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1、第一章 緒論 1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介 虛擬樣機(jī)技術(shù)〔Virtual Prototyping,VP〕是一門綜合多學(xué)科的技術(shù)。該技術(shù)以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué),動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心,加上成熟的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù),以及廣泛應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、集成技術(shù)等,將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)和分析過(guò)程集成在一起,把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合,為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個(gè)全新的設(shè)計(jì)方法,可以顯著的提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低開發(fā)成本,極提高企業(yè)地創(chuàng)新能力、競(jìng)爭(zhēng)能力和經(jīng)濟(jì)效益。 虛擬樣機(jī)技術(shù)是通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)體數(shù)字化模型并與產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)集成為三維的,動(dòng)態(tài)的仿真過(guò)程。應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù),可以產(chǎn)品的使

2、設(shè)計(jì)者、使用者和制造者在整個(gè)系統(tǒng)研制的早期,在虛擬環(huán)境中直觀形象地對(duì)虛擬的產(chǎn)品原型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測(cè)試、制造仿真和使用仿真,這對(duì)啟迪設(shè)計(jì)創(chuàng)新、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、加快產(chǎn)品開發(fā)周期有重要意義。虛擬樣機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)的初級(jí)階段―――概念設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完整的分析,可以觀察并試驗(yàn)各組成部件的相互運(yùn)動(dòng)情況。使用仿真軟件在各種虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng),它可以在計(jì)算機(jī)上方便的修改設(shè)計(jì)缺陷,仿真實(shí)驗(yàn)不同的設(shè)計(jì)方案,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)不斷改進(jìn),直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。由于虛擬樣機(jī)是一種計(jì)算機(jī)模型,它能夠反映實(shí)際系統(tǒng)的特性,包括外觀、空間關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的特性,借助于這項(xiàng)技術(shù),設(shè)計(jì)師可以在計(jì)算機(jī)

3、上建立產(chǎn)品的模型,伴之以三維可視化處理,模擬在真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)特性,并根據(jù)仿真結(jié)果精化和優(yōu)化系統(tǒng)。 1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)國(guó)外的現(xiàn)狀綜述 虛擬樣機(jī)技術(shù)是20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)。其研究和應(yīng)用迅速得到許多研究機(jī)構(gòu)及軟件供應(yīng)商的重視。隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,工程設(shè)計(jì)的理論、方法和手段都發(fā)生了巨大變化。特別是近30年來(lái),工程設(shè)計(jì)手段的先進(jìn)與否、數(shù)字化程度的高低,在很大程度上決定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的周期、質(zhì)量和成本。CAD技術(shù)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中最早和最成功的典,它將設(shè)計(jì)人員從枯燥的重復(fù)勞動(dòng)中解放出來(lái),為設(shè)計(jì)人員將更多的時(shí)間和

4、精力用于創(chuàng)造性的工作提供了條件。虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用,再次極改進(jìn)了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)手段,它可以幫助設(shè)計(jì)人員分析機(jī)械系統(tǒng)零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、熱特性和動(dòng)態(tài)特性,不但進(jìn)一步推動(dòng)了CAD技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用,而且解決了許多以前難以處理的工程問(wèn)題。 日前,國(guó)外虛擬樣機(jī)相關(guān)技術(shù)的軟件化過(guò)程已經(jīng)完成,較有影響的有美國(guó)機(jī)械動(dòng)力公司的ADAMS,德國(guó)航天局的SIMPACK,美國(guó)EDS公司的UG、I-Deas等等。美國(guó)VPI公司目前已經(jīng)開發(fā)出了商業(yè)性的虛擬樣機(jī)系統(tǒng),在國(guó)防、航空、航大等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。虛擬樣機(jī)技術(shù)在一些較發(fā)達(dá)國(guó)家,如美國(guó)、德國(guó)、日本等己得到一泛的應(yīng)用,應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造業(yè)、土

5、程機(jī)械、航空航大業(yè)、造船業(yè)、機(jī)械電子土業(yè)、國(guó)防土業(yè)、通用機(jī)械到人機(jī)土程學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)以及土程齊詢等很多方面。 國(guó)虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究剛剛開始,一些大學(xué)和科研院所正在進(jìn)行這一方面的土作,主要是對(duì)虛擬樣機(jī)概念和結(jié)構(gòu)的研究,對(duì)虛擬樣機(jī)要求的相關(guān)技術(shù)如數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布交互仿真技術(shù)等己有一定的基礎(chǔ)。如將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用十航空發(fā)動(dòng)機(jī)、武器裝備、機(jī)械系統(tǒng)等方面的研究。但整體上與國(guó)外相比還有很大差距,屬于起步階段。 1.3 課題研究的目的及意義 傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)總是先制定設(shè)計(jì)方案,然后再采用理論力學(xué)的方法計(jì)算其運(yùn)動(dòng)學(xué)或者動(dòng)力學(xué)特性,而后再進(jìn)行優(yōu)化、強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

6、這個(gè)過(guò)程單就運(yùn)動(dòng)學(xué)或者動(dòng)力學(xué)特性分析而言,要經(jīng)過(guò)大量的理論分析及計(jì)算。 同傳統(tǒng)的基于物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)方法相比,虛擬樣機(jī)技術(shù)以全新的設(shè)計(jì)方逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)。 1>全新的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的研發(fā)方法從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)是一個(gè)串行過(guò)程,這種方法存在很多弊端。而虛擬樣機(jī)技術(shù)真正地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)的產(chǎn)品優(yōu)化,它基于并行工程,使產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計(jì)方案,確定影響性能的敏感參數(shù),并通過(guò)可視化技術(shù)設(shè)計(jì)一產(chǎn)品、預(yù)測(cè)產(chǎn)品在真實(shí)工況下的特征以及所具有的響應(yīng),直至獲得最優(yōu)工作性能。 2>更低的研發(fā)成本、更短的研發(fā)周期、更高的產(chǎn)品質(zhì)量。采用

