Pro/E运动学仿真

Pro/E运动学仿真（精选八篇）

Pro/E运动学仿真 篇1

PRO/E是当今比较主流的三维设计软件, 其利用模块和参数化的方式可以快速地建立三维模型。其自带的装配和机构仿真功能也可以帮助设计师观察设计成品的大致效果, 节省了产品的开发成本。本文就以一套二维轴承设计图纸为例。来说明如何进行三维建模并装配后进行机构仿真。从而发现产品缺陷并优化设计。

一、零件介绍

双列角接触球轴承能承受较大的径向负荷为主的径向和轴向联合负荷和力矩负荷, 限制轴的两方面的轴向位移。主要用于限制轴和外壳双向轴向位移的部件中。若轴承内、外圈之间存在倾斜角, 将影响轴承的寿命, 同时造成轴承运转精度下降, 运转噪声增大。因此, 设计过程中, 既要保证倾斜角度的配合, 还不能保证干涉, 对空间定位精度要求很高。双列角接触球轴承一般采用尼龙保持架或黄铜实体保持架。双列角接触球轴承安装时应注意, 虽然轴承可承受双向轴向载荷, 但若一侧有装球缺口时, 则应注意不要让主要轴向载荷通过有缺口的一侧沟边。在轴承使用时应注意使不带装球缺口的一侧滚道承受主要载荷。如图1。

二、零件建模

通过旋转方式, 分别做出轴承内圈、外圈、保持架和滚动体。再使用旋转——去除材料命令, 做出保持架上的滚动体固定孔。

以轴承外圈为例:新建文件创建名称, 创建新基准轴, 以top和front基准平面为参照。选择旋转命令, 以top基准平面为参照进入草绘, 将基准平面隐藏, 绘制直线, 标注尺寸几修改尺寸, 确定, 以基准轴旋转360, 确定。其余的轴承内圈, 滚动体, 保持架依次类推, 不再赘述。

建立保持架上的滚动体孔:首先草绘出保持架截面, 以top和front基准平面为参照。选择旋转命令, 构建出保持架外形。再选与保持架垂直面为参考面, 进行旋转操, 绘制出滚动体孔的基准轴如图3所示。在基准轴一侧绘制出旋转截面, 切除材料。完成保持架的建模。

三、零件装配准备

新建一个装配组件, 插入轴承内圈, 选择缺省放置方式。插入滚动体钢球, 选取钢球曲面, 采用相切方式与轴承滚动体轨道装配。选取滚动体TOP平面与内圈TOP平面重合, 滚动体的FRONT和RIGHT平面均与内圈相对应面采用对齐约束。完成后如图4和图5所示。之后使用分析——测量——距离, 测量滚动体与内圈FRONT之间和RIGHT与轴承内圈下表面之间的距离并记录。

关闭窗口, 重新建立组件, 插入轴承外圈和滚动体, 并按照上述方法装配后, 测量滚动体RIGHT与外圈两个表面的距离并记录。如图6所示:

新建组件, 并建立一根中心轴, 插入滚动体钢球, 设置滚动体TOP与RIGHT平面和装配界面TOP与RIGHT平面重合, FRONT平面之间相距上述距离。约束完成后使用阵列命令以中心轴为轴环形阵列, 生成如下图7所示。至此, 装配准备工作完成。

四、组件装配

新建组件, 并建立一根中心轴。插入轴承外圈, 使轴与轴重合约束, 再将各平面对应约束。

插入球阵列, 约束方式选销钉连接。先用轴对齐约束, 在选择球阵列水平面与外圈表面偏距约束, 偏距值为上述文章中所测得的值。采用同样的方式插入内圈, 约束完成。

插入轴承支架, 约束方式为自定义, 先将轴与轴重合约束。再将滚动体的向心垂直面与保持架用重合装配, 使支架与滚动体的水平旋转保持一致。这时采用拖动命令, 将保持架上下拖动到适当位置。点击分析——模型——全局干涉, 检测组件是否存在干涉情况。这也是对二维设计图纸的最初步检测, 也就是干涉检测。发生干涉的地方会如图8一样标示出来。

以同样的方式装配好双列角接触球轴承的另一侧。至此, 装配部分完成。如图9所示:

五、运动仿真

点击菜单中的应用程序, 选择机构选项进入机构分析模块。选择定义伺服电机。选择内圈的中心轴为运动轴。如图10所示。再点击轮廓选项卡, 规范选择速度, 模选常数, 数值自定。再依次类推, 定义滚动体和另一侧的伺服运动。

点击分析定义按钮, 单击运行即可观察轴承运动状态。

六、装配仿真动画

将零件用自定义方式重新装配一遍, 点击应用程序选择动画进入动画模块。一是定义主体。点击定义主体命令, 先将所有默认主体全部清除, 然后将轴承内外圈分别定为主体, 滚动体和支架共同定为一个主体。二是点击关键帧序列命令——编辑或创建关键帧——记录下当前快照作为第一关键帧——将轴承内圈拖动至其他位置, 作为第二关键帧———拖动支架和滚动体到其他位置, 作为第三关键帧。三是再次选择定义主体———每个主体一个零件将所有零件定义为主体———每次拖动一对钢球作为一张快照, 直至定义所有钢球位置。四是分别设置每一关键帧的时间。五是点击启动动画查看运行结果。

七、结语

至此, 一套完整的二维平面设计已经基本转变为观察更为直观的三维设计。一般情况下, Pro/Engineer软件的三维设计功能可帮助设计师很方便地建立直观的三维模型, 使设计师可以把更多的精力放在产品的机构功能设计本身, 而不是去思考如何用二维构图表达空间结构, 从而大大提高了劳动生产率。

