機構的動態(tài)分析及運動學仿真畢業(yè)論文

1、<p>　　2011屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計）</p><p>　　題目： 機構的動態(tài)分析及運動學仿真</p><p>　　系 別 工程機械系 </p><p>　　專 業(yè) 機械設計制造及其自動化</p><p>　　班 級 </p><

2、;p>　　學 號 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　二○一一年 月</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　摘要

3、：機構運動分析的任務是在一直尺寸及原動件運動規(guī)律的情況下，確定機構中其他構件上某些點的軌跡、位移、速度及加速度和構件角位移、角速度、角加速度。這些分析無論是設計新機械，還是為了了解現有機構的性能，都是十分重要的，而且是究機械動力性能的重要前提?，F有比較重要的兩種結構運動分析方法：圖解法和解析法?；诮馕龇ǖ木_性同時利用計算機的標準運算等優(yōu)點，我們選擇利用Pro/ENGINEER Wildfire對機構進行運動的分析。我們利用解析法對要

4、研究的W型活塞機構建立方程，給定原動件及構件的尺寸參數，在通過Pro/ENGINEER Wildfire編程來求解相關構件上一點的運動規(guī)律，并對其進行畫圖。然后再利用Proe軟件進行相應的仿真并畫出對應點的運動參量的圖線來驗證我們利用Proe求解出的點的運動規(guī)律。結果這款軟件給出的對應點的運動參量（位移，速度，加速度）圖線完全一致。因此我們得出結論基于Proe的機構運動分析研究是十分科學可靠的，并且有很強的實用性，有很大的利用價值。&l

5、t;/p><p>　　關鍵字：機構運動分析，仿真，Pro/E建模</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The organization is the task of motion analysis has been moving pieces of the original size and movement

6、of thecircumstances, determine the organization of certain other components in the locus ofpoints, displacement, velocity and acceleration and angular displacement components, angular velocity, angular acceleration. The

7、analysis of both the design of new machinery, or to understand the performance of existing institutions are very important to study mechanical power and is an important prereq</p><p>　　Key words: Dynamic An

8、alysis, Dynamic Simulation,Pro / E modeling</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　前 言 …………………………………………………………………………………………4</p><p>　　1緒論 …………………………………………………………………………………………5</p&

9、gt;<p>　　1.1課題提出的背景 ………………………………………………………………………5</p><p>　　1.2課題研究的意義 ………………………………………………………………………5</p><p>　　1.3課題完成的主要工作 …………………………………………………………………7</p><p>　　2機構運動學分析研究過程介紹 ………

10、……………………………………………………8</p><p>　　2.1機構運動學分析 ………………………………………………………………………8</p><p>　　2.2機構運動學分析步驟 …………………………………………………………………8</p><p>　　3機構運動學分析軟件介紹…………………………………………………………………12</p>&

11、lt;p>　　3.1 Pro/E的主要特點 ……………………………………………………………………12</p><p>　　3.2 Pro/E的運動學分析模塊介紹 ………………………………………………………13</p><p>　　4實例研究……………………………………………………………………………………18</p><p>　　4.1創(chuàng)建W型活塞機構……………

12、………………………………………………………18</p><p>　　4.2添加馬達………………………………………………………………………………20</p><p>　　4.3機構的運動仿真………………………………………………………………………21</p><p>　　4.4分析結果和測量值……………………………………………………………………22結 論……………………

13、……………………………………………………………………27致 謝 …………………………………………………………………………………………29 </p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………………………………30</p><p><b>　　前 言</b></p>

14、<p>　　隨著科技的不斷進步， 制造業(yè)正向數字化、全球化、網絡化的方向發(fā)展，產品的生命周期越來越短，新產品的上市速度越來越快。計算機輔助設計/計算機輔助工程/計算機輔助制造（CAD/CAE/CAM）作為數字化技術的重要組成部分，是計算機技術在工程設計、仿真優(yōu)化、制造加工等廣闊領域中具有重大影響的革新技術。</p><p>　　CAD/CAE/CAM技術將計算機高速而準確的運算功能，大容量存儲和處理數據

15、的能力，豐富而靈活的圖形、文字處理功能與設計者的創(chuàng)造性思維能力、綜合分析及邏輯判斷能力結合起來，形成一個設計者思想與計算機處理能力緊密配合的系統。CAD主要包括數據測量、集合建模、計算分析、繪圖與技術文檔生成、工程數據庫的管理和共享等功能。CAE是利用計算機科學和技術的成果，建立被仿真系統的模型，并在某些實驗條件下對模型進行動態(tài)實驗的一門綜合性技術。CAM多的內容廣泛，從協議上指的是數控程序的編制，包括刀具路徑的規(guī)劃、刀位文件的生成、刀

16、具軌跡仿真以及NC代碼的生成等。</p><p>　　作為國民經濟的基礎，各個國家和地區(qū)一直重視制造業(yè)的發(fā)展，CAD/CAE/CAM 技術與制造業(yè)的結合使制造業(yè)發(fā)生了巨大的變革，也使制造業(yè)產生了良好的經濟效益。目前，制造企業(yè)精良的設備、優(yōu)良的工作環(huán)境、優(yōu)厚的待遇和高速增長的產值，不近使其在該行業(yè)中所占比重、就業(yè)人數、社會貢獻位居前列，還在于制造業(yè)為新技術、新產品的開發(fā)和生產提供了重要的物質基礎，是現代化經濟中不可

17、缺少的戰(zhàn)略性產品。</p><p>　　CAD/CAE/CAM軟件技術也在飛速發(fā)展，出現了很多軟件產品，應用范圍比較廣泛的有：Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidWorks、ANSYS、Mastercam、CATIA、Inventor等。由于Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中的機構運動仿真模塊Mechanism可以進行裝配模型的運動和仿真，使得原來在二維圖樣上難以表達和設

18、計的運動變得非常直觀和易于修改，并在Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中，運動仿真的結果不但可以以動畫的形式表現出來，還可以以參數的形式輸出，從而可以獲知零件之間是否干涉、干涉的體積有多大等。根據仿真結果對所設計的零件進行修改，直到不產生干涉為止?？梢詰秒妱訖C來生成要進行研究的運動類型，并可使用凸輪和齒輪設計功能擴展設計。當準備好要分析運動時，可觀察并記錄分析，或測量諸如位置、速度、加速度或力等量，然后以圖形表示這些測