7、虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法有助于擺脫對(duì)物理樣機(jī)的依賴。通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型<即虛擬樣機(jī)>,可以完成無(wú)數(shù)次物理樣機(jī)無(wú)法進(jìn)行的虛擬試驗(yàn)<成本和時(shí)間條件不允許>,從而無(wú)需制造及試驗(yàn)物理樣機(jī)就可獲得最優(yōu)方案,因此不但減少了物理樣機(jī)的數(shù)量,而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 1.4 本課題研究的要求和容 根據(jù)《基于UG的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與仿真》綱要,設(shè)計(jì)可完成規(guī)定的探寶機(jī)模型一臺(tái),可完成課題中所提出的任務(wù)和要求,并做出書面機(jī)械設(shè)計(jì)方案,完成探寶機(jī)模型機(jī)構(gòu)的3D虛擬設(shè)計(jì)與關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。具體包括機(jī)器裝置的原理方案構(gòu)思和擬定；原理方案的實(shí)現(xiàn)、傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)；關(guān)鍵技術(shù)的分析與實(shí)現(xiàn)、主要零部件

8、結(jié)構(gòu)的3D設(shè)計(jì)及虛擬裝配；基于UG軟件的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。 1.4.1 探險(xiǎn)車械設(shè)計(jì)要求 1.探險(xiǎn)車在折疊狀態(tài)時(shí),其長(zhǎng)度小于等于300mm、寬度小于等于300mm、高度小于等于300mm。 2.探險(xiǎn)車的驅(qū)動(dòng)可采用各種形式的原動(dòng)機(jī),不允許使用人力直接驅(qū)動(dòng)。 3.動(dòng)力設(shè)備采用原動(dòng)機(jī)。 4.探險(xiǎn)車行進(jìn)方式不限,拾取〔放置〕圓環(huán)的方式和每次拾取〔放置〕圓環(huán)的數(shù)量不限。 5.探險(xiǎn)車的控制可采用有線或無(wú)線遙控方式。 1.4.2 模擬工作場(chǎng)地及用品規(guī)格 本場(chǎng)地采用木工板制作,表面鋪設(shè)噴繪廣告布,場(chǎng)地詳見圖1-1,圖中海底寶藏的九個(gè)圓環(huán)〔?50′?46′h30〕由PVC材料制作。

9、 一區(qū) 二區(qū) 三區(qū) 四區(qū) 五區(qū) 起始 位置 圖1-1　模擬工作場(chǎng)地 1.4.3 探險(xiǎn)車包括下列動(dòng)作： 動(dòng)作1：成功從"一區(qū)"到達(dá)"二區(qū)"。 動(dòng)作2：探險(xiǎn)車在"二區(qū)"通過(guò)機(jī)械臂抓取"三區(qū)"的圓環(huán)放到"二區(qū)"。 動(dòng)作3：成功從"二區(qū)"到達(dá)"四區(qū)"。 動(dòng)作4：將圓環(huán)套置到"五區(qū)"的圓柱上。 針對(duì)于課題的要求,本文主要的研究容有以下一些方面； 1〕部件的設(shè)計(jì)造型及幾個(gè)關(guān)鍵部件的功能實(shí)現(xiàn)； 2〕用UG三維設(shè)計(jì)軟件建立虛擬數(shù)字模型； 3〕用UG/Mo

10、tion模塊做對(duì)主要零部件做運(yùn)動(dòng)仿真分析； 4〕用UG/Assembly模塊進(jìn)行虛擬數(shù)字模型的虛擬裝配。 第二章 虛擬設(shè)計(jì) 2.1 引言 虛擬設(shè)計(jì)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)〔CAD〕為基礎(chǔ),利用現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)進(jìn)行建模。目前,使用較普遍的三維造型軟件,如UG,Pro/E,SolidWorks,CATAI,都是功能強(qiáng)大的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件。 美國(guó)UGS公司開發(fā)的Unigaphics 軟件是個(gè)集CAD/ CAM/ CAE于一體的大型CAD軟件使用該軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),能直觀、準(zhǔn)確地反映零、組件的形狀和裝配關(guān)系,可完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、土藝制造的無(wú)紙化開發(fā),并可與產(chǎn)品

11、設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、工裝制造等土作同步進(jìn)行,從而大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。UG具有一個(gè)靈活的復(fù)合建模模塊。復(fù)合建模包括了幾種建模方法:實(shí)體建模、曲面建模、線框建模及基于特征的參數(shù)化建模。利用UG的復(fù)合建模模塊,可以很方便的建立起產(chǎn)品零件的實(shí)體模型。 2.2 UG/Modeling模塊的簡(jiǎn)介 UG建模技術(shù)是一種基于特征和約束的建模技術(shù),具有交互建立和編輯復(fù)雜實(shí)體模型的能力。應(yīng)用UG的建模功能,設(shè)計(jì)工程師可快速進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的基于線框和實(shí)體的CAD系統(tǒng)相比,設(shè)計(jì)人員在建模和編輯的過(guò)程中花費(fèi)的精力和時(shí)間會(huì)更少。UG三維建?！睲

12、odeling〕應(yīng)用是新一代建模技術(shù),它結(jié)合了傳統(tǒng)建模和參數(shù)化建模的優(yōu)點(diǎn),具有全相關(guān)的參數(shù)化功能,是一種"復(fù)合建模"工具。 UG建模充分發(fā)揮了傳統(tǒng)的實(shí)體、表面、線框造型優(yōu)勢(shì),能夠很方便地建立二維和三維線框模型及掃描、旋轉(zhuǎn)實(shí)體,并可進(jìn)行布爾操作和參數(shù)化編輯。其草圖工具可供用戶定義二維截面的輪廓線。特征建模模塊提高了表達(dá)式設(shè)計(jì)的層次,使實(shí)際信息可以用工程特征來(lái)定義。例如,模塊中提供了各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)特征,如孔、槽、型腔、凸臺(tái)、方形凸臺(tái)、圓柱、塊、圓錐、球、管道、圓角和倒角等；同時(shí),還可薄殼實(shí)體創(chuàng)建薄壁件,并對(duì)實(shí)體進(jìn)行拔模以及從實(shí)體中抽取需要的幾何體等。 在UG中建立的模型,可直接被引用到UG的二維

13、工程圖、裝配、加工、機(jī)構(gòu)分析和有限元分析中,并保持關(guān)聯(lián)性。如在工程圖中,利用Drafting中的相應(yīng)選項(xiàng),可從實(shí)體模型提取尺寸、公差等信息標(biāo)注在工程圖中,實(shí)體模型編輯后,工程圖尺寸自動(dòng)更新。 在UG中建立的三維模型,可進(jìn)行著色、消隱和干涉檢查,并可從實(shí)體中提取幾何特性和物理特性,進(jìn)行幾何計(jì)算和物理特性分析。 2.3 探險(xiǎn)車的整個(gè)模型的虛擬設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)反復(fù)討論和假設(shè)最后確定了探險(xiǎn)車的設(shè)計(jì)方案,模仿月球車的基本功能和設(shè)計(jì)思路,根據(jù)給定的規(guī)定動(dòng)作順序,綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí),對(duì)探險(xiǎn)車整體車架和實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一種行星越障輪和鏈輪的探險(xiǎn)車,