参考文献

[1].陆连运.一种组合式双列球轴承[P].中国专利:CN202646370U, 2013

[2].e桶金轴承网.双列角接触球轴承[EB/OL].http://www.etongjin.com/news/128, 2013

[3].李爱民, 李炳文, 马显通, 曲利.基于Pro/E的球轴承三维参数化的设计[J].煤矿机械, 2004

[4].林清安.Pro/ENGINEER2001零件装配与产品设计[M].北京:北京大学出版社, 2003

[5].葛珔浩, 杨芙莲.Pro/E机构设计与运动仿真[M].北京:化学工业出版社, 2007

[6].张胜兰, 赵景山, 付勇智.Pro/Engineer Wildfire (野火版) 实用培训教程[M].北京:清华大学出版社, 2004

Pro/E运动学仿真 篇2

以轮胎动力学理论为基础,应用Pro/E建立载重车辆轮胎数字化模型并构建与ADAMS软件间专用的模型数据转换接口,以多体系统动力学理论为分析平台,利用ADAMS对载重车辆轮胎进行动态仿真研究与分析,直观描述了力-速度、力-角加速度、转矩-速度和转矩-角加速度的`变化关系,并据此研究轮胎与地面间的作用特性,为轮胎的设计制造提供理论依据,大大提高轮胎的设计效率和精度.

作 者：齐晓杰 于建国 QI Xiao-jie YU Jian-guo 作者单位：齐晓杰,QI Xiao-jie(东北林业大学交通学院,哈尔滨,150050;黑龙江工程学院汽车工程系,哈尔滨,150050)

于建国,YU Jian-guo(东北林业大学交通学院,哈尔滨,150050)

刊 名：车辆与动力技术英文刊名：VEHICLE & POWER TECHNOLOGY年，卷(期)：2009“”(2)分类号：U463.341+3关键词：载重车辆轮胎 动态特性 仿真 ADAMS Pro/E

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Pro/E运动学仿真 篇3

关键词：Pro/E,盘形凸轮,运动仿真

0 引言

机械仿真指使用计算机来模拟和分析真实事物的运动和变化过程, 并获得相应的结果, 具体包括运动/动力学仿真、工程数值分析、结构与过程优化设计和结构强度与寿命评估等。仿真技术对现代工程、产品的设计和研发具有突出的指导意义, 使得原来在二维图纸上难以表达的运动变得非常直观和易于修改, 不仅大大简化了机构的设计开发过程, 缩短了开发周期, 减少了开发费用, 同时提高了产品的质量。

Pro/Engineer是美国PTC公司推出的系列产品, 它的参数化设计、基于特征、全相关等设计理念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念, 被广泛应用于机械设计、机械装配、系统仿真和模具设计等领域。本文介绍的Pro/E系统仿真模块通过支持驱动式动力和基于动力的全3D动态仿真来评估和优化运动部件, 分析出诸如位置、速度、加速度、作用力等具有修正机构设计参照价值的数据, 也可创建轨迹曲线和运动包络, 用物理方法描述运动, 不仅操作简便, 而且易于使用。

1 凸轮机构的仿真设计

凸轮机构是机械中一种常用的机构, 其最大的特点是只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线, 就可以使从动杆获得各种预期的运动规律。根据凸轮的形状不同, 分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮。盘形凸轮与圆柱凸轮中的凸轮轮廓曲面是封闭的, 而移动凸轮的凸轮轮廓曲面不封闭。凸轮机构的从动件又称为推杆, 推杆的常见形式有尖顶、平底和滚子等类型。本文介绍的是盘形凸轮与滚子推杆的机构运动仿真。

1.1 连接元件

机械仿真技术的实现必须依靠真实感强的零件三维模型, Pro/E作为三维建模软件的旗舰产品, 可对任何造型复杂的零件进行精确建模, 结合Pro/E的二次开发工具还可方便地实现参数化建模, 限于篇幅本文对于零件的建模过程就不再一一叙述了。

进入Pro/E的装配模式 (Assembly) , 创建机构连接, 使两个构件既能直接接触, 又能产生一定的相对运动。在新建的组件工作区中创建基准平面和基准轴, 作为凸轮元件连接的辅助参照。机构中元件的连接限制了各主体之间的相对运动, 定义单个元件在机构中可能具有的运动类型, 以减少系统的总自由度。打开已创建的凸轮和推杆零件的三维模型, 分别为其选择连接方式。凸轮的装配选择销钉连接方式, 销钉连接只有一个旋转自由度, 允许构件沿指定轴旋转, 这种连接需要定义一个“轴对齐”和“平移对齐”约束, 选取建立的基准平面和凸轮的一个表面作为约束参照。而推杆的装配选择滑动杆连接方式, 滑动杆只有一个平移自由度, 允许构件沿着轴进行平移, 需要定义“轴对齐”、“平面匹配”或“平面对齐”约束, 以限制构件绕轴线旋转。调整推杆的高度, 使滚子表面和凸轮表面相切。

由于凸轮机构是主动件驱动从动件运动, 因此还需要进行从动机构的连接。进入【Mechanism】设计模块, 打开【凸轮从动机构连接】对话框, 分别为凸轮和推杆选择接触表面。如果要让凸轮和推杆能够分离和碰撞, 即在运动过程中凸轮的两个主体可以保持不接触, 就需要在【属性】选项卡中选中启用升离, 并在“e=”文本框中输入凸轮升离系数, 输入值应在0～1之间。如果不选择此选项, 则两个凸轮主体在运动时将始终保持接触状态。生成的从动机构连接定义结果为两个主体的运动表面始终保持相切接触状态, 见图1。

本例中凸轮机构的元件很少 (只有2个) , 并且各元件间的关系也较简单, 如果是一个复杂的机构, 则需根据构成运动副的零件或组件的情况设定约束性质来进行正确的元件连接, 产生相对运动, 这是仿真成功与否的关键。

