选一个凸轮的基圆半径 待凸 轮轮廓曲线设计完成后 在检查其最大压力角是否满足 max 2 2 2 凸轮机构的偏距 由式 2 1 和式 2 2 可看出 凸轮的转动方向和从动件的偏置方向不同 增大偏距 压力角的变化就不同 若推程压力角减小 则回程压力角将增大 即通过增加偏距来减小推程压力角 是以增大回程压力角为代价的 在设计凸 轮机构时 如果压力角超过了许用值 而机械的结构空间又不允许增大基圆半 径 则可通过选取从动件适当的偏置方向来获取较小的推程压力角 即在移动 滚子从动件盘形凸轮机构的情况下 选择从动件偏置的主要目的是为了减小机 构推程时的压力角 从动件偏置方向选择的原则是 若凸轮逆时针回转 则应使从动件轴线偏 于凸轮轴心右侧 若凸轮顺时针回转 则应使从动件轴线偏于凸轮轴心左侧 2 2 3 凸轮滚子半径 当凸轮廓线为内凹廓线时 实际廓线的曲率半径 理论廓线的曲率半径 a 滚子半径 r 三者之间有如下的关系 r 而当凸轮廓线为外凸廓线 ra r 时 实际廓线的曲率半径 理论廓线的曲率半径 滚子半径 r 三者之间的 a r 关系是 r 当 r 时 则 0 即实际廓线将出现尖点 由于尖点处 a r ra 极易磨损 故不能实用 若 r 则 0 这时实际廓线将出现交叉 当进行 ra 加工时 交点以外的部分将被刀具切去 使凸轮廓线产生过度切割 致使从动 件不能准确地实现预期的运动规律 这种现象称为运动失真 为了避免凸轮实 际廓线产生过度切割 有两种途径 一是减小滚子半径 r 二是增大理论轮廓 r 线的最小曲率半径 min 实际凸轮时应保证凸轮实际廓线的最小曲率半径不小于某一许用值 r 2 3 mina min r a 一般取 3 5 mm a 用解析法设计凸轮机构时 通常是先根据机构和强度条件选择滚子半径 r 然后校核 r 若不满足 则应增大基圆半径重新设计 rmina min r a 2 3 凸轮轮廓设计 实现从动件运动规律主要依赖于凸轮轮廓曲线形状 因而轮廓曲线设计是 凸轮机构设计中的重要环节 凸轮机构设计的主要任务便是凸轮轮廓曲线的设 计 传统的凸轮轮廓设计方法通常采用作图法或解析计算的方法描点 作图法 虽简便易行 但其效率低 绘出的凸轮轮廓不够准确 所谓用解析法设计轮廓 线 就是根据人们所要求的从动件的运动规律和已知的机构参数 求出凸轮廓 线的方程式 并精确地计算一出轮廓线上各点的坐标值 解析法绘出的凸轮轮 廓误差相对较小 但计算量大 目前精确设计凸轮轮廓的方法有包络法 速度 瞬心法 等距曲面法等等 包络法利用凸轮和从动件的几何关系导出接触点的 轨迹方程 速度瞬心法利用凸轮和从动件瞬时速度中心确定凸轮和从动件在某 一瞬时接触点的位置 在滚子从动件盘形凸轮机构中 凸轮的实际廓线是以理 论廓线上各点为圆心 作一系列滚子圆 然后作该圆族的包络线得到的 因此 实际廓线与理论廓线在法线方向处处等距 该距离均等于滚子半径 下面介绍的是滚子摆动从动件凸轮轮廓曲线参数方程的建立 图 2 1 摆动滚子从动件盘形凸轮机构 图 2 1 所示为一摆动滚子从动件盘形凸轮机构 已知凸轮机构转动轴心 O 与摆杆摆动轴心 A 间的中心距为 a 摆杆长度为 l 选取直角坐标系 XOY 如图 0 2 1 所示 当从动件处于起始位置时 滚子中心处于 B 点 摆杆与连心线 OA 0 之间的夹角为 当凸轮转过角后 从动件摆过角 由反转法原理作图可 00 以看出 此时滚子中心将处于 B 点 由图可知 B 点的坐标 x y 分别为 x asin lsin 0 y acos lcos 2 4 0 从动件凸轮机构中 凸轮的实际轮廓线是以理论轮廓线上各点为圆心作一 系列滚子圆 然后作该圆族的包络线得到的 因此 实际轮廓线与理论轮廓线 在法线方向上处处等距 该距离均等于滚子半径 所以如果已知理论轮廓线上 任意一点 B 的坐标 x y 时 只要沿理论轮廓线在该点的法线方向取距离为 r 即可得到实际轮廓线上相应点 B 的坐标值 x y r 理论轮廓线上 B 点处的法线的斜率为 tan 2 5 y x d d d d d d y x 