14、該車主要有4大部件組成：行星越障輪,鏈輪,機(jī)械抓手,多關(guān)節(jié)機(jī)械臂,四桿液壓式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及車架。 探險(xiǎn)車的整體設(shè)計(jì)類似施工現(xiàn)場(chǎng)的挖掘機(jī),不過(guò)比挖掘機(jī)多了一對(duì)行星輪和液壓四桿機(jī)構(gòu)。如圖2-1所示： 1、 機(jī)械臂手 2、鏈輪 3、行星輪 4、齒輪箱體 5、托盤固定蓋 6、四桿提升機(jī)構(gòu) 圖2-1 整車模型圖 由上圖可以看出,整車模型的造型并不是很復(fù)雜,大部分零件都能用UG 的實(shí)體建模,基于特征〔如孔、凸臺(tái)、型腔、溝槽、倒角等〕的建模和編輯方法進(jìn)行實(shí)體造型,既形象又直觀。整車模型中的一些連接件,緊固件〔如螺栓,螺母,軸承,鏈條等〕都采用了標(biāo)準(zhǔn)件,這樣使整個(gè)模型更加標(biāo)準(zhǔn)化,也提高了工作

15、效率,減輕了設(shè)計(jì)者的工作量。 在整車模型的建模過(guò)程中,某些零件的造型設(shè)計(jì),如齒輪,箱體類零件,都還是比較麻煩的,齒輪漸開線的繪制,輪胎的曲面造型等。 2.4 探險(xiǎn)車中圓柱齒輪的參數(shù)化建模 行星輪中采用的是漸開線直齒圓柱齒輪,而精確的繪制齒輪件漸開線則是參數(shù)化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。在UG中可以采用表達(dá)式方法來(lái)繪制漸開線。 首先,需要確定齒輪的一些基本參數(shù),包括齒數(shù),模數(shù),壓力角,齒頂高系數(shù)等。在UG/Modeling模塊中,選擇工具―――表達(dá)式選項(xiàng),將彈出對(duì)話框,即可以在其中輸入變量和表達(dá)式。首先必須輸入有明確賦值的基本參數(shù),也可以在以后進(jìn)行任意修改。然后輸入必要的變量,必要的變量所采用的

16、參數(shù)必須在它之前就已經(jīng)定義,否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。另外,UG自身的一些約定,所以必須進(jìn)行一定的變量轉(zhuǎn)換。例如,UG采用的三角函數(shù)是角度而不是弧度,直接變量t在0～1之間變化等。在對(duì)話框中輸入表達(dá)式,如圖2-2所示： 圖2-2 表達(dá)式對(duì)話框 完成后,選擇插入―――曲線―――規(guī)律曲線菜單選項(xiàng),使用 根據(jù)方程 方式,以t為系統(tǒng)變量,分別用xt,yt來(lái)表示坐標(biāo)x,y變量,將z定義為常量0即可,以坐標(biāo)原點(diǎn)為基點(diǎn)繪制的漸開線如圖2-3所示： 然后繪制出齒頂圓,齒根圓,分度圓,繪制出漸開線鏡像旋轉(zhuǎn)的參考曲線,所有的長(zhǎng)度,角度等值都以表示式輸入。接著對(duì)漸開線進(jìn)行裁減,用裁減曲線命令對(duì)漸開線依次選擇基圓和齒頂

17、圓作為修剪邊界, 最后再選擇兩條漸開線,獲得漸開線輪廓, 然后陣列就可以獲得齒輪輪廓線。如圖 2-4,2-5所示。 圖2-3 漸開線 圖2-4 單齒漸開線 圖2-5 漸開線齒輪 2.5 箱體的造型設(shè)計(jì) 行星輪機(jī)構(gòu)中的箱體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,如圖2-6所示： 圖2-6 箱體

18、 圖2-7 箱體部結(jié)構(gòu) 對(duì)于這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,部又需要精度很高的配合,可以使用UG的技術(shù),即WAVE技術(shù)。WAVE是UG上進(jìn)行的一項(xiàng)軟件開發(fā),是一種實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配的各組件間關(guān)聯(lián)建模的技術(shù)。采用關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體方法來(lái)控制總體裝配結(jié)構(gòu)<在不同的組件之間關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體>,從而保證整個(gè)裝配和零部件的參數(shù)關(guān)聯(lián)性,最適合于復(fù)雜產(chǎn)品的幾何界面相關(guān)性、產(chǎn)品系列化和變型產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。 WAVE是在概念設(shè)計(jì)和最終產(chǎn)品或模具之間建立一種相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)方法,能對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品<如汽車車身

19、>的總裝配設(shè)計(jì)、相關(guān)零部件和模具設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的控制?？傮w設(shè)計(jì)可以嚴(yán)格控制分總成和零部件的關(guān)鍵尺寸與形狀,而無(wú)需考慮細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)；而分總成和零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)總體設(shè)計(jì)沒(méi)有影響,并無(wú)權(quán)改變總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸。因此,當(dāng)總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸修改后,分總成和零部件的設(shè)計(jì)自動(dòng)更新,從而避免了零部件的重復(fù)設(shè)計(jì)的浪費(fèi),使得后續(xù)零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)得到到有效的管理和再利用,大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期,提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。 把箱體部的零件的最大外輪廓線抽取出來(lái),作為箱體部結(jié)構(gòu)的形狀,這樣做就不需要在自己創(chuàng)建曲線,而且還可以保留全部的參數(shù),也給日后的修改帶來(lái)方便。 進(jìn)入U(xiǎn)G界面,打開裝配模塊,會(huì)出現(xiàn)如下的工具欄如圖2

20、-8所示： 圖2-8 裝配工具欄 然后點(diǎn)擊WAVE幾何連接器,會(huì)出來(lái)如圖2-9的對(duì)話框： 圖2-9 WAVE幾何連接器 然后選中上圖中的曲線功能,把模型中的輪廓線抽取出來(lái),如圖2-10所示： 圖2-10 可以利用抽取出來(lái)的曲線進(jìn)行拉伸,旋轉(zhuǎn)等命令的操作,如圖2-11、2-12所示： 圖2-11 拉伸對(duì)話框 圖2-12 旋轉(zhuǎn)對(duì)話框 抽取出所有的輪廓線以后,進(jìn)行拉伸,旋轉(zhuǎn),就能得到如圖2-13所示的圖形,因?yàn)閯傞_始抽取出來(lái)的是整個(gè)模型中的曲線,是以最大的外輪廓線進(jìn)行拉伸與旋轉(zhuǎn),所以出現(xiàn)的是完全包圍整個(gè)模型的實(shí)體。而箱體是