1.2 添加驱动器

要让机构能产生动作必须要加入动力条件, 即向模型中添加驱动器。驱动器应准确定义接头或几何图元之间运动副的连接关系, 如旋转或平移。单击按钮, 打开【伺服电动机定义】对话框, 为凸轮机构新建一个驱动器, 选择凸轮转动的固定轴作为连接驱动器的轴, 并设定一个合适的速度。

1.3 创建凸轮机构运动分析

单击运行按钮, 选择“运动学”类型, 使用运动分析可使机构与伺服电动机一起移动, 并且不考虑作用于系统上的力来分析运动, 这样就可以观察凸轮机构的运动情况。这时凸轮逆时针转动, 向径变化的凸轮轮廓部分驱动滚子推杆作上下移动, 而当向径相同的圆弧段轮廓与滚子接触时, 则推杆静止不动。单击点拖动工具, 就能拍下机构在某个位置时的快照, 对于运动的仿真过程, 还可以进行回放, 并制作成多媒体动画文件。

1.4 结果分析

打开【测量结果】对话框中的【冲突检测】, 可检测机构运动有无干涉现象。从整个机构看, 从动件滚子在竖直方向作上下移动, 有可能出现碰撞固定连杆滑槽的情况;选择【测量结果】对话框, 定性分析从动件的运动特性, 并检查锁定配置等。比如在【测量定义】的【类型】分组框中选择速度, 然后在工作区中选取凸轮转动的固定轴, 系统就会自动计算结果并把结果值显示在窗口内, 或者也可以从【图形工具】中以图形的方式查看测量值的变化情况 (见图2) , 可以看到凸轮的运动速度是60o/s。

2 结束语

通过以上例子, 对应用Pro/E进行仿真设计有一个大体的认识, 其基本步骤为:①导入各元件的三维实体模型并选择正确的连接方式;②添加驱动器;③创建运动分析, 制作成媒体播放文件;④结果分析。Pro/Engineer提供了完善的仿真功能和机构分析功能, 通过实体建模模块创建模型后, 即可模拟模型的运动过程。本文通过建立凸轮与从动件之间的约束关系, 对机构元件进行连接和装配, 可以直观地观察到机构的运动情况, 分析机构的运动轨迹、位移以及干涉等问题, 并能绘制出机构的运动曲线, 使设计人员掌握并控制机构的运动规律及精度, 增加设计安全系数, 获得优良的机构运动和动力性能。

参考文献

[1]谭雪松, 朱金波, 岳贵友.Pro/ENGINEER机械设计实战训练[M].北京:人民邮电出版社, 2004.

[2]林清安.Pro/ENGINEER零件设计基础篇 (上、下) [M].北京:清华大学出版社, 2003.

Pro/E运动学仿真 篇4

在Pro/e软件中, 零部件的装配是在装配模块中完成的。将产品上的各个零件按照设计图纸建模之后, 再按照产品中各零件的正确位置, 根据各个零件间的配合关系, 将各个零件装配在一起。

产品装配完成以后, 其功能尤其是运动功能是否满足客户的功能需求, 可以通过机构运动仿真来实现, 并且能够直观的观察到零件间的运动效果和运动轨迹。

1 Pro/e产品装配的运用

(1) 产品装配设计环境:【新建】→【组件】→勾开【使用缺省模板】, 选择公制模板mmns-asm-design→【确定】 (如图1) 。

(2) 产品装配方法:点击【装配】进入装配环境, 调入各个零部件进行装配。在装配的过程中, 主要是将每个零部件定义上合适的约束, 从而确定其装配位置。

Pro/e软件中提供了10种约束类型, 分别为匹配、对齐、插入、坐标系、相切、线上点、曲面上的点、曲面上的边、固定、缺省等约束。

在装配的时候, 主要注意以下方面:①调入第一个零件的时候, 最好使用缺省约束;②一次只能添加一个约束;③装配元件的时候, 可以根据需要将已经完全约束的元件位置添加附加约束, 附加约束最好限制在10个以内;④使用“匹配”和“对齐”约束时, 元件参照和组件参照必须是同一类型, 如平面对平面、点对点、轴线对轴线、旋转曲面对旋转曲面等;⑤使用“参照阵列”进行装配的时候, 要提前在装配体的零件中创建参照特征的阵列;⑥装配时出现完全约束状态, 即表示装配结束。

(3) 产品装配的实际应用:装配完成后进行干涉检查, 观察是否有零件的尺寸或者结构不合理。当其中某个零件的尺寸或者结构不合理的时候, 将该零件打开, 进入零件模式进行修改, 装配中随着零件的修改而修改 (随着零件的修改而自动再生为改动后的模型) 直到零件的尺寸和结构满足产品要求为止。

装配完成的产品, 每个零件的位置完全固定, 任何零件间不能进行相对的运动。

2 Pro/e机构运动仿真的运用

(1) 机构运动仿真的意义:机构运动仿真主要是将产品模型放入实际工作环境中进行运动功能验证, 再根据验证结构修正模型, 最终达到产品性能要求为止。

Pro/e软件提供了机构运动仿真功能, 使得原来在二维图纸上难以表达和设计的运动, 变得非常直观和易于修改, 并且能够大大简化机构的设计开发过程, 缩短了其开发周期, 减少开发费用, 同时提高了产品质量。

(2) 机构运动仿真设计的工作界面:按设计要求组装好个零部件后, 单击菜单栏中的【应用程序】→【机构】命令, 系统进入机构分析与仿真的工作界面 (如图2) 。

机构运动仿真的一般工作流程可以分为创建机构模型、检测模型、添加建模图元、准备分析 (包括定义初始位置快照和创建测量) 、分析模型 (包括运行位置分析和运行运动分析) 、获取结果 (包括回放结果, 检查干涉, 查看测量, 创建轨迹曲线和运动包络等) 。