实际轮廓线上对应点 B 的坐标可由下式求出 x xr cos r y yr sin 2 6 r 其中 cos sin可由公式 2 5 求的 cos 22 d d d d d d y x y sin 2 7 22 d d d d d d y x x 将式 2 7 代入式 2 6 得到 x xr r 22 d d d d d d y x y y yr 2 8 r 22 d d d d d d y x x 式 2 8 即为凸轮实际轮廓曲线方程 式中 号用于外包络线 号 用于内包络线 2 4 机构简介 本文要求机构输出端能实现升 停 回 停的往复运动 并要求行程的起 始和终止位置加速度无突变 加速度曲线连续 无柔性冲击 运转平稳 为了 达到这个要求 本文采用的方案为凸轮机构 根据机构运动的要求和凸轮机构 从动件运动规律的选取原则 本文选取的凸轮机构从动件的运动规律为正弦加 速度规律 但正弦加速度运动规律用于升 停 回 停运动时 在推程与回程 的连接点处 跃度从有限的正值变为负值 因而加速度曲线不连续 为此本为 选取的凸轮机构从动件的运动规律为修正正弦加速度规律 在设计具体的凸轮机构时 本文考虑了两种方案 第一种是滑块直接与凸 轮连接的空间凸轮机构 第二种是凸轮与滑块并排的平面沟槽凸轮机构 考虑 到安装尺寸和装配要求 本文选取第二种方案 在第二种方案中滑块和凸轮机 构是并排的 不易连接 因此在两者间加了个连杆 具体的原理示意图如图 2 2 所示 图 2 2 摆动滚子从动件平面槽凸轮连杆组合机构原理示意图 这个机构由两部分组成 沟槽凸轮和连杆滑块机构 其中主动件为由电动 机驱动的沟槽凸轮 从动件为由沟槽凸轮机构驱动连杆滑块机构中的摆杆 运 动输出端为滑块 其中 OB 245mm OD 550mm AB 220mm BC 380mm CD 135mm 由原理示 意图可作出摆动滚子从动件平面槽凸轮连杆组合机构 以后简称为沟槽凸轮机 构 的机构简图 机构简图如图 2 3 所示 图 2 3 沟槽凸轮机构机构简图 2 5 本章小结 1 分析了从动件基本运动规律和组合运动规律 归纳了运动规律选取的原 则 2 介绍了常用凸轮机构压力角 基圆半径 偏距和滚子半径等基本尺寸的 设计要求 3 对凸轮轮廓曲线设计进行简单的分析 列出了凸轮轮廓曲线方程 3 凸轮机构的实体建模与装配 3 1 Pro E 软件简介 Pro E Pro Engineer 操作软件 是美国参数技术公司 Parametric Technology Corporation 简称 PTC 的重要产品 在目前的三维造型软件领域 中占有着重要地位 并作为当今世界机械 CAD CAE CAM 领域的新标准而得到 业界的认可和推广 是现今最成功的 CAD CAM 软件之一 Pro E 第一个提出了参数化设计的概念 并且采用了单一数据库来解决特征 的相关性问题 另外 它采用模块化方式 用户可以根据自身的需要进行选择 而不必安装所有模块 Pro E 的基于特征方式 能够将设计至生产全过程集成到 一起 实现并行工程设计 它不但可以应用于工作站 而且也可以应用到单机 上 Pro E 采用了模块方式 可以分别进行草图绘制 零件制作 装配设计 钣 金设计 加工处理等 保证用户可以按照自己的需要进行选择使用 Pro Engineer 是软件包 并非模块 它是该系统的基本部分 其中功能包括 参数化功能定义 实体零件及组装造型 三维上色实体或线框造型棚完整工程 图产生及不同视图 三维造型还可移动 放大或缩小和旋转 Pro Engineer 是 一个功能定义系统 即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现 其中包括 筋 Ribs 槽 Slots 倒角 Chamfers 和抽空 Shells 等 采用这种手段 来建立形体 对于使用者来说是更自然 更直观 无需采用复杂的几何设计方 式 3 2 零部件的实体建模 1 沟槽凸轮的建模 沟槽凸轮零件的三维实体模型如图 3 1 所示 图 3 1 沟槽凸轮 2 摆杆的建模 