21、分箱體上蓋和箱體底座,而本設(shè)計(jì)中把箱體設(shè)計(jì)成上下對(duì)稱的結(jié)構(gòu),這樣更容易零件的設(shè)計(jì),所以把箱體分成上下各半。 圖2-13 實(shí)體模型 然后以XC-YC平面創(chuàng)建一個(gè)基準(zhǔn)平面,用以分割實(shí)體,如圖2-14所示： 圖2-14 創(chuàng)建基準(zhǔn)平面 再使用修剪體命令或者使用分割體命令把實(shí)體分成兩部分,這樣就完成了箱體部分的創(chuàng)建。在這里有一個(gè)問(wèn)題需要注意的就是,使用不同的命令去分割實(shí)體,會(huì)有不同的結(jié)果。使用修剪體命令,進(jìn)行修剪后的實(shí)體仍然保留著它的參數(shù),但是使用分割命令,則會(huì)把原本實(shí)體中的參數(shù)去掉,換句話說(shuō),用分割體命令時(shí)就要先去除參數(shù),才能分割。這樣很不容易以后對(duì)實(shí)體的修改。 應(yīng)用UG

22、的建模功能,設(shè)計(jì)者可快速進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì),交互建立和編輯各種復(fù)雜的零部件模型。UG這個(gè)功能強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)軟件,以其獨(dú)特的復(fù)合建模方法給設(shè)計(jì)者帶來(lái)設(shè)計(jì)的無(wú)限樂(lè)趣。 第三章 虛擬裝配 3.1 引言 虛擬裝配就是在計(jì)算機(jī)上建立起如同真實(shí)樣機(jī)的直觀可視化的三維數(shù)字化模型,即虛擬樣機(jī),然后在虛擬環(huán)境下對(duì)零部件裝配情況進(jìn)行干涉檢查。虛擬裝配是虛擬設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組成部分,它利用計(jì)算機(jī)工具,通過(guò)分析、檢測(cè)產(chǎn)品的數(shù)字化模型,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)描述和可視化,做出與裝配有關(guān)的工程決策,而不需要實(shí)物產(chǎn)品模型作

23、支持。 為了充分展現(xiàn)產(chǎn)品的美觀性以及使工程設(shè)計(jì)人員減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,虛擬裝配成型已成為產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中重要的一步。在虛擬裝配成型系統(tǒng)中工程設(shè)計(jì)人員可以從任意方位觀察、隨意操縱、裝配或拆卸任何零部件模型。 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中,對(duì)產(chǎn)品外觀和功能的評(píng)估以及裝配協(xié)調(diào)性檢查一般是借助于實(shí)物模型來(lái)完成的。這是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過(guò)程,因?yàn)閷?duì)設(shè)計(jì)的任何小的修改都可能導(dǎo)致實(shí)物模型的重建。CAD技術(shù)的發(fā)展使得工程設(shè)計(jì)人員能在計(jì)算機(jī)上對(duì)產(chǎn)品講行裝配檢查。事實(shí)上,裝配設(shè)計(jì)是CAD技術(shù)中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。一個(gè)有效的計(jì)算機(jī)虛擬裝配模型不僅應(yīng)該表示單個(gè)的產(chǎn)品零件幾何、它們?cè)谘b配體中的最終位置,而且應(yīng)該能表示

24、裝配誤差、零件間的結(jié)構(gòu)關(guān)系,如零件是如何裝配的等信息。這種信息有可能通過(guò)設(shè)計(jì)者在將各個(gè)散置的零件裝配成完整的裝配體,即產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)裝配過(guò)程中獲得。在動(dòng)態(tài)裝配過(guò)程中還要對(duì)零部件進(jìn)行碰撞檢測(cè),并對(duì)發(fā)生碰撞的零部件作出預(yù)警。 3.2 UG/Assemblies模塊的簡(jiǎn)介 本課題中,選用的UG三維軟件中UG/Assemblies模塊所采用的是"引用集"方法,也就是指在實(shí)現(xiàn)模型裝配時(shí),通過(guò)記憶零部件在裝配模型中的各自位置,且在需要時(shí)才裝入組件,而不是將所有組件全部真實(shí)送入到裝配模型中。組件送入裝配模型后,裝配模型記錄的是組件的最新版本,當(dāng)零部件修改后,裝配模型會(huì)自動(dòng)地更新.這樣,既節(jié)省了大量的工

25、作,也為"并行工程"開展提供了技術(shù)支持,裝配模型所引用的各零部件可以存儲(chǔ)于各用戶的計(jì)算機(jī)、中心文件服務(wù)器或可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的任何地方,使得異地協(xié)同設(shè)計(jì)成為可能。 在UG中進(jìn)行動(dòng)態(tài)虛擬裝配過(guò)程可描述為:設(shè)計(jì)者逐個(gè)調(diào)入零部件,利用動(dòng)態(tài)導(dǎo)航等技術(shù)選取相配合的幾何特征并輸入幾何約束,由系統(tǒng)對(duì)用戶輸入的幾何約束進(jìn)行一致性檢查并報(bào)告相關(guān)信息,在進(jìn)行幾何約束求解之后,動(dòng)態(tài)地將零件裝配到所約束的位置上,同時(shí)系統(tǒng)能在屏幕上顯示出零件的裝配位置,使用戶可從圖形上檢查所建立的裝配模型。UG中虛擬裝配過(guò)程可以對(duì)零部件進(jìn)行三維操作,具有非常直觀的較高的交互性;同時(shí)三維立體顯示讓設(shè)計(jì)者可以象在真實(shí)世界中一樣觀察物體。