其中, 机构模型的创建是做机构运动仿真的基础。创建机构模型的时候, 主要是对机构中的各个零件主体设置各种类型的约束, 是采用“预定义连接”来完成的, 连接使用一个或多个组合约束来约束零件的位置, 以便获得特定的运动, 零件通常还具有一个或多个自由度。

“预定义连接”主要包括刚性、销钉、滑动杆、圆柱、平面、球、焊接、轴承、常规、6DOF、槽等, 其中刚性是将机构中不动的零件进行完全固定, 其旋转自由度和平移自由度都为0。

(3) 机构运动仿真的实际应用:产品的机构运动仿真一般是企业为了使客户更加清晰的、直观的了解产品的运动功能, 将有相对运动的零件的运动效果用机构运动仿真来完成。

3 结语

产品的装配和机构运动仿真中虽然都有将各个零部件组装到一起的功能, 都使用了约束来放置元件, 并且组件与子组件的关系相同, 但是两者使用的装配连接方式不同, 装配目的不同, 产品装配的目的是消除所有自由度, 零件被完全定位。机构运动仿真中机构模型的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。

摘要：目前, Pro/e是在企业的设计技术部门应用比较多的一款软件, 主要用于中小产品的建模设计、装配设计、模具设计和仿真设计等, 是机械类高职高专学生应该掌握的实用软件之一。本文主要针对学生在学习Pro/e课程中, 常常混淆的装配设计和机构运动仿真设计的应用进行详细的说明。

关键词：零件装配,机构运动仿真,功能需求

参考文献

[1]詹友刚.《Pro/ENGINEER中文野火版3.0快速入门教程》.机械工业出版社, 2007, 4.

Pro/E运动学仿真 篇5

随着机械、电子、控制技术的迅猛发展,机器人技术已广泛应用于军事、航空航天、工农业生产、医疗等领域,各类功能齐备、技术含量高的机器人纷纷问世,一些发达国家如美国、日本、德国、法国等在机器人领域一直保持着先进的技术水平及其优势[1]。

机器人学涉及内容相当广泛,包括机构学、运动学、控制技术、传感技术及智能技术等。机器人运动学是机器人技术中的一个重要分支,是实现机器人运动控制的基础。机器人运动学的研究涉及大量的数学运算,计算工作相当繁琐。因此采用一些工具软件对其分析可大大提高工作效率,增加研究的灵活性和可操作性,解答机器人在设计、制造、试验阶段以及运行过程中出现的问题[2,3]。

当前比较流行的仿真软件主要有MATLAB、ADAMS、ANSYS、Pro/E等,其各自在设计、仿真、分析上有自己的特色。本文即在Pro/E强大的三维模型设计功能的基础上,对某喷涂机器人的关节输入经逆运动学计算而得来的数据进行运动仿真,以检验关节手臂的关键点是否与S型管道内壁碰撞,从而为喷涂路径的优化提供参考,最终实现了对机器人喷涂效果的最优控制。

1 机器人机械结构

1.1 机器人系统总成

该S型管道喷涂机器人系统主要由6部分组成,包括控制系统、运输车、基座部分、伸缩臂部分、曲臂部分和喷涂系统,如图1所示。机械机构具有14个自由度,其中,基座4个,伸缩臂3个,曲臂7个。

该冗余自由度特种喷涂机器人由直角坐标式和空间关节式组成。将机器人的基座部分设计成直角坐标式,可以在X、Y、Z 3个方向上方便地进行空间位置调整,3个伸缩臂完全伸展时其尺寸为14.1 m×2.1 m×3.2 m。基座与伸缩臂的连接设计为摆臂结构,使伸缩臂和曲臂相对基座可以在一个平面内运动,便于其和S型管道同轴。机器人手臂结构设计成冗余多关节的曲臂形式,可以灵活地进行位置和姿态调整,以适应管道的S形状。

1—控制系统;2—运输车;3—基座;4—伸缩臂;5—曲臂;6—喷涂系统

由此可以看出,机器人的运输车、基座以及伸缩臂部分在整个喷涂过程中主要起到定位作用,为冗余多关节曲臂的喷涂运动提供初始位置。因此,本文中的运动仿真是在假设机器已经调整至初始位置的前提下,只针对冗余多关节曲臂进行的。

1.2 机器人运动仿真结构

该喷涂机器人运动仿真结构见图2,它共有8个关节。由于带有喷头的末端是绕其轴线进行-180o～+180o的旋转运动,不影响碰撞检验,因此为了加快计算机的运算速度,减小不必要的计算,可以将其运动忽略,只计算图示的7个关节即可。因为在机器人进行喷涂前,其运输系统、基座部分等已调试完成,处于稳定状态,而伸缩臂和曲臂是处于联动状 态,在此,将3个伸缩臂的运动简化为一个,即关节1,其运动状态为直线运动,其他6个关节为旋转运动。这6个旋转运动的关节中,关节2、关节3、关节4、关节6是竖直方向回转运动,关节5和关节7是水平方向回转运动。

1—关节1;2—关节2;3—关节3;4—关节4;5—关节5;6—关节6;7—关节7

2 运动仿真分析

2.1 ProE/Mechanism功能简介

在ProE/Mechanism中,通过对运动类型和自由度的定义,可以实现各种机械机构的运动仿真,并可测量诸如位置、速度、加速度、力等参数。在本文中,通过输入关节的相对坐标位置进行运动仿真分析,从而实现碰撞干涉检验,为路径的优化提供参考,因而属于运动方面的机械仿真[4,5,6]。

2.2 冗余曲臂和伸缩臂的装配

冗余关节曲臂在管道中的初始位置以及各个关节的初始位置见图3。由图3可以看出,在不影响运动分析精度的前提下,为加快计算机的运行速度,提高干涉检验的可观性,该机器人的运输系统、基座、伸缩臂等部分已忽略不计。