19、量。也可以創(chuàng)建軌跡曲線和運動包絡，以用物理方法描述運動。所以笨課題是在CAD軟件Pro/Engineer環(huán)境中運行。通過對軟件的學習和設計實例的應用，可以證明合理運用三維設計軟件的動態(tài)</p><p>　　基于以上思想，本文就W型活塞機構三維實體造型和仿真分析，并對應用過程中出現的問題作了分析，包括關鍵位置的速度、加速度、位置線圖、動態(tài)仿真動畫以及從不同的角度輸出的活塞機構的運動過程。</p>&l

20、t;p>　　本文用四章的篇幅層層展開，詳細地介紹了動態(tài)仿真技術及運動學分析研究在三維軟件中的應用，并且圖文并茂的詳細講解介紹了動態(tài)仿真技術及運動學分析的具體運用。最后通過實例研究——對W型活塞機構的三維實體建模、裝配，添加各約束馬達，對模型進行運動仿真,測量結果,獲得軌速度、加速度、位置線圖曲線。通過這一實例設計，說明了動態(tài)仿真技術及運動學分析研究的應用價值，進一步驗證了課題的可行性。</p><p>&l

21、t;b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題提出的背景</p><p>　　制造業(yè)是現代國家經濟和綜合國力的基礎，是一個國家經濟發(fā)展的重要支柱，是國民收入的重要來源。隨著科學技術的飛速發(fā)展，全球正在逐漸形成了一個統一的市場，結果導致了激烈的市場競爭，主要表現在客戶需求不斷變化、產品生命周期越來越短、產品更新換代越來越快、產品質量更高、價格越來越便宜、

22、技術含量越來越高、服務越來越好。隨著市場競爭越來越激烈和變化迅速，制造企業(yè)為了在競爭中求生存，必須盡力縮短產品開發(fā)周期和提高產品質量，以優(yōu)良的性能價格比參與競爭。隨著我國市場經濟的快速發(fā)展，特別是中國在加入了WTO以后，企業(yè)正面臨著持續(xù)多變和無法預測的全球化市場競爭。要使中國的制造業(yè)在激烈競爭的市場環(huán)境中生存下來,并占有一席之地，企業(yè)就必須不斷的革新和創(chuàng)造。眾所周知，新產品的開發(fā)是一個極其復雜的過程，傳統的機構設計要歷經很多環(huán)節(jié)，如明確

23、設計任務、方案構思、初步設計、技術設計、樣機試制試驗以及反復修改實驗數據等一系列繁瑣復雜過程。整個設計過程時間長、效率低，尤其是樣機的試制試驗，更是一個消耗材料、加工設備、人力和時間等資源的過程?；趧討B(tài)仿真技術及運動學分析研究就是在這種狀況下不斷改進提出的。隨著現代科學技術的發(fā)展，</p><p>　　1.2 課題研究的意義</p><p>　　ISO標準《數據處理詞匯》原本給出這樣的解

24、釋：</p><p>　　模擬（Simulation）是指選取一個物理的或抽象的系統的某些行為特征，用另一個系統來表示它們的過程。</p><p>　　仿真（Emulation）是指用另一數據處理系統，主要用硬件來全部或部分地模仿某一數據處理系統，以致于模仿的系統能像被模仿的系統一樣接受同樣的數據，執(zhí)行同樣的程序，獲得同樣的結果。</p><p>　　所謂仿真模擬，

25、即是外形仿真、操作仿真、視覺感受仿真，使用真實的汽車模型或其他等比例的飛機、飛船等模型作為參與者的操控平臺，利用VR技術（虛擬現實技術），通過實際操作，使參與者有身臨其境的切身體會。以汽車駕駛為例，在車體內輔以方向盤、檔位裝置和油門踏板、剎車踏板等輸入裝置作為參與者對車輛控制的界面，能夠控制虛擬的車輛在視景中形式，并且車輛的運動在一定程度上符合真實車輛的運動。在車體模型前放置大屏幕，利用單通道或多通道技術裝置在車體模型前形成盡量大的視景

26、，作為車輛控制的視覺回饋。在車內相應位置安裝速度表，轉速表等裝置作為車輛行駛信息的反饋，參與者看到較為真實的虛擬道路景象。同時，在車內配以音響裝置，作為操作中汽車發(fā)動機及路面噪聲、空氣噪聲的回饋裝置，給予參與者操控的聲音回饋。</p><p>　　對一個工程技術系統進行模擬仿真，包括了建立模型、實驗求解和結果分析三個主要步驟。 　　</p><p>　　1.建立系統數學模型</p&g

27、t;<p>　　模擬仿真是一基于模型的活動，是用模型模擬來代替真實系統進行實驗和研究。因此，首先就要對待仿真的問題進行定量描述，這就是建立系統的數學模型。模型是對真實世界的模仿，真實世界是五彩繽紛的，因此模型也是千姿百態(tài)的；根據模型中是否包含隨機因素，可分為隨機型和確定型模型；根據模型是否具有時變性，可分為動態(tài)模型和靜態(tài)模型；根據模型參數是否在空間連續(xù)變化，可分為分布參數模型和集中參數模型；根據模型參數是否隨時間連續(xù)變化，

28、可分為連續(xù)系統模型和離散系統模型；根據模型的數學描述形式，又可分為常微分方程、偏微分方程、差分方程、離散事件模型等。</p><p><b>　　2.仿真計算 　　</b></p><p>　　仿真計算是對所建立的仿真模型進行數值實驗和求解的過程，不同的模型有不同的求解方法。例如：對于連續(xù)系統，通常用常微分方程、傳遞函數，甚至偏微分方程對 其進行描述。由于要得到這些方