26、 UG的裝配建模過(guò)程其實(shí)就是建立組件裝配關(guān)系的過(guò)程?？梢允褂孟旅娴墓秸f(shuō)明UG裝配的原理： Assembly=∑Component <裝配模型＝∑組件> UG裝配模塊除了可以快速將零件組件成產(chǎn)品外,還可以在裝配的上下文圍建立新的零件模型,并產(chǎn)生明細(xì)列表。而且在裝配中,可以參照其他組件進(jìn)行組件配對(duì)設(shè)計(jì),并可對(duì)裝配模型進(jìn)行間隙分析、重量管理等操作。裝配生成后,可建立爆炸視圖,并可將其引入到裝配工程圖中。 在UG NX版本中,提供了3中方法來(lái)滿足不同的裝配需求。 1．自底向上模式〔Bottom-up〕 對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)存在的系列產(chǎn)品零件、標(biāo)準(zhǔn)件以及外購(gòu)件,可以

27、通過(guò)自底向上的設(shè)計(jì)方法將它們加入到裝配中。這種設(shè)計(jì)過(guò)程由于事先沒(méi)有一個(gè)很好的規(guī)劃,沒(méi)有一個(gè)全局的考慮,設(shè)計(jì)階段的重復(fù)工作很多,造成了時(shí)間和人力資源的很大浪費(fèi),工作效率低。這種設(shè)計(jì)過(guò)程是從零件設(shè)計(jì)到總體裝配設(shè)計(jì),既不支持產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì),又不能支持零件設(shè)計(jì)過(guò)程中的信息傳遞,特別是產(chǎn)品零、部件之間的裝配關(guān)系<如裝配形式、層次、配合等>無(wú)法在現(xiàn)有的系統(tǒng)中得到完整描述。 2．自頂向上模式〔Top-down〕 自頂向下的模式是從整體到局部的設(shè)計(jì)過(guò)程,自頂向下"Top-down"的設(shè)計(jì)過(guò)程,設(shè)計(jì)是從產(chǎn)品功能要求出發(fā),選用一系列的零件去實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能;先設(shè)計(jì)出

28、初步方案及其結(jié)構(gòu)草圖,建立約束驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品模型;通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算,確定每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù),然后進(jìn)行零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì),通過(guò)幾何約束求解將零件裝配成產(chǎn)品:對(duì)設(shè)計(jì)方案分析之后,返回修改不滿意之處,直到得到滿足功能要求的產(chǎn)品。這種設(shè)計(jì)過(guò)程能充分利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)良性能,最大限度地發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)潛力,最大限度地減少設(shè)計(jì)實(shí)施階段不必要的重復(fù)工作,使企業(yè)的人力、物力等資源得到充分的利用,有利于提高設(shè)計(jì)效率,減少新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究時(shí)間,使企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利的位置。 3.混合建模 混合建模方法就是上述兩種裝配方法的組合。首先將已經(jīng)存在的組件加入到裝配件中,然后在裝配上下文中建立一個(gè)新組件,它的尺寸與位置可參考裝配件

29、中已有的其他組件。 本設(shè)計(jì)中,就是采用了混合建模的方法,大大提供了工作效率,減少了工作時(shí)間,最大限度地減少了設(shè)計(jì)階段不必要地重復(fù)工作,大大提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,給隨后的工作帶來(lái)了方便。 3.3 行星輪機(jī)構(gòu)的裝配建模 行星輪機(jī)構(gòu)是本設(shè)計(jì)中的重點(diǎn),是探險(xiǎn)車的爬坡機(jī)構(gòu),爬坡的時(shí)候靠的是行星輪的帶動(dòng)使得車身抬起再靠鏈輪的驅(qū)動(dòng)力使得車子沿著階梯爬行,完成爬坡任務(wù)。如圖3－1所示：此機(jī)構(gòu)是由兩邊的行星輪和中間的齒輪箱體構(gòu)成。 圖3－1 行星輪機(jī)構(gòu) 3.3.1 齒輪箱體的裝配 此部分的機(jī)構(gòu),是行星輪的動(dòng)力源,它的作用是增大電機(jī)扭矩,使得傳動(dòng)更平穩(wěn),與以往的齒輪減速箱有所不同的就是,加進(jìn)了電

30、機(jī),把電機(jī)和齒輪輪系整合到了一個(gè)箱體中,使得整體的結(jié)構(gòu)顯得更加緊湊,也使整個(gè)模型更加簡(jiǎn)潔。, 如圖3－2所示為齒輪箱結(jié)構(gòu)的各零件 圖3－2 齒輪箱部結(jié)構(gòu)爆炸圖 在UG中進(jìn)行裝配建模時(shí),把在UG/Modeling模塊中建立好的每一個(gè)零件導(dǎo)入到工作界面中,裝配建模的主要任務(wù)就是將這些零散的零部件通過(guò)UG/Assembly模塊中的命令組裝成一個(gè)完整的裝配體或子組件。UG中可以采用特征配對(duì)或者采用零件空間絕對(duì)坐標(biāo)的方式進(jìn)行裝配。通過(guò)特征配對(duì),裝配的零件具有嚴(yán)格的父子依賴關(guān)系,并且相互配合間的零件的約束關(guān)系始終保存,即使是對(duì)某個(gè)零件作了變更或修改,而利用零件的空間絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行的裝配卻不存在這個(gè)問(wèn)

31、題。裝配模塊還可以對(duì)裝配體進(jìn)行簡(jiǎn)單干涉分析和裝配間隙分析,可以保障裝配模型的有效性。如圖3－3所示為裝配后的模型： 圖3－3 齒輪箱裝配圖 3.3.2 單個(gè)行星輪的裝配 行星輪做為主要的爬坡機(jī)構(gòu),部的結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的,它主要是由齒輪系組成,齒輪之間的嚙合,就需要一定的精度,所以應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù),在設(shè)計(jì)中 通過(guò)零件之間的位置關(guān)系,零件與零件間的干涉檢查,可以設(shè)計(jì)出符合要求的零件,以免產(chǎn)生錯(cuò)誤。 爆炸圖是在裝配環(huán)境下把組成裝配的組件拆分開來(lái),更好地表示整個(gè)裝配地組成狀態(tài),便于觀察每個(gè)組件的一種方法。 建立組件裝配后,就可以通過(guò)爆炸圖來(lái)表達(dá)裝配組件部各組件之間的相互關(guān)系。

