工业数字孪生项目2任务4 约束的建立与应用

项目2机电对象的

使用与运动仿真任务4约束的建立与应用目录01任务说明02知识准备03任务实施04任务评价与拓展任务说明1任务说明

本任务以DLDS-532实训平台中分布于各站台面的按钮和旋钮为例，介绍MCD仿真中线性/角度弹簧副、线性/角度限制副、弹簧阻尼器等类型约束的建立、设置及使用方法，从而实现按钮被按下、旋钮被转动后回弹的运动仿真。

本任务所涉及的各单元与模块布局如图2-32所示。通过完成本任务，学生将掌握NXMCD仿真环境中对机电对象进行运动仿真所需要的约束进行创建与设置的方法，以及对其加以应用的调试技巧，从而为完成更复杂与综合化的仿真任务做好准备。图2-32知识准备2知识准备

1.约束的用途与分类

在NXMCD仿真环境中，约束的类型包括角度弹簧副、线性弹簧副、角度限制副、线性限制副、断开约束、弹簧阻尼器等。在这其中，较为常见的、与DLDS-532实训平台的数字孪生实战联系也最为紧密的约束类型是角度/线性弹簧副和弹簧阻尼器。

角度弹簧副可连接两个对象，并在所选对象之间的角度发生变化时对应产生扭矩。

线性弹簧副可连接两个对象，并在所选对象之间的距离发生变化时对应产生作用力。

类似地，上述对应角度或距离发生变化而对应产生扭矩或作用力的效果也可以通过使用弹簧阻尼器来实现，但其作用对象只能是轴运动副。知识准备

2.约束的参数选项如图2-33~图2-35所示，在本任务创建约束的过程中，一般有以下常用选项。图2-33图2-34图2-35知识准备（1）连接体对象/轴运动副

在创建角度弹簧副或线性弹簧副时，连接体是约束所涉及运动的主体，是一个被弹簧副约束的刚体。在创建角度弹簧副或线性弹簧副时，必须为其选择连接体对象。

类似地，在创建弹簧阻尼器时，必须选择受其约束的轴运动副。轴运动副的类型可以是滑动副、铰链副或圆柱副等。（2）基本体对象

该选项只适用于弹簧副。基本体是连接体所依附的对象。若不为弹簧副选择基本体，则其连接体会被视为与地面连接，且仍需要在此选择指定方向（角度弹簧副）或指定点（线性弹簧副）。（3）指定方向

该选项只适用于角度弹簧副。指定方向代表在弹簧副中连接体或基本体进行相对运动的方向。当两个指定方向之间的角度发生变化时，角度弹簧副即产生对应的扭矩。知识准备（4）指定点

该选项只适用于线性弹簧副。指定点代表在弹簧副中连接体或基本体进行相对运动的参考点。当两个指定点之间的距离发生变化时，线性弹簧副即产生对应的作用力。（5）弹簧常数

弹簧常数代表约束中弹簧的刚度。对于角度弹簧副和连接体为具有旋转自由度的运动副的弹簧阻尼器，其默认单位为N·mm/(°)；对于线性弹簧副和连接体为具有平移自由度的运动副的弹簧阻尼器，其默认单位为N/mm。（6）阻尼

阻尼对应约束中弹簧的阻尼系数。对于角度弹簧副和连接体为具有旋转自对于线性弹簧副和连接体为由度的运动副的弹簧阻尼器，其默认单位为N·mm·s/(°)具有平移自由度的运动副的弹簧阻尼器，其默认单位为N·s/mm。知识准备（7）松弛位置

对于角度弹簧副，松弛位置是指对应弹簧扭矩为零时，连接体指定方向相对于基本体指定方向的角度值，其默认单位为°；对于线性弹簧副，松弛位置是指对应弹簧作用力为零时，连接体指定点相对于基本体指定点的距离值，其默认单位为mm；对于弹簧阻尼器，松弛位置是指弹簧作用力为零时，连接体（即其所约束运动副）的位置，其默认单位为mm。（8）名称

可自行设置约束的名称，以便后续辨认管理。该选项为可选项，如果不进行设置，软件会自动为约束分配名称。任务实施3任务实施一、按钮被按下后回弹在这一子任务中，目标是建立可控制位于DLDS-532实训平台中智能仓储单元（三站）台面上黄色按钮运动的运动副和约束，并验证在上述运动副与约束控制下，按钮被按下及回弹时的运动效果。

根据对实训平台实际硬件的观察、分析可知，位于三站台面上的按钮只可在台面法线方向上滑动。因此，应先建立控制按钮沿台面法线方向平移的运动副，以其作为弹簧阻尼器的轴运动副，并妥善设置各约束参数，使上述运动副与弹簧阻尼器能够配合实现按钮被按下及回弹的运动效果仿真。任务实施