29、程的解析解幾乎是不可能的，所以總是采用數值解法，如：對于常微分方程主要采用各種數值積分法，對于偏微分方程則采用有限差 分法、特征法、蒙特卡羅法或有限元方法等。又例如：對于離散事件系統，通常采用概率模型，其仿真過程實際上是一個數值實驗的過程，而這些參數又必須符合一定的概率分布規(guī)律。對于不同類型的離散事件系統（如隨機服務系統、隨機庫存系統、隨機網絡計劃等）有不同的仿真方法。隨著被仿真對象復雜程度的提高和對仿真實時性的迫切要求，研究新的仿真算

30、法一直是一項重要的任務，特別是研究各種并行的仿真算法。</p><p>　　3.仿真結果的分析 　　</p><p>　　要想通過模擬仿真得出正確、有效地結論，必須對仿真結果進行科學的分析。早期的仿真軟件都是以大量數據的形式輸出仿真的結果，因此有必要對仿真結果數據進行 整理，進行各種統計分析，以得到科學的結論?，F代仿真軟件廣泛采用了可視化技術，通過圖形、圖表，甚至動畫生動逼真地顯示出被仿真

31、對象的各種狀態(tài)，使模擬 仿真的輸出信息更加豐富、更加詳盡、更加有利于對仿真結果的科學分析。</p><p>　　合理運用三維設計軟件的動態(tài)仿真技術，可以使設計工作更為直觀、準確和快速。從而提高企業(yè)的設計效率，減輕技術人員的勞動強度，縮短產品的設計周期。運動仿真有助于設計人員從一開始就獲得產品模型，因此，它可以提高產品質量和發(fā)揚設計優(yōu)點，并減少開發(fā)時間、原型和成本，使得產品設計更加快捷，提高產品的設計效率。這樣就提

32、高整個企業(yè)的生產效率，就能更快的滿足客戶的需求，并能根據市場需要及時做出反應，設計出市場急需的產品，能夠的快速實現產品創(chuàng)新過程。超越其競爭對手，最終實現市場新產品的占有率，增強企業(yè)的競爭實力，使企業(yè)在競爭中立于不敗之地。</p><p>　　1.3課題完成的主要工作</p><p>　　1.深入的了解機構的動態(tài)仿真及運動學分析的主要定義及主要內容；</p><p>

33、　　2.掌握動態(tài)仿真及運動學分析在機械設計中的應用；</p><p>　　3.選定運動學分析的相關軟件并掌握其分析過程；</p><p>　　4.介紹Pro/e 軟件的運動分析模塊</p><p>　　5.選定實例機構對其進行機構的動態(tài)仿真及運動學分析；</p><p>　　6.分析總結設計中所發(fā)現的問題，完善不足</p>&l

34、t;p>　　第2章 機械運動學分析研究過程介紹</p><p>　　2.1機械運動學分析</p><p>　　2.1.1 機構運動學的定義</p><p>　　機構運動學是研究構成機構要素的慣性和機構中各元、部件的剛性引起振動的一門學科。機械動力學是機械原理的主要組成部分。它研究機械在運轉過程中的受力、機械中各構件的質量與機械運動之間的相互關系，是現代機械設

35、計的理論基礎。研究機械運轉過程中能量的平衡和分配關系。主要研機構動力學是研究構成機構要素的慣性和機構中各元、部件的剛性引起振動的一門學科。機械動力學是機械原理的主要組成部分。它研究機械在運轉過程中的受力、機械中各構件的質量與機械運動之間的相互關系，是現代機械設計的理論基礎。研究機械運轉過程中能量的平衡和分配關系。主要研究的是：在已知外力作用下，求具有確定慣性參量的機械系統的真實運動規(guī)律；分析機械運動過程中各構件之間的相互作用力；研究回轉

36、構件和機構平衡的理論和方法；機械振動的分析；以及機構的分析和綜合等等。究的是：在已知外力作用下，求具有確定慣性參量的機械系統的真實運動規(guī)律；分析機械運動過程中各構件之間的相互作用力；研究回轉構件和機構平衡的理論和方法；機械振動的分析；以及機構的分析和綜合等等。機構運動學是研究構成機構要素的慣性和機構中各元、部件的剛性引起振動的一門學科。機械運動學是機械原理的</p><p>　　2.1.2機構運動仿真工作流程&l

37、t;/p><p>　　機構運動設計工作流程</p><p>　　在機構運動設計研究中，用戶可以通過添加運動副，使其隨伺服電動機一起移動，并且在不考慮作用于系統上的力的情況下分析其運動。使其運動分析可觀察機構的運動，并測量主體位置、速度和加速度的改變。然后用圖形表示這些測量，或者創(chuàng)建軌跡曲線和運動包絡。</p><p>　　根據以上分析，機構運動仿真總體上可以分為6個部分

38、：創(chuàng)建圖元、檢測模型、添加建模圖元、準備分析、分析模型和獲取結果。如圖2.1所示為機構運動設計的工作流程。</p><p>　　機構動態(tài)分析工作流程</p><p>　　如果想研究所施加的力對機構運動產生的影響，就要用到機構動態(tài)分析。機械動態(tài)分析中包括多個建模圖元，例如彈簧、阻尼器、力/扭矩負荷以及重力等?？筛鶕妱訖C所施加的力及其位置、速度或加速度來定義電動機。除進行位置和運動分析外，還

39、可運行動態(tài)、靜態(tài)和力平衡分析，也可以創(chuàng)建測量、以及檢測連接點上的力以及點、頂點或運動軸的速度或加速度?？纱_定在分析期間是否出現碰撞，并可使用脈沖測量定量由于碰撞而引起的動量變化。</p><p>　　根據以上分析，動態(tài)分析總體上可以分為6個部分：創(chuàng)建圖元、檢測模型、添加建模圖元、準備分析、分析模型和獲取結果。機構動態(tài)分析的工作流程與機構運動設計的工作流程大體相同，但機構動態(tài)分析中增加了許多功能，比如可以添加彈簧、

40、阻尼器、力/扭矩負荷以及重力和執(zhí)行電動機等建模圖元，從而除了可以對機構進行運動和位置分析，還可以對機構進行動態(tài)分析、靜態(tài)分析和力平衡分析。如果要研究機構對施加力所產生的運動，就要用到機構動態(tài)分析。機構動態(tài)分析的工作流程如圖2.2所示</p><p>　　圖2.1機械運動設計工作流程</p><p>　　Fig. 2.1 mechanical motion design work proc