32、進(jìn)行爆炸圖的操作可以選擇裝配/爆炸視圖下拉菜單中的各項(xiàng)命令,進(jìn)行爆炸圖的設(shè)置。 首先,打開圖檔,進(jìn)入裝配模塊,擊裝配工具欄中的爆炸視圖命令,然后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小工具條,如圖3-3所示： 圖3-3 爆炸視圖 點(diǎn)擊創(chuàng)建爆炸視圖命令,會(huì)跳出創(chuàng)建爆炸視圖對(duì)話框如圖3-4所示： 圖3-4 創(chuàng)建爆炸視圖 按確定以后會(huì)激活爆炸視圖工具欄中其他灰色的命令,如圖3-5所示： 圖3-5 激活的爆炸視圖對(duì)話框 然后點(diǎn)編輯爆炸視圖命令,會(huì)出現(xiàn)如下圖3-6所示對(duì)話框： 圖3-6 編輯爆炸視圖對(duì)話框 可以通過(guò)這個(gè)對(duì)話框進(jìn)行行星輪中各個(gè)零部件的拖動(dòng),可以任意的拖動(dòng)零部件到任意的位置,也可以把零部件進(jìn)

33、行旋轉(zhuǎn),調(diào)整零件之間的視角,使得看起來(lái)更加的清楚,更能了解零部件之間的關(guān)系。 選中一個(gè)要拖動(dòng)的對(duì)象,即模型中的某個(gè)零件,然后在點(diǎn)選移動(dòng)對(duì)象,在工作界面中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)可以拖動(dòng)的坐標(biāo)系,可以選擇坐標(biāo)系的任何一個(gè)矢量方向進(jìn)行拖動(dòng),可以選擇各矢量間的小圓球,進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。如圖3-7所示： 圖3-7 編輯爆炸是圖的操作 運(yùn)用這樣的方法就可以把零件一個(gè)一個(gè)的拖動(dòng)出來(lái),就像實(shí)際工作中對(duì)裝配體的拆卸,能真實(shí)的反應(yīng)出裝配的順序,零件之間存在的問(wèn)題,可以快速的找出問(wèn)題,并解決問(wèn)題,避免了等制造出來(lái)以后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,在重新設(shè)計(jì),造成不必要的損失。下圖是完全爆炸開的行星輪爆炸圖3-8所示： 圖3－4

34、單個(gè)行星輪爆炸視圖 在UG/Assembly模塊中還有一個(gè)裝配順序的功能,可以進(jìn)行模型的拆卸仿真。拆卸仿真在整個(gè)模型拆卸研究中有著極其重要的作用。通過(guò)對(duì)整個(gè)模型的拆卸仿真,可以實(shí)現(xiàn)各零部件之間的拆卸干涉分析,為拆卸序列的生成提供依據(jù)。同時(shí)動(dòng)態(tài)仿真演示模擬整個(gè)拆卸過(guò)程,使用戶和設(shè)計(jì)人員更加直觀的了解拆土藝和拆卸過(guò)程。 第四章 虛擬仿真技術(shù) 4.1 引言 UG三維設(shè)計(jì)軟件采用復(fù)合建模技術(shù),可將實(shí)體建模、曲面建模、線框建模、顯示幾何建模與參數(shù)化建模融為一體;用基于特征〔如孔、凸臺(tái)、型腔、槽溝、倒角等>的建模和編輯方法進(jìn)行實(shí)體造型,形象直觀。并可將多個(gè)三維立體模型裝配成為系

35、統(tǒng),利用參數(shù)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真。 利用UG對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的途徑有兩條: 第一,利用UG的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊UG-Scenario forMotion這個(gè)模塊提供機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析、仿真和文檔生成功能,可在uG實(shí)體模型或裝配環(huán)境中定義機(jī)構(gòu),包括鉸鏈、連桿、彈簧、阻尼、初始運(yùn)動(dòng)條件等機(jī)構(gòu)定義要素。定義好的機(jī)構(gòu)可直接在UG中進(jìn)行分析,包括最小距離、干涉檢查和軌跡包絡(luò)線等選項(xiàng),同時(shí)可實(shí)現(xiàn)仿真機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。它能夠提供準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,但不能用于變形體的仿真,往往是通過(guò)單步運(yùn)行仿真結(jié)果,靠屏幕抓取方式獲得圖片,不能提供高質(zhì)量圖片,所以仿真效果也不是很好。 第二,通過(guò)修改裝配<或零件>參數(shù)或重新定位零

36、件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真應(yīng)用UG軟件中的參數(shù)化建模、裝配、零件問(wèn)表達(dá)式等工具,可以清楚地表達(dá)CAD模型間的相互關(guān)系。通過(guò)修改模型參數(shù)、裝配關(guān)系或零件間表達(dá)式,實(shí)現(xiàn)剛體以及變形體的運(yùn)動(dòng)仿真。仿真過(guò)程中使用高質(zhì)量渲染功能UG-High Quality Image < HQI>能夠得到賞心悅?cè)盏膱D片,靈活運(yùn)用宏命令還可以很提高仿真效率。在UG/Modeling、UG/Assembly和UG/HQI中利用的全部動(dòng)作,然后手工或通過(guò)用戶程序?qū)⒃摵昝钭龀龆喾菘截?形成一個(gè)新文件,把參數(shù)改為其相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。最后再運(yùn)行新制作的宏命令,生成所有仿真用圖片素材,再用動(dòng)畫工具制出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的仿真片段。本章節(jié)中著重介紹的是UG

37、/Motion模塊。 4.2 UG/Motion模塊的介紹 UG/Motion是UG/CAE〔Computer Aided Engineering〕模塊中的主要部分,它能對(duì)任何二維或三維機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力分析和設(shè)計(jì)仿真。通過(guò)UG/Modeling的功能建立一個(gè)三維實(shí)體模型,利用UG/Motion的功能給三維實(shí)體模型的各個(gè)部件賦予一定的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,再在各個(gè)部件之間設(shè)立一定的連接關(guān)系既可建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真模型。UG/Motion的功能可以對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行大量的裝配分析工作、運(yùn)動(dòng)合理性分析工作,諸如干涉檢查、軌跡包絡(luò)等,得到大量運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過(guò)對(duì)這個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)

38、運(yùn)動(dòng)分析就可以驗(yàn)證該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,并且可以利用圖形輸出各個(gè)部件的位移、坐標(biāo)、加速度、速度和力的變化情況,對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。 在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真之前,先要打開UG/Motion〔運(yùn)動(dòng)仿真〕的主界面。在UG的主界面中選擇菜單命令[應(yīng)用]→[運(yùn)動(dòng)仿真]如圖4-1所示。 圖4-1 打開UG/Motion操作界面 選擇該菜單命令后,系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)打開UG/Motion的主界面,同時(shí)彈出運(yùn)動(dòng)仿真的工具欄。 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景導(dǎo)航窗口顯示了文件名稱,運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的名稱、類型、狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)的設(shè)置以及運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)的設(shè)置,如圖4-2所示。運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景是UG運(yùn)動(dòng)仿真的框架和入口,它是整個(gè)運(yùn)動(dòng)模型的載體,儲(chǔ)存了運(yùn)動(dòng)模