（1）刚体与对象源的创建与设置（1）准备工作

为使按钮正确工作，首先需要进行如下的准备工作：1）为三站台面上的黄色按钮创建刚体。2）为上述黄色按钮创建滑动副（或通过设置限位而不允许旋转运动的柱面副），令按钮可被“按下”，即跟随模拟按下动作的鼠标左键单击拖动动作而沿台面法线方向下降，如图2-36所示。注意，在此应为滑动副设置合理的限位。图2-36任务实施（2）按钮弹簧阻尼器的建立与设置1）单击“主页”选项卡下“机械”组中的“更多”按钮，并在弹出的菜单中选择“约束”类别下的“弹簧阻尼器”，开始建立目标约束。2）设置一较小的弹簧常数值，如2N/mm。3）设置一较小的阻尼值，如0.1N·s/mm。4）配合对应轴运动副的设置，设置弹簧阻尼器的松弛位置，如-10mm。5）根据需要，为弹簧阻尼器设置名称。至此，对该弹簧阻尼器的设置如图2-37所示。6）单击“确定”按钮，完成弹簧阻尼器的建立与设置。后续若有需要，可在机电导航器中双击弹簧阻尼器以对其进行修改。图2-37任务实施（3）按钮被按下及回弹的运动效果验证单击“主页”选项卡下“仿真”组中的“播放”按钮开始仿真，并在仿真开始后，单击三站台面黄色按钮并按住鼠标左键不放，拖动按钮向下运动，模拟其被按下的过程，接着松开鼠标左键，验证按钮被按下及回弹的运动效果。任务实施一、旋钮被转动后回弹

（1）准备工作为使旋钮正确工作，首先需要进行如下的准备工作：1）为三站台面上的黑色旋钮创建刚体。在这一子任务中，目标是建立可控制位于DLDS-532实训平台中智能仓储单元（三站）台面上黑色旋钮运动的运动副和约束，并验证在上述运动副与约束控制下，旋钮被转动及回弹时的运动效果。

根据对实训平台实际硬件的观察、分析可知，位于三站台面上的旋钮只可绕台面法线转动。因此，应先建立控制旋钮绕台面法线转动的运动副，再建立使旋钮转动后偏离初始位置时产生力矩的角度弹簧副作为约束，并妥善设置各约束参数，使上述运动副与角度弹簧副能够配合实现旋钮被转动及回弹的运动效果仿真。任务实施2）为上述黑色旋钮创建铰链副（或通过设置限位而不允许平移运动的圆柱副），如图2-38所示，令按钮可被“转动”，即跟随模拟按下动作的鼠标左键按下拖动动作而绕台面法线转动。注意，在此应为铰链副设置合理的限位。图2-38任务实施

（2）角度弹簧副的建立与设置1）单击“主页”选项卡下“机械”组中的“更多”按钮，并在弹出的菜单中选择“约束”类别下的“角度弹簧副”，开始建立目标约束。2）在弹出的“角度弹簧副”对话框中，单击“连接体”部分的“选择对象”后，再单击软件主界面或机电导航器中的三站台面黑色旋钮刚体，将其选为角度弹簧副的连接体。3）单击“连接体”部分的“指定方向”后，选择任一平行于台面的矢量作为连接体的指定方向。4）由于在仿真模型中与在实体设备中不同，旋钮未与其他活动部件连接，因此不需要为角度弹簧副选择基本体。5）单击“基本体”部分的“指定方向”后，选择与连接体指定方向平行的矢量作为基本体的指定方向。任务实施6）设置一较小的弹簧常数值，如1N·mm/(°)。7）设置一较小的阻尼值，如0.01N·mm·s/(°)。8）配合对应轴运动副的设置，设置弹簧阻尼器的松弛位置，如90°。9）根据需要，为角度弹簧副设置名称。至此，对该角度弹簧副的设置如图2-39所示。10）单击“确定”按钮，完成角度弹簧副的建立与设置。后续若有需要，可在机电导航器中双击角度弹簧副以对其进行修改。图2-39任务评价与拓展4任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分1三站台面黄色按钮被按下后的运动效果黄色按钮可在仿真运行中保持在初始位置而不自行下落30黄色按钮可被拖动以模拟被按下的运动效果黄色按钮能且只能在正确方向上被拖动黄色按钮被拖动过程中受到合适的限位约束黄色按钮被拖动过程中受到合适的弹簧阻力任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分2三站台面黄色按钮被按下后的运动效果黄色按钮可在仿真运行中保持在初始位置而不自行下落30黄色按钮可被拖动以模拟被按下的运动效果3三站台面黑色旋钮被按下后的运动效果黑色旋钮可在仿真运行中保持在初始位置而不自行转动20黑色旋钮可被拖动以模拟被转动的运动效果黑色旋钮被拖动过程中受到合适的限位约束黑色旋钮可在仿真运行中模拟被转动后回弹的运动效果黑色旋钮能且只能回弹至初始位置任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分4三站台面黑色旋钮被按下后回弹的运动效果黑色旋钮可在仿真运行中模拟被转动后回弹的运动效果20黑色旋钮能且只能回弹至初始位置任务评价与拓展

断开约束的建立和设置步骤如下：1）单击“主页”选项卡下“机械”组中的“更多”按钮，并在弹出的菜单中选择“约束”类别下的“断开约束”。2）在“运动副”组中，单击“选择对象”，在软件主界面中选择一个运动副。3）在“约束”组中，从“断开模式”列表中选择一个断开模式。4）在“最大幅值”框中，键入使接头断开的最大力或扭矩的值。拓