41、ess</p><p>　　圖2.2 機構動態(tài)分析工作流程</p><p>　　Fig. 2.2 Agencies working flow dynamic analysis</p><p>　　2.2運動學分析的步驟</p><p>　　2.2.1機構運動學工作流程</p><p>　　在Mechanism工作環(huán)

42、境中，使用機構運動學可觀察研究機構的運動、測量體零件的位置、速度、加速度。機構運動學工作流程如圖2.3</p><p>　　圖2.3 機構運動學工作流程</p><p>　　Fig.2.3 Kinematics workflow</p><p>　　(1)創(chuàng)建模型：包括定義體、建立連接、定義連接軸以及根據設計需要選擇是否建立凸輪-隨動件連接、槽輪-隨動件連接或齒輪副

43、連接。</p><p>　　(2)檢查模型：在裝配模型中，拖動可移動的零件，觀察模型的裝配連接情況。</p><p>　　(3)添加模型化要素：在機構中添加伺服馬達。</p><p>　　(4)為分析做準備：定義初始位置，建立測量方式。</p><p>　　(5)分析模型：執(zhí)行運動學分析。</p><p>　　(6)獲

44、得分析結果：回放結果，檢驗零件間的干涉情況，觀察測量結果，獲得軌跡曲線，獲得運動包絡線等。</p><p>　　2.2.2機構動力學工作流程</p><p>　　在機構動力學中，可以根據機構中各要素需要的力、各要素的位置、速度及加速度定義馬達，可執(zhí)行機構的動力、靜力及力平衡分析，也可以建立多種測量類型檢測機構中個零件的受力、速度、加速度等情況。機構動力學工作流程如圖2.4。</p&g

45、t;<p>　　圖2.4 機構動力學工作流程 </p><p>　　Fig.2.4 Dynamic workflow</p><p>　　(1)創(chuàng)建模型：包括定義機構中的體、在機構中分析質量屬性、建立零件間的連接、設定連接軸的屬性，根據設計需要，添加凸輪-隨動件、槽輪-隨動件連接、齒輪副連接，設定仿真沖擊或仿真摩擦損失的恢復系數或摩擦系數。</p><

46、p>　　(2)檢查模型：在裝配模型中，拖動可移動的零件，觀察模型的裝配連接情況。</p><p>　　(3)添加模型化要素：應用添加伺服馬達、應用力馬達、應用阻尼器、定義力/力矩的大小、定義引力（重力）。</p><p>　　(4)分析模型：進行運動學分析、進行動力學分析、進行靜態(tài)分析、進行平衡分析、進行重復裝配分析。</p><p>　　(5)獲得分析結果：

47、回放結果，檢驗零件間的干涉情況，觀察測量結果，獲得軌跡曲線，獲得運動包絡線等。</p><p>　　第3章 機構運動學分析的軟件介紹</p><p>　　3.1 Pro/E的主要特點</p><p>　　3.1.1 Pro/E的特點</p><p>　　(1)Pro/E軟件以參數化著稱，是第一個提出了參數化設計的概念，并且采用了單一數據庫來解

48、決特征的相關性問題；是參數化技術的最早應用者，是現今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，在國內產品設計領域占據重要位置。</p><p>　　(2)Pro/E的基于特征方式，能夠將設計至生產全過程集成到一起，實現并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上；它采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 </p&g

49、t;<p>　　(3)基于特征建模 Pro/E是基于特征的實體模型化系統，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。 </p><p>　　(4)單一數據庫（全相關） Pro/E是建立在統一基層上的數據庫上，不象一些傳統的CAD/CAM系統建立在多個數據庫上。

50、所謂單一數據庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數據結構與工程設計的完整的結合，使得一件產品的設計結合起來。這一優(yōu)點，使得設計更優(yōu)化，成品質量更高，產品能更好地推向市

51、場，價格也更便宜。</p><p>　　(5)PRO/E主要適合于中小企業(yè)快速建立較為簡單的數模。在建模較為復雜的時候，往往是任何參數都是沒有用處的，用PRO/E建立開始較為簡單的線框、曲面，然后轉到UG里面進行高級曲面的建立、倒角。由于產品反復更改，參數大多數都被刪掉了。兩種軟件各有優(yōu)點，應該混合建模才能達到最佳效果。零件較大、較復雜的時候，加工一般用UG做好數模，Cimatron做粗加工，UG精加工。多用于電

52、子企業(yè)。UG主要適合于大型的汽車、飛機廠建立復雜的數模，它的一個最大特點就是混合建模，曲面功能非常強大。另外，學模具設計,UG是第一選擇,模具標準件都有,一套簡單的模具,5分鐘模,5分鐘裝模胚,再裝頂針及其它標準件,布水路,30分鐘搞定,不過你要有模具設計實際經驗才好. 它的加工部分也很強大，也就是CAM功能強大。</p><p>　　3.1.2 Pro/E的優(yōu)點</p><p>　　Pr

53、o/ENGINEER 易學易用，有各種軟件包供您選擇，這些軟件包專為滿足貴公司的具體需求而設計。無論您需要的是包含所有必要基本、3D、設計功能的符合成本效益的3D，CAD 系統，還是無縫地連接擴展供應鏈的完整產品開發(fā)系統，您都將在一個完全可伸縮的解決方案中準確找到自己需要的一切。請選擇適合您當前需求的軟件包。在您的需求變化和增長時，您可以輕松地升級到適合自己將來需求的軟件包，同時可以利用同一個功能強大的平臺。結果是：無需轉換數據，并且可

54、獲得一致的用戶體驗。</p><p>　　眾所周知，利用 Pro/ENGINEER 進行設計，無論設計中的哪部分進行了變更，這些變更都會傳播到所有后續(xù)信息中。利用Pro/ENGINEER 機構動力學模塊，您可以執(zhí)行運動分析，而不必將時間浪費在準備要分析的模型上；Pro/ENGINEER 能識別各種接頭和連接。而且，您無需擔心會使用過期的信息或要重新創(chuàng)建用于運動分析的數據。Pro/ENGINEER 的應用程序均無縫