摆杆零件的三维实体模型如图 3 2 所示 图 3 2 摆杆 3 连杆的建模 连杆零件的三维实体模型如图 3 3 所示 图 3 3 连杆 4 滑块的建模 滑块零件的三维实体模型如图 3 4 所示 图 3 4 滑块 5 机架的建模 机架零件的三维实体模型如图 3 5 所示 图 3 5 机架 3 3 装配原理简介与装配模型的建立 3 3 1 Pro E 仿真装配原理介绍 1 装配模型的配合联接信息 装配体的配合联接信息即为构成装配体的所有零部件间的互相关联的信息 它包括三维几何约束和拓扑联接关系 三维几何约束就是装配体内各零部件的几何配合关系 它把零部件约束在 某个三维几何空间中 使这些零部件只能在此特定的三维空间中或固定或运动 装配体中的各个零件是不可能孤立存在的 它总是和周围的零件有联系 各个 零部件是有机的统一在一起的 只有这样 装配体才能完成人们赋予它的预期 功能 零部件间的这种关联性和有机统一性体现于各个零部件间的约束之中 这些约束包括设计变量约束和三维几何约束 设计变量约束控制装配体中零件 的实体 三维几何约束确定零件的位置 部件和部件之间的几何空间关系笼统来说是一种拓扑联接关系 它描述的 是一个零件在另一个零件的内部 外部 上面 下面等的定性关系和它们相互 之间的距离 角度等定量关系 这种关系可以通过约束关系来描述 这种约束 关系最终反映到零件的最基本的元素上 一个装配约束作用于两个零件 实质 上就是约束分属于两个零件上的两个几何元素 这些几何元素主要有点 直线 二次曲线 平面 二次曲面等 它可以是零件上实际存在的元素 也可以是零 件的延伸或扩展 或者说是零件的虚拟部分 如基准和参考元素等 对这些虚 拟元素的约束其实也就是对实体零件的约束 上面我们论述过 点 线 面等几何元素之间的关系又存在着定性关系和 定量关系两种 所以我们又把约束分为定性约束和定量约束 定性约束表示零 件间的一种配合性质 如两平面共面 两轴同线等 是一种零件接触的关系 不能用数量来描述 定量约束表示零件之间的一种配合量 如两平面的距离 两线间的夹角等 能用数量来表达 定量约束有时也隐含着定性约束 如两平 面间的距离约束首先必须要求两平面平行 才可能有平面之间的距离 这种平 行约束就是一种定性约束 定性约束不能修改 Modify 只能重新定义 Redefine 定量约束的量可以修改 这种定量约束的可变性就是三维几何约 束的动态性 表 3 1 面向工程的约束分类 约束类型约束量约束元素 同向共面 Mate 无平面 基准面 非接触共面 Mate Offset 有平面 基准面 同向对齐 Align 无平面 基准面 边 轴线 同向距离对齐 Align Offset 有平面 基准面 边 轴线 坐标系对齐 Coord Sys 无坐标系 插入 Insert 无回转面 同向 Orient 无平面 基准面 相切 Tangent 无平面 基准面 边 轴线 回转面 点在线上 Pnt on Line 无顶点 边 轴线 点在面上 Pnt on Srt 无顶点 平面 基准面 点在边上 Edge on Srt 无边 平面 基准面 定性约束包括下面几种 同向共面 反向共面 共线 共点 线在面内 点在线上 点在面上 线面相切 定量约束包括面间距离 面间夹角 线间距 离 线间夹角 点点距离 线面距离及夹角 点线距离 我们可以看出 定量 约束的量为零时 定量约束就转化为定性约束 这种性质使约束可以替代 简 化 分解 综合了以上几种定性和定量的约束 可以将它们归纳成如表所示的 面向工程的约束形式 即为 Pro E 中提供的装配约束形式 零部件之间的三维几 何约束信息的总和 三维几何约束是维系装配体中各零部件间的空间位置和相 对运动的纽带 一般来说 一个部件的定位必须由两个或两个以上的三维约束完成 这些 约束在建立装配模型 确定零部件在装配体中的相对空间位置时就建立起来了 它们是装配模型的重要组成信息之一 2 装配模型中的语义信息 装配模型中的语义信息即附加于装配模型的一些辅助语义信息 它在装配 模型中也同样具有比较重要的作用 如 把每个零部件分类 