天使笔记：机构仿真之运动分析

关键词：PROE  仿真   运动分析  重复组件分析  连接 回放  运动包络  轨迹曲线

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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Ansys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。坛子里关于仿真的教程也有过一些，但很多都是动画，或实例。偶再发放一份学习笔记，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。

配套习题教程：https://www.icax.net/viewthread.php?tid=236924&extra=page%3D1

[ 本帖最后由 袖珍天使 于 2005-12-2 15:46 编辑 ]

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) - 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。
接头 (Joints) - 特定的连接类型（例如销钉接头、滑块接头和球接头）。
运动 (Kinematics) - 研究机构的运动，而不考虑移动机构所需的力。
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。可在接头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接头连接、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

重复组件分析
WF2.0以前版本里的“运动分析”，在WF2.0里被称为“重复组件分析”。它与运动分析类似，所有适用于运动分析的要求及设定，都可用于重复组件分析，所有不适于运动分析的因素，也都不适用于重复组件分析。重复组件分析的输出结果比运动分析少，不能分析速度、加速度，不能做机构的运动包络。
使用重复组件分析可获得以下信息：
几何图元和连接的位置
元件间的干涉
机构运动的轨迹曲线

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：接头连接与约束连接
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“接头连接”。
约束连接与接头连接的相同点：都使用PROE的约束来放置元件，组件与子组件的关系相同。
约束连接与接头连接的不同点：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，接头连接使用一个或多个组合约束来约束元件的位置。约束连接装配的目的是消除所有自由度，元件被完整定位，接头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：(yd1)

接头连接的类型
接头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、6DOF、常规、刚性、焊接，共10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。
6DOF：即6自由度，也就是对元件不作任何约束，仅用一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，子组件内各零件将参照组件坐标系发按其原有自由度的作用。总自由度为0。
接头连接类型：(yd2)

接头连接约束：常规
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—匹配/对齐：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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，再转换为接头约束后变为“平面”连接。
常规—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接后，变为只有一个“插入”约束的不完整约束，再转换为接头约束后变为“圆柱”连接。
常规—坐标系：选取对象为两个坐标系，与6DOF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，再转换为接头约束后变为“焊接”连接。
常规—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，再转换为接头约束后变为“轴承”连接。
常规—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，再转换为接头约束后仍为单一的“曲面上的点”构成的自定义组合约束。
常规—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
接头连接与约束连接可相互转换。在“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接头连接转换为约束连接，或将约束连接转换为接头连接。
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”和“反向”按钮：(yd3)