55、集成在一起，使您能專心設計和分析產品，而不會將時間和精力浪費在重新創(chuàng)建用于不同應用場合的模型上。Pro/ENGINEER 應用程序的這種集成消除了為其他程序進行數據轉換或重新創(chuàng)建模型所產生的錯誤。</p><p>　　3.2 Pro/E的運動學分析模塊介紹</p><p>　　3.2.1 Mechanism（機構動力學分析）簡介</p><p>　　Mechanis

56、m（機構動力學分析）是Pro/ENGINEER Wildfire 的一個仿真模塊，可實現對機構的定義，使機構中的零件移動以及對機構的運動進行分析研究，如建立零件之間的連接及裝配自由度、對輸入軸添加相應馬達來產生設計要求的運動等；使用Mechanism 模塊，可以使機構設計拓展到凸輪、導槽和齒輪機構；在分析機構的運動時，可以觀察和記錄分析過程或一些測量量，如位置、速度、加速度、力、測量圖標，還可以建立表示零部件運動行為的軌跡曲線和運動包絡

57、線。</p><p>　　Pro/Mechanism用于運動分析，與Pro/E完全集成，不需要單獨安裝，操作簡單，易于使用。在Pro/Mechanism中創(chuàng)建的機構，可以導入到Pro/Mechanica motion中，以便進行一步分析，或者將機械設計模型引入到設計動畫中，創(chuàng)建一個動畫系列。</p><p>　　3.2.2 Pro/E運動學分析模塊功能</p><p&g

58、t;　　利用 Pro/ENGINEER 機構動力學模塊，讓您無需制造昂貴的實物樣機，即可以虛擬方式模擬實際的作用力，并分析產品在這些力作用下的反應。在設計階段中及早洞察產品性能，能讓您制造出更優(yōu)質的產品，同時節(jié)省時間和金錢。</p><p>　　(1)模擬實際的作用力</p><p>　　利用 Pro/ENGINEER 機構動力學模塊，您在桌面上就可以確定您的設計將如何對諸如重力和摩擦力等

59、動力做出反應。由于不必建立實物樣機就可進行此分析，因此，您可以在解決問題所需成本少得多的設計階段的早期進行測試。并且，當您真正建立實物樣機時，實物樣機的質量就可能高很多，因為您已經通過虛擬方式完成了一系列嚴格的測試，同時建立的實物樣機較少，因此您不僅可以減少成本，而且可以縮短上市時間，因為您生產的產品是以“一次做對”的流程，所以產品達到更高的質量。</p><p>　　(2)設計和分析同步進行</p>

60、<p>　　Pro/ENGINEER 機構動力學模塊利用了 Pro/ENGINEER 的整套集成工具。這意味設計和分析之間將不存在由于數據轉化而產生的錯誤。此外，由于圖形用戶界面與在 Pro/ENGINEER 設計產品時所用的界面相同，因此，使用 Pro/ENGINEER MDO 的工程師已對界面很熟悉。而且 Pro/ENGINEER MDO 能夠“識別”Pro/ENGINEER 的模型，因此，您無需浪費時間來準備要分析的

61、模型。實施工程變更 之后，您只需重新運行分析，從而能以更快的速度生成更高質量的模型。</p><p>　　(3)探索真實世界的行為</p><p>　　它無需制造實物樣機即可模擬重力、彈力和摩擦力來進行運動學分析（位置、速度和加速度分析）以及動力學運動分析。這樣可以及早在設計周期中發(fā)現間隙和干涉問題；還可以從諸如 PTC 的 Mathcad® 或 Micro

62、soft Excel 等應用程序中導入行為數據，并應用到現有的模型中，以確定模型在此行為下的性能。通過直觀的圖形輕松共享結果。測量定制規(guī)格并用圖形表示定制規(guī)格，例如特定接頭處的速度；還能夠用圖表表示主要反作用力（如負載和扭矩），使分析人員能更好地了解到產品在特定環(huán)境下的具體表現；使用圖形和動畫與其他人員共享結果；將表格式數據輸出到電子表格，以供進一步分析，從而將實際運動與圖形結果進行比較。</p><p>　　(

63、4)利用高級運動分析更加靈活地研究復雜的實際情況</p><p>　　該模塊能使用靜態(tài)分析確定靜態(tài)平衡點的載荷，然后利用反向靜態(tài)載荷確定使機構運轉所需的作用力（力平衡），再通過使用彈簧和阻尼器連接給機構施加張力和壓縮力，就輕松創(chuàng)建機構中選定組件的復雜運動包絡零件，以用于空間聲明研究或在任何裝配中用作占位符；還可以使用 PTC 的 Pro/TOOLKIT? 來編寫各種復雜的行為，例如基于作用力的齒輪系統、由彈性皮帶

64、輪驅動的皮帶、直線梁和桁架單元以及輪胎模型，最后創(chuàng)建用戶定義的作用力和運動概覽圖，從中得出位置或速度的定制函數，從而為智能的比例- 積分- 微商 (PID) 控制器以及非線性彈簧和阻尼器建立模型。</p><p>　　(5)集成的設計和模擬</p><p>　　該模塊能將反作用力、重力和慣性載荷直接傳入 Pro/ENGINEER Mechanica ；為運動學和動力學性能設定設計可行性和優(yōu)

65、化研究目標；利用與其他 Pro/ENGINEER 解決方案（比如 Pro/ENGINEER Mechanica 和 Pro/ENGINEER 行為建模）的集成，優(yōu)化和完成虛擬產品分析；利用來自其他計算應用程序（比如 PTC Mathcad、工程計算軟件或Microsoft Excel）的設計信息；最后確保通過 Pro/ENGINEER 相關性將變更傳播到產品設計的所有其他下游。</p><p>　　3.2.3 P

66、ro/E的Mechanism基本術語</p><p>　　(1)主體（Body）：一個元件或彼此無相對運動的一組元件，主體內自由度DOF=0</p><p>　　(2)基礎（Ground）：不移動的主體。其他主體相對于基礎運動。</p><p>　　(3)接頭（Joints）：特定的連接類型（例如銷釘接頭、滑塊接頭和球接頭）。</p><p>