1—管道;2—曲臂

2.2.1 伸缩臂关节的装配

假设机器人已调整至初始位置,即曲臂轴线与管道轴线同轴,基座部分在喷涂过程中静止不动,3个伸缩臂已简化为1个,做直线运动,它与冗余关节曲臂是联动的。在Pro/E里的装配过程中,将伸缩臂连接滑座的端面与管道的基准平面设置为平面约束,如图4所示。因设置平面约束后仍有两个平动和一个转动,故在设置平移轴时只设置一个沿管道轴向的方向即可,其他可忽略不计。为防止因约束过少导致伸缩臂恢复不到初始位置,可利用软件提供的快照功能,对其初始位置进行拍照保存,从而便于恢复初始位置,为下一次实验提供便利。

2.2.2 曲臂关节装配

曲臂的6个关节全部是回转运动,故在装配过程中均设置为销钉连接。只需选择相对的回转轴和相对的回转平面即可,并根据右手定则,确保初始运动方向与规划方向一致。图5为关节2的装配图,其他5个关节的装配过程类似,不再赘述。同时为提高碰撞检验的运行速度,提高碰撞检验的可观性,装配曲臂时,在保证装配尺寸的前提下,可将一些小的零件,比如限位开关、减速器等忽略,只保留诸如电机罩等最易发生碰撞的零件,但是务必保证装配关系同运动规划时实际零件装配一致。

2.3 数据输入与运动分析

ProE/Mechanism下伺服电机定义的模有常数、斜坡、余弦、摆线、抛物线、多项式和表格等类型,还可以根据需要进行用户自定义。在本运动仿真中,输入的数据是经逆运动学计算出的关节转动角位移和直线移动线位移,故属于表格形式。注意在保存数据时按照如图6“伺服电动机定义”对话框下的“文件”所示,将后缀为txt的文档格式改为后缀为tab的文档格式,从而能够被Pro/E所识别。在输入的数据中,每个关节共有177个数据点,7个关节共计1 239个点,各个关节进行联动,同时对运动时间和帧频均进行了设置,计算量较大。

2.4 仿真结果

输入仿真数据后,设置合适的运动时间和帧频,即可对7个关节进行联动,以检验干涉碰撞。通过运动仿真检验,发现在对S型管道的后半部进行喷涂过程中,因其空间相对于前半部而言较为宽敞,故未发现碰撞现象。但是由于曲臂前段各个关节运动幅度较大,灵活性较高,且关节7、关节6和关节5的电机罩关键点运动极限位置距离管道内壁空间较窄,为确保喷涂的安全性,应对逆运动学的运算条件进一步加以约束,在保证满足喷涂的前提下,对运动轨迹进行更优的规划,调整关节转动角度,从而保证机器人进行更为安全、有效的工作。

3 结论

通过输入由逆运动学计算出的各关节相对坐标,使关节进行联动,检验其是否与管道碰撞,从而对喷涂机器人的运动路径进行了优化,实现了喷涂效果的最优控制。该方法为机器人运动路径的优化提供了较为便利的途径,对于类似的机器人具有通用性。同时,在计算机硬件允许的前提下,可以对运动坐标点进行更进一步的细化,从而对已规划路径提供更为精细的碰撞检验,实现路径的最佳化。

参考文献

[1]蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社,2000.

[2]郝利剑,张宏波,李晓辉.中文版Pro/ENGINEERWildFire基础教程[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3]孙江宏,黄小龙.Pro/ENGINEER Wildfire2001结构分析与运动仿真[M].北京:中国铁道出版社,2004.

[4]戴士杰,侯建英,管啸天,等.基于Pro/E的活塞机构运动仿真及应用[J].微计算机信息,2008,11(1):273-275.

[5]郑伯学,吴俊海.基于Pro/E的三维机械设计与运动仿真[J].煤矿机械,2007(12):94-96.

Pro/E运动学仿真 篇6

关键词：减速器,三维建模,运动仿真

引言

Pro/E由美国PTC公司出品,包括工业设计、机械设计、仿真功能、加工制造等80多个专用模块,它强大的功能、全参数化的设计,被广泛用于机械、汽车、航天、电子、家用电器和工程机械等行业中,尤其在产品的三维实体建模上具有明显的优势。减速器作为一种重要的机械传动设备,是一种在原动机与工作机之间用来降低转速的独立传动装置,在机械设备中占有较大的比例。

本文以减速器为例,利用Pro/E进行机械产品的三维建模和运动仿真。

1 减速器各零件的三维建模

1.1 减速器上下箱的建模

上下箱的建模过程类似,下面以下箱体为例说明三维建模过程。

(1)首先用拉伸命令,创建下箱体的底座,并以底座一侧为草绘平面凹槽;(2)使用拉伸命令的去处材料选项生成箱体内腔,然后用分别拉伸生成箱体各个凸出部分;(3)使用筋工具,以垂直于底面,通过轴的平面绘制草绘图,然后点生成命令生成加强筋;(4)使用拉伸命令里的去处材料,生成轴承孔外缘倒角;(5)使用钻孔命令钻螺塞孔,使用扫描混合命令绘制销钉孔和油标尺凸台,最后使用旋转命令里的去处材料绘制油槽。上、下箱体的三维实体模型如图1和图2所示。

1.2 齿轮的三维建模

(1)设置齿轮关系式,将齿轮的各参数依次添加到参数列表框中,确定其尺寸参数;(2)添加渐开线方程式创建齿轮齿廓线;(3)创建扫描轨迹;(4)创建扫描混合截面;(5)创建扫描混合特征,得到第一个轮齿;(6)阵列轮齿;(7)制作轮毂及腹板。通过拉伸减料方式创建腹板、轴孔和键槽,然后对轴孔进行倒角。建造的直齿圆柱齿轮模型如图3所示。