并冠以不同的类 别名称 这样便于对不同类别零部件采取不同的处理方法 装配工艺路径规划 模块可依据该语义信息按照一定的判别使序列规划更合理更具智能型 如遇到 的子装配体是标准件 如轴承 或作为整体的外购装配体 则当作不可拆分的零件 处理直接拆卸 如遇到联接件 紧固件则应当首先拆卸 这些分类在实现装配 规划时有利于提高各个模块的运算效率 还有零件的材料 重量 体积 重心 与热处理方法等 也是属于装配模型中的语义信息 这些信息对零件的装配特 性有一定的影响 如体积或重量很大的零件其装配性能差 同样 体积很小的 零件装配性能也差 3 装配规则 装配规划即装配工艺规划形象的描述 就是指装配过程中按要求制定的装 配计划 它研究产品装配体是用什么工具 沿怎样的路径 按照怎样的次序装 配起来的 装配规划研究的重点是装配过程设计 装配过程设计相当复杂 它不但要 受零部件设计的几何和功能的影响 而且受制造 装配过程以及经济性的影响 由于装配设计是一个创造性相当强的过程 而目前计算机的创造能力仍无法与 人的创造能力相比拟 所以 目前的装配规划基本上都是以自动装配规划为辅 以计算机辅助装配规划为主 用户在进行装配规划时 可以随意的调入任意装 配模型进行零部件的拆卸与路径的调整 并可以根据个人的意愿任意的选择所 要拆卸的零部件数目 如果用户不想继承建模者所建立的装配模型 也可以很 方便的打破原有模型的子装配体等框架进行装配 同时也可以通过实时仿真功 能可视化的验证规划的合理性与可行性 由于在这个模块中采用了一种特殊的 动画生成模式 所以在整个仿真过程中 整个界面保持了激活状态 便于用户 随时调整视角进行观察 3 3 2 装配模型建立 1 设置工作目录 依次单击主菜单中的 文件 File 设置工作目录 Set Working Directory 命令 在弹出 选取工作目录 Select Working Directory 对话框 中选择 结果 单击按钮 2 建立新的装配文件 单击工具栏中的 新建 工具 弹出 新建 New 对话框 在 类型 Type 栏选择 组件 Assembly 在 子类型 Sub type 栏选择 设 计 Design 在 名称 Name 处接受默认名称 asm0001 取消对 使用 缺省模板 Use default template 复选框的勾选 单击按钮 在出现 新文 件选项 New File Options 对话框中选择 mmns asm design 作为模板 单 击按钮 即进入装配环境 此时工作区显示坐标系 ASM DEF CSYS 及基 准平面 ASM FRONT ASM RIGHT ASM TOP 3 装配零件 单击工具栏中的 装配 工具 在弹出的 打开 Open 对话框中 1 选择 结果 jijia prt 单击按钮 在 元件放置 Component Placement 操控板的对话栏中单击 约束 Constraint 列表 在列表中选择 缺省 Default 项 单击 确认 按钮 完成主体零件的放置 如图 3 6 所示 图 3 6 主题零件的放置 单击工具栏中的 装配 工具 在弹出的 打开 Open 对话框中选 2 择 结果 cam prt 单击按钮 在 元件放置 Component Placement 操控板的对话栏中单击 预定义集 Predefine Set 列表 在列 表中选择 销钉 Pin 选项 设置如图 3 7 所示的约束 图 3 7 销钉约束 单击 确认 按钮 完成凸轮的放置 如图 3 8 所示 图 3 8 凸轮的放置 单击工具栏中的 装配 工具 在弹出的 打开 Open 对话框中选 3 择 结果 baigan prt 单击按钮 在 元件放置 Component Placement 操控板的对话栏中单击 预定义集 Predefine Set 列表 在列表 中选择 销钉 Pin 选项 设置如图 3 9 所示的约束 图 3 9 销钉约束 单击 确认 按钮 完成摆杆的放置 如图 3 10 所示 图 3 10 摆杆的放置 单击工具栏中的 装配 工具 在弹出的 打开 