39、型的所有信息。同一個(gè)三維實(shí)體模型通過(guò)設(shè)置不同的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景可以建立不同的運(yùn)動(dòng)模型,從而實(shí)現(xiàn)不同的圖4-2 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器 運(yùn)動(dòng)過(guò)程,得到不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 點(diǎn)擊應(yīng)用/運(yùn)動(dòng)仿真后UG界面將作一定的變化,系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)的打開UG/Motion的主界面。該界面分為三個(gè)部分：運(yùn)動(dòng)仿真工具欄部分、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景導(dǎo)航窗口和繪圖區(qū),如圖4-3所示。 圖4-3 UG/Motion 主界面 載荷模塊 連桿及運(yùn)動(dòng)副模塊 運(yùn)動(dòng)模型管理模塊 運(yùn)動(dòng)仿真工具欄部分主要是UG/Motion各項(xiàng)功能的快捷按鈕,運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景導(dǎo)航窗口部分主要是顯示當(dāng)前操作下處于工作狀態(tài)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的信息。運(yùn)動(dòng)仿真工具欄區(qū)又分為四個(gè)模塊：連桿特性和運(yùn)

40、動(dòng)副模塊、載荷模塊、運(yùn)動(dòng)分析模塊以及運(yùn)動(dòng)模型管理模塊,如圖4-4所示。 XY 函數(shù)導(dǎo)航器 運(yùn)動(dòng)分析模塊 圖4-45個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真工具欄區(qū) 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景導(dǎo)航窗口顯示了文件名稱,運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的名稱、類型、狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)的設(shè)置以及運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)的設(shè)置,如圖4-4所示。運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景是UG運(yùn)動(dòng)仿真的框架和入口,它是整個(gè)運(yùn)動(dòng)模型的載體,儲(chǔ)存了運(yùn)動(dòng)模型的所有信息。同一個(gè)三維實(shí)體模型通過(guò)設(shè)置不同的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景可以建立不同的運(yùn)動(dòng)模型,從而實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,得到不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 運(yùn)動(dòng)分析方案的創(chuàng)建是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的關(guān)鍵。運(yùn)動(dòng)分析方案的創(chuàng)建在Motion模塊中進(jìn)行,分三個(gè)步驟進(jìn)行:創(chuàng)建連桿;創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)付;定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。 <1>

41、連桿的創(chuàng)建連桿在機(jī)構(gòu)中代表運(yùn)動(dòng)件,所有運(yùn)動(dòng)的零件必須創(chuàng)建為連桿。每一個(gè)連桿的創(chuàng)建包括定義連桿幾何體、定義質(zhì)量特性、定義材料、定義慣性矩、初始轉(zhuǎn)動(dòng)速度和移動(dòng)速度等。質(zhì)量、材料和慣性矩的值對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的結(jié)果不產(chǎn)生影響。 <2>創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副< Joints>運(yùn)動(dòng)副將機(jī)構(gòu)中的連桿連接在一起,從而使連桿一起運(yùn)動(dòng)。UG運(yùn)動(dòng)分析模塊提供兩大類運(yùn)動(dòng)副,普通類型有旋轉(zhuǎn)副、滑動(dòng)副、萬(wàn)向節(jié)、球面副、柱面副、平面副點(diǎn)在線上副和線在線上副;特殊類型有螺旋副、線纜副、齒輪齒條副及齒輪副,基本涵蓋了常見機(jī)構(gòu)的所有運(yùn)動(dòng)形式。運(yùn)動(dòng)副具有允許所需運(yùn)動(dòng)和限制不要運(yùn)動(dòng)的雙重作用。在運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建前,連桿具有6個(gè)自由度,當(dāng)運(yùn)

42、動(dòng)副創(chuàng)建后,會(huì)約束一個(gè)或幾個(gè)運(yùn)動(dòng)的自由度。一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)是一個(gè)全約束機(jī)構(gòu),即機(jī)構(gòu)的自由度等于0,這也是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析要達(dá)到的目標(biāo)。約束除了運(yùn)動(dòng)副,還和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)有關(guān)。 <3>定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)是賦在運(yùn)動(dòng)副上控制運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副參數(shù),共有5種類型:a.無(wú)驅(qū)動(dòng);b.運(yùn)動(dòng)函數(shù),運(yùn)動(dòng)副按照給定的數(shù)學(xué)函數(shù)運(yùn)動(dòng);c.恒定驅(qū)動(dòng),設(shè)置某一運(yùn)動(dòng)副為等常運(yùn)動(dòng)<旋轉(zhuǎn)或線性位移>;d.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),產(chǎn)生一個(gè)光滑的向前或向后的正弦運(yùn)動(dòng);e.關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),設(shè)置某一運(yùn)動(dòng)副以特定的步長(zhǎng)<旋轉(zhuǎn)或線性位移>和特定的步數(shù)運(yùn)動(dòng)。 計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)提供了良好的基礎(chǔ),計(jì)

43、算機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)的運(yùn)用已成為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的一項(xiàng)十分重要的實(shí)現(xiàn)手段。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的同時(shí),充分利用計(jì)算機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù),對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)/靜力學(xué)分析,能夠極提高對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可能存在問(wèn)題的預(yù)見性,從而使設(shè)計(jì)工作更科學(xué)、合理,更全面、迅速。 4.3 液壓連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析 4.3.1機(jī)構(gòu)模型建立 連桿機(jī)構(gòu)因其具有可以傳遞較遠(yuǎn)距離的動(dòng)作、承受很大載荷、運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)形式多樣性的特點(diǎn),在工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中為四根連桿,以液壓裝置為驅(qū)動(dòng)力的液壓連桿機(jī)構(gòu),如圖4-5所示,在UG的Modeling模塊中分別建立各構(gòu)件的三維模型,在Assemblies模塊中裝配成