齿轮轴上齿轮部分的三维建模同齿轮的建模,其余部分采用旋转、去除材料等即可建成。齿轮轴模型如图4所示。

主轴、轴承端盖、垫片、垫圈等非标准件,因为建模相对简单,限于篇幅,在这里略去建模过程;螺栓、螺母等标准件可用标准件库调出,在这里不一一列举。

2 减速器的虚拟装配

(1)用轴对齐和匹配约束将油塞、封油垫片和标尺组件装入下箱体;(2)用面对齐和匹配约束装配窥视孔垫片和盖,用轴对齐和匹配约束装配窥视孔盖螺钉、通气器组件,完成上箱盖组件装配;(3)用轴对齐和匹配约束装配轴上的齿轮,用圆柱连接和面约束来装配轴承,用插入和匹配约束装配键,完成轴系装配;最后,将下箱体设为“固定”状态,用插入和匹配约束装配主动轴系和从动轴系;用匹配和销孔轴线对齐来装配上箱盖;用轴对齐和匹配约束来装配箱座与箱盖之间的连接螺栓和螺母;用插入和匹配约束来装配轴承端盖;用轴对齐和匹配约束来装配轴承端盖连接螺钉。减速器的虚拟装配如图5所示。

为了方便观察各装配零件之间的位置关系,可以通过分解视图得到减速器装配体的爆炸视图,如图6所示。

3 减速器的运动仿真

3.1 干涉检验

为了保证机构运动仿真过程顺利进行,对己装配的产品要进行干涉检验。在Pro/E中进行产品装配关系的干涉检验非常简单,只需在产品装配模式下点菜单中的“分析”/“模型分析”,选择全局干涉选项,点“计算”按钮,开始干涉分析。根据减速器的干涉分析结果可以对相关结构参数进行优化。

3.2 减速器运动仿真

(1)创建齿轮连接选择模型树的“连接”→“齿轮’,建立2个齿轮副。(2)创建伺服电动机进择模型树下的“电动机”→“伺服电动机”,新建一个伺服电动机,机构运动提供“动力”。(3)运动仿真选取“机构”→“分析”→“运动”→“运行”,即可看到减速器运动仿真动画。(4)保存单击“机构”→“回放”,打开动画对话框,单击“捕捉”,将运动仿真动画输出并保存为mpeg、jpg等格式影像文件,此文件可脱离Pro/E环境单独运行。

4 结语

本设计利用Pro/E的参数化建模功能,建立了圆柱齿轮减速器关键零部件的三维实体模型,并进行了虚拟装配和运动仿真,验证了所建造模型正确与否,这样可以在真实齿轮传动装置建造前建立整个机械系统的虚拟样机。并通过各种仿真分析对其进行工作性能预估和结构优化。因此利用Pro/E的建模优势,为进一步齿轮传动的优化设计奠定了基础,可以使设计人员在人机交互环境下快速、高效地设计出圆柱齿轮减速器产品,大大减少重复性劳动,提高设计效率,缩短设计周期。该方法同样适用于其它机械产品设计,具有工程实用价值。

参考文献

[1]濮良贵,纪名刚.机械设计(第八版)[M].北京:高等教育出版社,2006.5.

[2]葛正号,杨芙莲.Pro/ENGNEER wildfire4.0建模基础与实例[M].北京:化学工业出版社.2009.

Pro/E运动学仿真 篇7

关键词：仿真技术,装载机,Pro/E

0 引言

随着网络技术、计算机技术、信息技术的发展,人们希望利用计算机进行工程设计,来提高工作效率和缩减不必要的开支,仿真技术随之迅速发展,大量的针对某一特定领域的商用仿真软件也应运而生,并在各自领域日臻完善,因此如何充分利用这些成熟的软件进行仿真分析、工程设计,就成了设计工程师面前的一项挑战。

1 仿真技术

1961年,G. W.Morgenthater首次对仿真(simulation)给出了技术性定义:“仿真意指在实际系统尚不存在的情况下对系统或活动本质的实现”。1982年,Spriet进一步将仿真的内涵加以扩充,认为“所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动”。1984年,Oren提出了仿真的基本概念框架——“建模—实验—分析”,并指出“仿真是一种基于模型的活动”[1]。

仿真就是以计算机和其他专用物理效应设备为工具,通过建立系统模型并利用所建立模型,对真实或假想的系统进行性能、功能以及特征等方面进行分析研究的过程。仿真具有经济性、有效性、安全性和保密性等优点。作为一种重要的研究手段,目前仿真已广泛应用于航空、航天、通信、化工、机械、军事、医学、社会经济系统等自然科学和社会科学的各个领域。通过使用仿真技术可以降低系统的研制成本,缩短产品的开发周期,加快产品的上市时间,提高系统实验、调试及训练过程中的安全性[2,3]。

而仿真技术是出自对系统研究的需要,用系统的模型对真实的或设计中的系统进行试验,以达到分析、研究和设计该系统的目的。而计算机仿真就是利用现代计算机技术,对待分析的系统进行数字建模,并根据需要编制相应的程序对系统模型进行仿真分析的过程。

伴随着网络技术、计算机技术、信息技术的应用、发展,计算机仿真技术迅速发展,同时涌现了大量成熟的商用仿真软件,典型的如ADAMS,Nastran,Matlab,QUEST,HOPSAN等,可以分别对动力学、热力学、控制系统、生产线、液压系统等各个领域进行仿真分析。这些仿真软件广泛应用到产品开发过程中,极大地提高了企业的产品设计开发能力。但随着产品的复杂化加剧、需求的进一步发展。而 Pro/E软件可谓是个全方位的三维产品开发软件,不仅具有建模功能,而且具有仿真模块、有限元分析模块,对于结构简单的机构可以选择Pro/E软件进行简单的仿真。下面就Pro/E软件进行简单的介绍。