Open 对话框中选 4 择 结果 liangan prt 单击按钮 在 元件放置 Component Placement 操控板的对话栏中单击 预定义集 Predefine Set 列表 在列表 中选择 销钉 Pin 选项 设置如图 3 11 所示的约束 单击 确认 按钮 完成连杆的放置 如图 3 12 所示 图 3 11 销钉约束图 3 12 连杆的放置 单击工具栏中的 装配 工具 在弹出的 打开 Open 对话框中选 5 择 结果 huakuai prt 单击按钮 在 元件放置 Component Placement 操控板的对话栏中单击 预定义集 Predefine Set 列表 在列表 中选择 销钉 Pin 选项 设置如图 3 13 所示的约束 图 3 13 销钉约束 在 元件放置 Component Placement 操控板中单击 放置 Placement 上滑面板 单击该上滑面板中的 新设置 New Set 然后在对话栏中单击 预定义集 Predefine Set 列表 在列表中选择 滑动杆 Slider 选项 设 置如图 3 14 所示的约束 单击 确认 按钮 完成滑块的放置 如图 3 15 所示 图 3 14 滑动杆约束图 3 15 滑块的放置 3 4 本章小结 本章首先就 Pro E 软件进行了简单的介绍 然后又对沟槽凸轮机构进行了简 单的分析 最后进行机构部零件的实体建模和装配 4 凸轮机构的运动仿真 4 1 计算机仿真概述 4 1 1 计算机仿真的基本概念及特点 计算机仿真 Computer Simulation 是指对于某个待研究的系统模型建立其仿 真模型进而在子计算机上对该仿真模型进行模拟实验 仿真实验 研究的过程 所 以计算机仿真是通过对系统模型的实验去研究一个真实系统 从 20 世纪 80 年 代后期开始 计算机仿真在诸多方面都发生了十分重大的转变 仿真研究的对 象己由对连续系统转向离散事件系统 由重视实验转向重视建模与结果分析 由强调并重视与人工智能结合转向强调与图形技术和对象技术结合 使仿真的 交互性大大增强 就应用领域方面而言 计算机仿真己由航空航天转向制造业 并从研究制造对象 产品 的动力学 运动学特性及加工 装配过程 扩大到研究 制造系统的设计和运行 并进一步扩大到后勤供应 库存管理 产品开发过程 的组织 产品测试等 涉及到企业制造活动的各个方面 现代制造的分布性也 使得计算机仿真与网络技术相结合 出现了分布式仿真技术 计算机仿真技术 集成了计算机技术 网络技术 图形图像技术 面向对象技术 多媒体 软件 工程 信息处理 自动控制等多个高新技术领域的知识 计算机仿真技术是以 数学理论 相似原理 信息技术 系统技术及其应用领域有关的专业技术为基 础 以计算机和各种物理效应设备为工具 利用系统模型对实际的或设想的系 统进行试验研究的一门综合性技术 计算机仿真技术还有以下几个优点 1 模型参数任意调整 模型参数可根据要求通过计算机程序随时进行调 整 修改或补充 使人们能掌握各种可能的仿真结果 为进一步完善研究方案 提供了极大的方便 这使得计算机仿真与通常的实物实验相比 具有运行费用 低 无风险以及方便灵活等优点 2 系统模型快速求解 利用计算机 在较短时间内就能知道仿真运算的 结果 数据或图像 3 运算结果可靠 只要系统模型 仿真模型和仿真程序是科学合理的 那么计算机的运算结果一定是准确无误的 正是基于这些优点 计算机仿真方法能优化系统设计 降低实验成本 减 少失败风险 提高预测能力 目前 无论在科学研究还是技术开发或工业设计 中 计算机仿真方法都显示出强大的威力 已成为人们研究复杂系统时不可或 缺的一种手段 4 1 2 计算机仿真技术在制造业中的应用 计算机仿真技术作为一门新兴的高科技技术 在制造业产品设计和制造 尤其在航空 航天 国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中 一直是不 可缺少的工具 它在减少损失 节约经费 缩短开发周期 提高产品质量等方 面发挥了巨大的作用 