67、;　　(4)自由度（Degrees of Freedom）：元件所具有的獨立運動數目。</p><p>　　(5)連接（Connections）：定義并約束相對運動的主體之間的關系 。連接的作用是約束主體之間的相對運動，減少系統可能的自由度。</p><p>　　(6)環(huán)連接（Loop Connection）：添加到運動環(huán)中的最后一個連接。</p><p>　　(7

68、)拖動（Drag）：在屏幕上用鼠標拾取并移動機構。</p><p>　　(8)齒輪副連接（Gear Pair Connection）：應用到兩連接周的速度約束。</p><p>　　(9)伺服電動機（Servo Motor）：定義一個主體相對于另一個主體運動的方式?？稍诮宇^或幾何圖元上放置電動機，并可指定主體間的位置、速度或加速度運動。</p><p>　　(10)

69、執(zhí)行電動機（Force Motor）：作用于旋轉軸或平行軸上（引起運動）的力。</p><p>　　(11)運動學（Kinematics）：研究機構的運動，而不考慮移動機構所需的力。</p><p>　　(12)動態(tài)（Dynamics）：研究機構在受力后的運動。</p><p>　　(13)運動（Motion）：主體受電動機或符合作用時的移動方式。</p>

70、;<p>　　(14)回放（Playback）：記錄并重放分析運行的結果。</p><p>　　(15)LCS:與主體相關的局部坐標系。LCS主體中定義的第一個零件相關的缺省坐標系。</p><p>　　(16)UCS：用戶坐標系。</p><p>　　(17)WCS：全局坐標系。組件的全局坐標系，它包括用于組件及該組件內所有主體的全局坐標系。<

71、/p><p>　　3.2.4 Pro/E的Mechanism模塊工作流程</p><p>　　Pro/E的Mechanism（即MDX，機構設計擴展）操作直觀，對不太復雜的機構運動十分適用。其模塊的工作流程如圖3.1</p><p>　　圖3.1 機構運動仿真工作流程</p><p>　　Fig. 3.1 mechanism motion sim

72、ulation flow</p><p>　　(1)創(chuàng)建模型：創(chuàng)建用于裝配的零件模型（主體）。</p><p>　　(2)建立運動模型：生成連接，定義連接軸設置，生成特殊連接，拖動組件，檢驗所定義的連接是否能產生預期的運動。</p><p>　　(3)設置運動環(huán)境：設置重力、執(zhí)行電動機、彈簧力、阻尼力、摩擦力和接觸力等仿真真實環(huán)境。</p><p

73、>　　(4)分析運動機構：定義運動分析，運行。</p><p>　　(5)獲取分析結果：定義處事位置及其快照，創(chuàng)建測量，查看測量結果，運動仿真回放，干涉檢查,創(chuàng)建軌跡曲線，創(chuàng)建包絡曲線等。</p><p><b>　　第4章 實例研究</b></p><p>　　4.1創(chuàng)建W型活塞機構</p><p>　　我們所進

74、行的研究是基于實體的特征造型，是對機構的動態(tài)仿真及運動學分析研究，因此只對W型活塞機構的零件進行仿真設計。</p><p>　　4.1.1 各個零件的創(chuàng)立</p><p><b>　　(1)活塞的創(chuàng)建</b></p><p>　?、僭赑ro/E主頁面上，單擊“文件（FILE）--新建（NEW）”命令并輸入自己的文件名。</p>&

75、lt;p>　　②在Menu Manager（菜單管理器命令）上，指定基本特征的創(chuàng)建方式及屬性：“ Feature–Create—Solid--進入Protrusion—Extrude單擊DONE”完成設置。選取TOP面為草繪平面，并默認方向朝上，選擇FRONT面為參考面。進入草繪模式，根據零件的尺寸選擇拉伸長度完成繪制。</p><p>　?、墼儆蒄eature–Create—Surface—Offset選

76、擇偏執(zhí)平面，創(chuàng)建草繪面，在零件上進行除料，并在草繪面上打孔。</p><p>　?、茜R象使在零件上產生另一部分，再抽殼—選擇開放面，輸入厚度，再由旋轉除料，創(chuàng)建活塞環(huán)槽。</p><p>　　⑤經過倒圓角等整理，繪出活塞。如圖4.1</p><p>　　圖4.1 建立活塞模型 </p><p>　　Fig. 4.1 Build up t

77、he piston model</p><p>　　用以上方法，創(chuàng)建出主軸頸，曲拐，軸承，活塞桿等零件模型。</p><p>　　4.1.2對活塞機構的裝配</p><p>　　現將各個零件模型裝配在一起。模型的裝配是通過模型裝配對話框來實現的。在裝配模塊工作環(huán)境中，單擊菜單Inser0t—Component—Assemble命令，在彈出的Open對話框中選擇要裝配

78、的零件后，彈出模型裝配對話框（Component Placement）。零件的裝配過程，實際上就是一個約束限位的過程。根據不同的零件模型及設計需要，選擇合適的裝配約束類型，從而完成零件模型的定位?，F在已</p><p><b>　　⑴建立新文件</b></p><p>　?、僭赑ro/ENGINEER工作界面，單擊新建文件圖表，在New對話框中，選擇Assembly

79、類型，在Name文本框中輸入一個裝配模型名稱，進入Assembly模塊工作界面，出現Assembly菜單。</p><p>　　②單擊Assembly菜單中的Component選項，在彈出的Open對話框中選擇要裝配的零件main_conn_rod.prt，彈出模型裝配對話框（Component Placement）,同時在屏幕上顯示打開的零件或部件圖。第一個零件的選擇最重要，因為它是裝配模型中最為關鍵的部分，

80、在刪除后續(xù)裝配零件時，它不會刪除；但若刪除它，則后續(xù)裝配的零件均被刪除。</p><p>　?、蹎螕鬙K按鈕，復現COMPONENT菜單；單擊Assemble選項，復現Open窗口；選擇要裝配的零件piston_head.prt，單擊Open按鈕，復現Component Placement對話框，并在屏幕上顯示打開的零件。</p><p>　?、茉贑omponent Placement