2 Pro/E介绍

Pro/E是美国参数技术公司(parametric technology corporation, PTC)出品的三维设计软件,是一套由设计至生产全面覆盖的机械自动化软件。1985年,PTC公司成立于美国波士顿,开始进行参数化软件的研究。1988年,V1.0的Pro/E软件诞生。经过10余年的发展,Pro/E已经成为三维建模软件的佼佼者。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念,已成为当今世界机械领域CAD/CAE/CAM的新标准。

由PTC开发的Pro/E软件,已成为全世界最普及的三维CAD/CAM系统。该软件先进的设计理念体现了机械设计自动化(mechanical design automation, MDA)系列软件的最新发展方向,成为提供工业解决方案的有力工具。它已被广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航空、航天、军工、纺织、家电、玩具等行业。Pro/E可谓是个全方位的三维产品开发软件,该软件集设计、运动轨迹校核及有限元分析于一体,模块众多,其建模速度快、直观,并能充分显示出各部件运动中相互之间的协调关系。

目前,流行的仿真软件建模功能很弱,只能通过IGES格式或者STEP格式进行数据转换,这样做的弊端就是容易造成数据的丢失,因此需要化费大量的时间和精力进行模型的修补工作。而Pro/Mechanism模块是PTC开发的有限元分析软件,它可以实现和Pro/E的完全无缝集成。

3 工程应用实例

a) 实例介绍

装载机械是工程机械的一个重要品种,在民用建筑,交通运输,水利施工,露天施工等许多工程中有着广泛的应用。现只对某一装载机的工作装置进行仿真分析。

轮胎式装载机外型结构如图1所示,包括铲斗、动臂、摇臂、连杆、液压缸等。连杆机构可分为正传与反转两类,正传连杆机构摇臂转动方向与铲斗方向相同。反转连杆机构摇臂转动方向与铲斗转动方向相反。铲斗1和动臂6的前端铰接,动臂后端和车架支座铰接。铲斗缸4的两端分别与车架和摇臂3铰接。摇臂一端铰接在动臂上,另一端通过连杆2与铲斗铰接。

在装载机工作装置设计中,最困难也是最频繁的工作就是运动机构的设计与运动轨迹校核,目前多采用轨迹图法或根据几何约束条件建立方程组进行求解,但对于运动部件多于3个的机构,设计起来比较麻烦,并且不直观,结果也不尽人意。美国PTC公司开发的三维设计软件Pro/E,能充分解决上述问题。

b) 三维建模

当前国内大部分企业CAD技术已经得到广泛的应用,但现在只停留在辅助绘图这个阶段。既然是设计就不但想到产品的机械模型,还应该想到产品的结构分析,运动分析,优化设计和生产加工等,只有这样才能真正发挥CAD的作用。要真正做到这一点,单凭二维CAD是不够的,必须采用三维CAD技术才更加科学合理。与CAD相比较,三维CAD有其显而易见的优点主要有:能建立与实物完全相同的数字样机、辅助进行复杂机构与新产品的设计、真正实现参数化驱动、能自动或方便的检查数字样机的干涉与间隙、自动生成工程图等优点;经过对比我们最终选择Pro/E软件,在Pro/E下建好的三维模型如图2。

c) 仿真分析

利用表1中提供的数据,在Pro/Mechanism环境下,对装载机工作装置进行干涉分析,然后添加约束、载荷(图2),进行运动仿真。此处只给出铲斗油缸位置时间曲线(图3)和加速度曲线(图4),铲斗的加速度随着载荷的变化发生变化。由于所选坐标系的不同,图3在油缸伸出和缩回时均为负值。仿真结果与实际情况基本符合。

4 结论

利用Pro/E在系统层次上对该装载机工作装置进行功能、性能以及行为等的仿真分析,及时发现了设计中出现的问题并进行改正,快速获得了优化设计方案,使其机构的设计更加合理,大大地缩短了设计到批量生产的时间,节省原材料,极大地降低成本,对设计工作具有重要的指导意义。

参考文献

[1]KORTUMW,et al.The 4th IAVSD-Herbertov workshop:“mod-eling and simulation of mechatronic vehicles:tools,standardsand industry demand”——objectives,issues and summary of re-sults.vehicle system dynamics supplement,1999(33):191-201.

[2]吴旭光,王新民.计算机仿真技术与应用[M].西安:西北工业大学出版社,1998.

Pro/E运动学仿真 篇8

蜗轮蜗杆传动是用来传递空间互相垂直而不相交的两轴间的运动和动力的传动机构, 由于它具有传递比大而结构尺寸紧凑等优点, 所以在各类机床、冶金、矿山及起重设备等的传递系统中, 得到了广泛的应用。

利用Pro/E和ADAMS软件的各自优势, 本研究可以实现蜗轮蜗杆零件的参数化建模及其装配体建模和运动仿真分析。由于渐开线蜗杆齿形复杂, 以往蜗杆建模过程繁琐复杂, 需要投入大量时间, 在Pro/E中基于渐开线蜗杆的生成原理, 利用方程建立渐开线曲线可以精确创建渐开线蜗杆的三维模型, 对其传动体装配后, 用ADAMS软件实现蜗轮蜗杆机构的运动仿真, 分析仿真结果, 为改进蜗轮蜗杆机构设计提供可靠的依据。

2 软件简介

Pro/E是美国参数化技术公司推出的集产品设计到生产的完整的CAD/CAE/CAM软件。其优点在于具有强大基于特征的参数化建模功能, 用参数化建模来约束产品模型的形状特征, 控制设计结果, 并能通过修改相应设计参数, 生成新的零件三维实体造型, 为仿真技术提供重要前提条件。

ADAMS软件是使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库等创建的完全参数化的机械系统几何模型, 其求解器采用多刚体系统动力学理论的Langrage方程方法, 建立系统动力学方程, 对虚拟机械系统进行静力学、动力学和运动学分析, 输出相应的力学曲线, 对机构进行运动仿真分析。