在从产品的设计 制造至测试维护的整个生命周期中 计算机仿真技术贯穿始终 1 虚拟制造 VM 虚拟制造采用计算机虚拟仿真技术 以新产品及其制造系统的全局最优化 为目标 通过仿真模型 在计算机上仿真生产全过程 实现产品的工艺规程 加工制造 装配和调试 预估产品的功能 性能和加工性等方面可能存在的问 题 从而更加有效地组织生产 增强决策与控制水平 缩短产品开发周期 提 高产品质量 目前虚拟制造技术的研究和应用主要侧重于运动仿真 加工模拟 装配检查 性能评测等方面 其核心技术包括虚拟现实技术 仿真技术 建模 技术和可制造性评价 2 虚拟产品开发 VPD 虚拟产品开发是实际产品开发过程在计算机上的本质实现 即采用计算机 仿真与虚拟现实技术 在计算机上群组协同工作 实现产品的设计 工艺规划 加工制造 性能分析 质量检验等 3 虚拟样机 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中 将分散的零部件设计和分析技 术揉合在一起 在计算机上建造出产品的整体模型 并对该产品在投入使用后 的各种工况进行仿真分析 预测产品的整体性能 进而改进产品设计 提高产 品性能的一种新技术 虚拟样机技术采用了计算机仿真与虚拟技术 在计算机 上通过 CAD CAM CAE 等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中 实现 产品的仿真 分析 虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程当中 它可以用 在概念设计和方案论证中 用虚拟样机来代替物理样机验证设计时 不但可以提高产品设计质量和效 率 而且大幅度地缩短产品研制周期和费用 4 2 Pro E 运动仿真简介 4 2 1 Pro E 运动仿真的特点 在 Pro E 中 我们可以通过对机构添加运动副 驱动器使其运动起来 以实 现机构的运动仿真 而机构又是由构件组合而成的 其中每个构件都是以一定 的方式至少与另一个构件相连接 这种连接既使两个构件直接接触 又使两个 构件产生一定的相对运动 创建机构的过程与零件装配的过程极为相似 与其 他的软件相比较 用 Pro E 做运动仿真的主要特点如下 1 运动输入 运动输入 Motion Input 是赋给运动副控制运动的运动副参数 当创建或编 辑调用一个运动副时 就会弹出运动驱动对话框 使用者可以根据需要选择无 运动驱动 运动函数 恒定运动 简谐运动驱动以及关节运动驱动等 5 种可能 的运动驱动中的一种 2 关节运动分析 当使用者只需要了解某一关节的运动情况时 可以选择分析工具条中的关 节运动分析图标 并输入步长和步数进行分析 3 静力学分析 静力学分析 Static Analysis 将模型移动到平衡位置 并输入运动副上的反作 用力 当选择静力学分析后 时间和步数的输入项将不可选 4 机构运动学 机构动力学分析 机构运动学 机构动力学分析 Kinematic Dynamci Analysis 按输入的时间和步 数进行仿真分析 时间值代表运动分析模型所分析的时间段内的时间 步数值 代表在此时间段内分几个瞬态位置进行分析或显示 5 设计位置和装配位置 模型的装配位置可能不同于模型的设计位置 装配位置与设计位置的区别 是 装配位置是在装配机构时产生的 与使用者装配时所选取的配合面有关 而 设计位置是使用者在运动仿真前人为设置的 使用者可以根据需要进行设定或 者调节设计位置 6 多种形式输出 Pro E 运动仿真的结果可以以多种格式进行输出 这些形式主要有 MPEG Animated GFI 以及 VRML 等 7 预测工程和工程判断准则 Pro E 的运动分析模块是用于预测工程的应用软件 就是说 在许多情况下 在机构进行生产前或者说在机构真正生产出来前 用该软件预测机构的运动特 性 即它类似于有限元分析 Pro E 有限元分析模块 和注塑流动分析 Pro E 塑料 零件分析顾问模块 这些预测都是基于非常复杂的数学理论以及公认的物理和 工程原理 4 