81、對話框中按或圖標，是兩個要裝配的零件顯示在兩個或一個窗口。</p><p>　　圖4.2 零件的裝配 </p><p>　?、菰贑omponent Placement對話框中的Place選項卡下、Constraints區(qū)中的Type下拉式菜單中選定約束類型Insert和Align，然后在裝配的零件中選定約束區(qū)域A_1中共軸。</p><p>　

82、　以上只是簡單敘述了一個活塞桿與活塞頭的裝配步驟，其余零件的裝配步驟大致相同。在此不一一敘述。</p><p><b>　　4.2添加馬達</b></p><p>　　對機構裝配完成后，現在我們對機構添加伺服馬達，已進行運動學分析。</p><p>　　以曲柄和軸承為例，進行說明：</p><p>　?、艈螕鬗ECHAN

83、ISM,在MECHANISM的工作環(huán)境中，右鍵點擊零件樹中的SERVO MOTORS（伺服馬達）命令,點擊NEW命令，再NAME選項中給馬達編輯一個名字CRACK_MOTORS，在DRIVEN ENTITIY選項下選擇JOINT AXIS為驅動類型。用鼠標單擊ROTATION AXIS（曲柄軸），如圖（3.3），（3.4）所示。</p><p>　　圖4.3 設定馬達和扭矩</p><p

84、>　　圖4.4 馬達的設定 圖4.5 選擇設定軸 圖4.6 對馬達賦值 </p><p>　?、茊螕鬚ROFILE面板，選擇伺服馬達的規(guī)格類型VELOCITY命令，在MAGNITUDE選項下選擇CONSTANT（常數），并且對該常數進行賦值,定義如圖（4.5）所示。</p><p>　　⑶按照上述方法，則曲柄和軸承的馬達定義如圖(4.6)

85、所示。 </p><p>　　對機構賦加一個伺服馬達后，便可對機構進行運動學分析。最終機構的效果圖為： </p><p>　　圖4.7 機構的裝配圖 </p><p>　　4.3機構的運動仿真</p><p>　　4.3.1 制造個INITIAL CONDITION</p><p>　

86、?、艔哪Ｐ蜆渲羞x擇INITIAL CONDITION然后點擊NEW命令。</p><p>　　⑵在對話框中進行設置，如圖（4.8）所示：</p><p>　　圖4.8 初值設定 </p><p>　　4.3.2 對機構進行運動仿真</p><p>　　在定義了上述各約束力后，我們對機構模型進行運動仿真。過程如下：</p>

87、;<p>　?、劈c擊菜單管理器中的MECHANISM，在MECHANISM模塊下，點擊ANALYSES（分析）命令，出現ANALYSES對話框,單擊對話框中的NEM命令，打開ANALYSES DEFINITION分析定義對話框。</p><p>　?、圃诜治鲱愋蚑YPE選框下選擇LENGTH AND RATE類型。</p><p>　?、窃赑REFERENCES面板中定義D

88、URATION（持續(xù)時間）0.06秒、FRAME RATE為10，以及MINIMUM INTERVAL（最小間隔時間）為系統默認0.00122449。</p><p>　　然后單擊RUN按鈕，對模型進行運動仿真。如圖所示。</p><p>　　圖4.9 機構運動仿真的設定 圖4.10 機構運動仿真的過程 </p>&

89、lt;p>　　4.4分析結果及測量值</p><p>　　4.4.1獲得軌跡曲線等多項結果</p><p>　　經過機構模型的運動仿真，我們可以進一步測量相關數值，觀察所設數值是否與標準值一致，并可以獲得相應的軌跡曲線。具體過程如下：</p><p>　?、艑C構模型進行運動仿真，并保存運動仿真過程。輸入保存名稱為（ONE CYCLE）。然后在MECHANIS

90、M模塊下點擊菜單管理器中的RESULT按鈕，再打開測量結果（MEASURES）對話框。</p><p>　　⑵在GRAPH TYPE欄中選MEASURE VS TIME類型。然后單擊新建按鈕，打開測量定義對話框，為位置，速度和加速度制造尺寸。</p><p>　?、鞘紫葹槲恢弥圃斐叽?。選擇測量類型TYPE為POSITION1作為名字，選擇PNT0點，如圖所示：</p>&

91、lt;p>　　點擊OK按鈕。然后再點擊，建立新的測量。</p><p>　?、旁贛EASURE DEFINITION對話框，在NAME選項中，以VELOCITY1作為名字，TYPE選項中選擇VELOCITY,如上步選擇PNT0點。設置如下（圖4.11）所示：</p><p>　　圖4.11 對運動速度的定義 圖4.12 對運動加速度的定義 <

92、;/p><p>　?、泣c擊OK按鈕，在點擊新建測量按鈕。</p><p>　　⑶這次以（ACCELERATION1）作為名字，再次選擇PTN0點。</p><p>　?、仍O置如（圖4.12）所示：</p><p>　　通過以上步驟的設置，可以在完成一次模擬仿真后，對PTN0點的位置，速度，加速度進行分析，并可以輸出相對于時間的相應曲線。</

93、p><p>　　如一上方法，可以對其它兩個PNT0點進行相應的設置。</p><p>　　圖4.13 PNT1點在一個運動周期的函數圖 </p><p>　　以上輸出的是PNT1點，在一個時間周期為0.12S、WCS坐標軸下的馬達扭矩、位置、速度、加速度的線圖。</p><p>　　PNT1、PNT2、PNT3點，在X軸方向，如圖（4.14）中

94、粉紅色箭頭所指的方向，位置，速度曲線圖： 圖（4.15）位置圖。圖（4.16）速度圖。</p><p>　　圖4.14 研究PNT點在X軸方向的運動 </p><p>　　圖4.15 PNT點在X方向的位置圖 圖4.16 PNT點在X方向的速度圖 </p><p>　　4.4.2 W型活塞機構運動一個工作循環(huán)速度、加速度分析&l