3 渐开线蜗杆造型方法和步骤

由于渐开线蜗杆的齿形比较复杂, 利用Pro/E进行蜗杆造型时, 首先按照需要进行蜗杆的初步设计定义基本参数, 然后建立这些基本参数与蜗杆尺寸、形状之间的方程式, 以实现蜗杆参数化自动设计。通过改变参数, 能精确地生成所需要的不同参数的蜗杆三维实体模型。蜗杆造型的具体步骤如下[1,2]。

3.1 设计参数及其计算

设计参数有模数M、导程角Q、蜗杆长度L、变位修正系数X2、头数Z1、齿数Z2、法面压力角ALPHA、端面压力角ALPHA_T、螺旋角BETA、导程S、变量TX、螺旋线长度LA、齿顶高HA1、配合齿顶高HA2、齿根高HF1、配合齿根高HF2、基圆柱螺旋角GAMMA等。在Pro/E工具箱参数对话框中, 输入定义基本参数数值, 并通过关系式定义其余各参数的数值, 设计参数及其计算见表1。

3.2 创建蜗杆渐开线

1) 创建基准平面和基准轴。首先, 选取TOP基准平面作为放置参照, 在“偏距”—“平移”中输入数值, 生成DTM1基准平面。然后, 选取TOP和RIGHT基准平面作为放置参照, 约束类型为基准轴A-1。选取DTM1和RIGHT基准平面作为放置参照, 约束类型为基准轴A-2。

2) 创建坐标系和蜗杆基本圆。选取RIGHT、TOP和FRONT基准平面作为放置参照, 垂直于RIGHT基准平面向右的方向为Z轴正向, 垂直于TOP基准平面向上方向为X轴正向, 生成CSO坐标系。在此基础上, 选取RIGHT、DTM1和FRONT基准平面作为放置参照, 垂直于RIGHT基准平面向右方向为Y轴正向, 垂直于FRONT基准平面向里方向为Z轴正向, 创建CS1坐标系。选择CS1坐标系作为放置参照, 创建CS2坐标系。

选CSO坐标系作为曲线方程使用的坐标系, 类型为柱坐标, 输入螺旋线的方程, 生成螺旋线。

选取FRONT基准平面作为草绘平面, 与其垂直的RIGHT基准平面作为草绘方向参照平面, 以CS2坐标系为圆心, 任意绘制4个同心圆, 如图1所示。

3) 蜗杆渐开线的形成。选取CS2坐标系, 输入渐开线方程, 生成渐开线。进行镜像操作, 生成镜像渐开线。选取上面创建的渐开线和蜗杆基本圆, 完成另一侧渐开线和蜗杆基本圆的复制, 如图2所示。

3.3 创建蜗杆实体

1) 选取RIGHT基准平面作为草绘平面, 绘制圆截面, 并完成实体拉伸特征, 添加尺寸关系式。

2) 选择扫描混合特征, 取螺旋线作为原始扫描轨迹, 分别选择两个参照点, 绘制齿廓曲线, 完成扫描混合特征。

3) 选择齿廓曲线, 以基准轴A_1作为复制参照, 确定复制方向, 输入旋转角度, 生成复制特征。

4) 创建蜗杆主体。通过创建基准点PNT0、基准平面DTM2以及旋转特征等操作, 生成草绘截面和旋转特征, 完成蜗杆三维参数化造型, 如图3所示。

蜗轮零件的三维造型在创建基本圆和渐开线的基础上, 常利用镜像、扫描混合、复制和阵列等系列特征操作来完成。

4 蜗轮蜗杆机构的运动仿真

由于Pro/E和机械系统动力学仿真分析软件ADAMS有专用的接口模块Mechanism/Pro, 可方便地将蜗轮蜗杆装配模型以parasolid格式导入ADAMS中, 在ADAMS中定义刚体和施加约束力后, 就可以模拟真实环境下蜗轮蜗杆机构的工作状况。

1) 将蜗轮蜗杆装配模型调入ADAMS中, 系统给蜗轮蜗杆三维实体模型进行刚体定义, 在ADAMS中建立蜗轮蜗杆啮合模型, 如图4所示。选择约束库/旋转副, 在工作区分别建立蜗轮和蜗杆相对于基础零件的旋转副。

2) 建立蜗轮蜗杆的啮合点, 选取约束库/齿轮副, 在对话框中分别选择蜗轮和蜗杆的旋转副, 再选取蜗轮蜗杆的啮合点, 建立蜗轮蜗杆齿轮副。

3) 选取驱动库/旋转驱动, 输入速度数值。以蜗杆作为传动机构的主动零件, 选择蜗杆旋转副, 建立蜗轮蜗杆旋转驱动, 然后进行蜗轮蜗杆机构的运动仿真。

5 结论

本文在Pro/E和ADAMS环境下, 实现了渐开线蜗杆参数化的造型和蜗轮蜗杆机构的运动仿真。这种方法不仅能够保证蜗杆造型的准确性, 而且建模过程实现了参数化, 设计人员只要按照蜗杆造型的具体要求, 进行相应设计参数的修改, 就可生成新的蜗杆三维实体模型。在ADAMS中对蜗轮蜗杆机构进行运动仿真分析, 得到相关动力学分析曲线, 甄别设计数据和结果, 及时发现问题解决问题, 优化了机构设计, 缩短了产品的开发周期, 提高了效率和质量。

参考文献

[1]曹岩, 等.Pro/ENGINEER Wildfire3.0机械设计实例精解[M].北京:机械工业出版社, 2007.

[2]谭雪松, 朱金波, 岳贵友.Pro/ENGINEER机械设计实战训练[M].北京:人民邮电出版社, 2004.

[3]王霄, 刘会霞, 等.Pro/Engineer Wildfire3.0典型机械零件设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2006.

[4]刘春景.基于PRO/E与ADAMS的齿轮泵设计及动态仿真[J].机床与液压, 2005 (11) :187-188.