2 2 Pro E 运动仿真的基本术语 在机构运动仿真过程中经常会用到以下的基本术语 1 放置约束 件中放置元件并限制该元件是否运动的图元 2 自由度 构件所具有的独立运动的数目 或是确定构件位置所需要的独 立参变量的数目 称为构件的自由度 3 主体 元件或相对不动的一组元件 4 连接 成为联接 它是定义并限制相对运动的构件的关系 联接的作 用是约束构件之间的相对运动 减少机构的总自由度 5 环连接 加到运动环中的最后一个连接 6 接头 连接类型 例如 销连接 滑块杆连接等 乃基础 即大地或者 机架 它是一个固定不移动的零件 其他构件相对于基础运动 在一个运动仿 真机构中 可以定义多个基础 7 运动 从驱动器的构件运动方式 8 拖动 鼠标点取并在屏幕上移动机构 9 驱动器 义一个构件相对于另一个构件的运动方式 可以在接头或几 何图元上放置驱动器 并指定构件之间的位置 速度或加速度运动 10 回放 录并重新演示机构运动 4 2 3 Pro E 运动仿真的步骤 Pro E 运动仿真的步骤的流程图 4 3 凸轮机构的运动仿真 4 3 1 设置机构环境 依次单击主菜单中的 应用程序 Applications 机构 Mechanism 命令 进入机构运动仿真环境 进行机构环境的设置 1 定义凸轮机构连接 单击工具栏中的 凸轮 工具 系统弹出 凸轮从动机构连接定义 Cam Follower Connection Definition 对话框 在 凸轮 1 Cam1 选项卡 中钩选 自动选取 Auto select 复选框 如图 4 1 所示 图 4 1 凸轮从动机构连接定义 对话框 点选如图 4 2 所示的曲面作为凸轮 1 的曲面 然后单击 选取 Select 对话框中的按钮 图 4 2 凸轮 1 曲面 在 凸轮从动机构连接定义 Cam Follower Connection Definition 对话框 中点选 凸轮 2 Cam2 选项卡 并钩选 自动选取 Auto select 复选框 接着点选如图 4 3 所示的曲面作为凸轮 2 的曲面 然后单击 选取 Select 对话框中的按钮 最后单击 凸轮从动机构连接定义 Cam Follower Connection Definition 对话框中的按钮 完成凸轮从动机构连接的定义 如图 4 4 所示 图 4 3 凸轮 2 曲面 图 4 4 凸轮从动机构连接 2 定义伺服电动机 单击工具栏中的 伺服电机 工具 系统弹出 伺服电动机定义 Servo Motor Definition 对话框 在 类型 Type 选项卡中选择 运动轴 Motion Axis 如图 4 5 所示 然后在工作区点选如图 4 4 所示的运动轴 保证凸轮沿逆时针方向旋转 旋转方向可根据右手螺旋定则判断 否则需反向 图 4 5 伺服电动机定义 对话框一 接着单击 轮廓 Profile 选项卡 在 规范 Specification 栏中选择 速度 Velocity 模的大小 A 300 如图 4 6 所示 单击按钮 完成 伺服电动机的定义 图 4 6 伺服电动机定义 对话框二 3 定义快照 单击工具栏中的 拖动元件 工具 系统弹出 拖动 Drag 对话框 单 击对话框中的 然后单击对话框中的 快照 工具 拍下快照 名称接 受默认 Snapshot1 如图 4 7 所示 然后单击 选取 Select 对话框中的 按钮 并单击 拖动 Drag 对话框中的按钮 完成快照的定义 图 4 7 拖动 对话框 4 定义分析 单击工具栏中的 分析 工具 系统弹出 分析定义 Analysis Definition 对话框 名称接受默认 AnalysisDefinition1 在 类型 Type 栏选择 运动学 Kinematic 在 图形显示 Graphical Display 的 终止 时间 End Time 处输入 2 帧频 Frame Rate 处输入 900 并在初 始位置 Initial Configuration 栏选择 快照 Snapshot 单选框 起用定 义的快照 Snaps