95、t;/p><p>　　汽車的發(fā)動機一般都采用4沖程。</p><p>　　4沖程分別是：進氣、壓縮、燃燒、排氣。完成這4個過程，發(fā)動機完成一個周期(2圈)。 </p><p>　　活塞4沖程過程如下：</p><p>　?、倩钊陧敳块_始，進氣閥打開，活塞往下運動，吸入油氣混合氣 </p><p>　　②活塞往頂部運動來壓

96、縮油氣混合氣，使得爆炸更有威力。</p><p>　?、郛敾钊竭_頂部時，火花塞放出火花來點燃油氣混合氣，爆炸使得活塞再次向下運動。 </p><p>　?、芑钊竭_底部，排氣閥打開，活塞往上運動，尾氣從汽缸由排氣管排出。 </p><p>　　內燃機最終產生的運動是轉動的，活塞的直線往復運動最終由曲軸轉化為轉動，這樣才能驅動汽車輪胎。</p><

97、;p>　　由于我們在曲拐和軸承裝配的主軸頸上加了一個馬達，使得主軸頸以6000轉/分鐘的速度運動，來模擬W型活塞機構的運動，雖然原始模型是四沖程的活塞運動，但在我們的運動仿真中，曲拐運動一周，便可模擬該機構的一個完整的運動。我們給該機構設定0.06s為完成一個運動的時間周期。</p><p>　　如圖（4.17）、（4.18）、（4.19）、（4.20）所示，圖形分別為活塞機構在0.02s、0.03s、0.

98、04s、0.06s時的運動圖形，分析W型活塞機構在0.06s的一個工作循環(huán)中的速度、加速度和位置圖形，得出結論。</p><p>　　圖4.17 0.02s時機構運動圖 圖4.18 0.03s時機構運動圖 </p><p>　　圖4.19 0.04s時機構運動圖 圖4.20 0.06s時機構運動圖 <

99、/p><p>　　圖4.21 機構的加速度圖形 圖4.22 機構的速度圖形 </p><p>　　圖4.23 機構的位置圖形 圖4.24 機構的馬達圖形 </p><p>　　V形發(fā)動機比同樣氣缸數的直列式發(fā)動機的優(yōu)點是，結構緊湊，剛度更大。曲軸設計為每個曲拐

100、可以有兩個連桿，因而V形發(fā)動機的長度為之與之比較的直列式發(fā)動機長度的一半。相反排缸共享一個曲拐，缸體的每排都沿著曲柄軸軸線漂移一個連桿的厚度。更寬更短的缸體和更短的曲柄軸都比同樣缸體數的直列式發(fā)動機具有更強的抗剪切和彎曲能力。W型發(fā)動機將會繼承V形發(fā)動機的優(yōu)點，通過對W型活塞機構的動態(tài)仿真和運動學分析，由以上輸出的線圖表明，W型活塞機構就象是在V形活塞機構的主軸頸上加了一個直列活塞，雖然這種設計將加大發(fā)動機的寬度，但同時會增大發(fā)動機的動

101、力，并在缸數相同的情況下減少發(fā)動機的體積。對于這種多缸發(fā)動機，只要曲拐配置合理并且均勻點火，是完全可以自然平衡的。對于要求大功率的越野車和賽車來說，W型發(fā)動機將會是個不錯的選擇。</p><p><b>　　結束語</b></p><p>　　實現復雜運動機構的精確仿真,關鍵是實現各構件運動的協調一致, 這就需要研究構件之間的運動關系。本文將矢量方程解析法應用于仿真過

102、程中運動關系的分析, 用 pro/e實現了活塞曲柄機構的運動仿真。參考本方法可以精確的實現多數三維機構的運動仿真, 多個運動機構可組建運動機構數據庫, 并網絡集成后用于遠程教育、 網絡展示等, 為工程技術人員研究、 學習三維機構提供了一種解決方法。</p><p>　　應用模擬仿真技術，首先可以提高產品開發(fā)質量，其次，還可以縮短產品開發(fā)周期；再次，可以降低產品開發(fā)費用。運用Pro/E軟件進行三維建模后還可利用計算

103、機模擬系統在真實環(huán)境下運動和功能特性,以驗證設計方案是否合理,運動和力學性能參數是否滿足設計要求,運動構件是否發(fā)生干涉等,通過運動仿真和分析可及時發(fā)現問題并不斷改進和完善設計,嚴格保證設計質量。</p><p>　　通過運動仿真真實的再現了活塞機構的運動過程，并通過對設定參數的測量獲得了參數運動曲線，從而驗證了設計的合理性。隨著制造技術的不斷發(fā)展，機械系統的結構和功能越來越復雜，對設計生產的要求也越來越高。仿真技

104、術的應用，使得我們在設計的初期便能夠準確掌握機構的運動狀態(tài)，避免了通過制作樣機來驗證設計的合理性，有效地解決了反復投入資金制造樣機的問題。仿真技術的應用能夠極大的降低設備的成本</p><p>　　縮短產品的開發(fā)周期，隨著計算機技術，虛擬現實技術的發(fā)展以及此項技術研究的深入 必將會帶來很好的市場效益，收益預計在百萬元左右。</p><p>　　本文的工作總結如下：</p>&

105、lt;p>　?、旁敿殧⑹隽藱C構運動學的定義，詳細列出了機構運動學分析的流程，對機構運動學分析的步驟進行了詳細說明，并用實例演示了機構的運動學分析。學會用CAD軟件進行機構的仿真設計，掌握了對機構進行設計的步驟，</p><p>　?、茖Ξ斀袷澜缟蠌V泛應用的機構的方針設計和運動學分析方面的CAD/CAM軟件進行了分析，并重點介紹了Pro/E軟件在參數化、特征造型方面的特點，以及它在動態(tài)仿真方面的優(yōu)點。 對Pr

106、o/E軟件中的MECHANISIM模塊進行了深入學習，掌握了MECHANISIM模塊中的基本應用功能和模塊中的基本命令。</p><p>　?、峭ㄟ^學習研究，用W型活塞機構為模型進行了機構的動態(tài)仿真與運動學分析，通過實例研究，更加深刻領會到Pro/E軟件中MECHANISIM模塊對機構運動仿真和運動學分析的高效率性和準確性，對照最終的分析結果，獲得了所要得到的數據曲線。</p><p>