44、液壓連桿機(jī)構(gòu)。 圖4-5 液壓連桿機(jī)構(gòu) 4.3.2創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)分析方案 建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方案,此方案創(chuàng)建6個(gè)連桿和8個(gè)運(yùn)動(dòng)副,如圖4-6所示： 液壓桿2 液壓桿1 車架 連桿1 連桿2 連桿3 圖4-6 運(yùn)動(dòng)分析方案圖 分析方案如表1： 名稱 說(shuō)明 名稱 說(shuō)明 連桿L001 相對(duì)于液壓桿1 移動(dòng)副JOO2 連桿L002相對(duì)于連桿L00運(yùn)動(dòng)副 連桿L002 相對(duì)于液壓桿2 旋轉(zhuǎn)副J003 連桿L003相對(duì)于地固定的運(yùn)動(dòng)副 連桿L003 相對(duì)于連桿1 旋轉(zhuǎn)副J004 連桿L003相于連桿L002的運(yùn)動(dòng)副 連桿L00

45、4 相對(duì)于連桿2 旋轉(zhuǎn)副J005 連桿L00相于連桿L00運(yùn)動(dòng)副 連桿L005 相對(duì)于連桿3 旋轉(zhuǎn)副J006 連桿L005相對(duì)于地固定的運(yùn)動(dòng)副 連桿L006 相對(duì)于機(jī)架 旋轉(zhuǎn)副J007 連桿L005相對(duì)于連桿L004的運(yùn)動(dòng)副 旋轉(zhuǎn)副J001 連桿L001相對(duì)于地固定的運(yùn)動(dòng)副 旋轉(zhuǎn)副J008 連桿L006相對(duì)于地固定的運(yùn)動(dòng)副 表1 運(yùn)動(dòng)方案分析 定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),為移動(dòng)副J002選擇恒定驅(qū)動(dòng),并設(shè)定驅(qū)動(dòng)參數(shù),使連桿L002以5mm/s的速度迅速移動(dòng),其余運(yùn)動(dòng)副設(shè)為無(wú)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)楦鶕?jù)設(shè)計(jì)的要求,必須保證整個(gè)模型的尺寸不能超過(guò)100*100*100,而連桿3運(yùn)動(dòng)到與機(jī)

46、架接近垂直的狀態(tài)下,就能保證整個(gè)模型符合設(shè)計(jì)的要求,所以設(shè)時(shí)間t=5s,步數(shù)設(shè)為200步,即液壓桿2在液壓桿1中的移動(dòng)離距為25mm。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,測(cè)量液壓桿2與液壓桿1之間的部距離,跟蹤測(cè)量數(shù)值為25.72mm。如圖4-7所示。 圖4-7 運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫 4.4 行星輪部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真 在UG/Modeling進(jìn)行行星輪各部分零件的三維造型,在UG/Assembly模塊中進(jìn)行各部分零件的組裝,裝配成一個(gè)整體,如圖4-8所示： 1-輪胎,2-輪轂,3-行星架,4-驅(qū)動(dòng)齒輪,5過(guò)渡齒輪,6-中心齒輪, 7-電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸,8-深溝球軸承,9彈性墊圈。

47、圖4-8 首先,進(jìn)入U(xiǎn)G/Motion界面,新建運(yùn)動(dòng)分析方案,將工作層改到新的沒(méi)有用過(guò)的層上。因?yàn)橐粋€(gè)分析方案包含一個(gè)由許多機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)象構(gòu)成的虛擬機(jī)構(gòu),所以最好就是用按層的約定放置這些對(duì)象,定義虛擬機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)對(duì)象應(yīng)該放在各自相應(yīng)的層上,這樣可以獲得有規(guī)律的易管理的模型。 第二步,創(chuàng)建連桿,行星輪分為3個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪部分,3個(gè)過(guò)渡齒輪部分和一個(gè)中心齒輪,把每個(gè)需要一起運(yùn)動(dòng)的零件設(shè)置成一個(gè)連桿,而需要注意的是,已創(chuàng)建的連桿不能被創(chuàng)建第二次,可以發(fā)現(xiàn)在創(chuàng)建其他的連桿時(shí),已創(chuàng)建的連桿是無(wú)法選中的。 第三步,創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副,因?yàn)樾行禽啿渴且札X輪傳遞運(yùn)動(dòng),都是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),所以為每個(gè)連桿創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副即可。設(shè)置運(yùn)動(dòng)

48、方向時(shí),在運(yùn)動(dòng)模塊中有兩種設(shè)置運(yùn)動(dòng)方向的方法：點(diǎn)和矢量,一般使用的是矢量方式。設(shè)置運(yùn)動(dòng)方向的時(shí)候,一般選工作坐標(biāo)系〔WCS〕作為參考,這樣在設(shè)置其他連桿的時(shí)候不容易出錯(cuò),一定要與實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向相同,否則會(huì)使隨后的運(yùn)動(dòng)仿真不能進(jìn)行。 為了讓旋轉(zhuǎn)副之間有運(yùn)動(dòng)關(guān)系,需要?jiǎng)?chuàng)建齒輪副,齒輪副是根據(jù)齒輪傳動(dòng)比關(guān)系傳遞運(yùn)動(dòng),此行星輪機(jī)構(gòu)中需要?jiǎng)?chuàng)建6個(gè)齒輪副,驅(qū)動(dòng)齒輪與過(guò)渡齒輪之間,過(guò)渡齒輪與中心齒輪之間。中心齒輪Z1=40,過(guò)渡齒輪Z2＝20,驅(qū)動(dòng)齒輪Z3＝28, 如果4-9所示 圖4-9 齒輪副創(chuàng)建對(duì)話框 在"比率"中輸入兩個(gè)齒輪的齒數(shù)比,這里比較好的就是不需要設(shè)計(jì)者把齒數(shù)比算出來(lái),再輸入,而是可以

49、直接用算術(shù)表達(dá)式輸入,這樣既避免了錯(cuò)誤,也可以減小誤差,使仿真更加逼真。 第四步,定義驅(qū)動(dòng),在中心齒輪上創(chuàng)建一個(gè)恒定的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),可以設(shè)置位移,速度,加速度。如圖4-10所示 圖4-10 運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置 最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,設(shè)置時(shí)間和步數(shù),如圖4-11所示： 圖4-11 分析選項(xiàng)對(duì)話框 按確定后,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)創(chuàng)建好的運(yùn)動(dòng)分析方案進(jìn)行計(jì)算,如果沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤,就會(huì)出現(xiàn)如圖4-12所示對(duì)話框, 圖4-12 動(dòng)畫對(duì)話框 這樣就能清楚的看到行星輪運(yùn)動(dòng)的狀態(tài),和部齒輪的嚙合的狀態(tài),是否符合實(shí)際情況,如果有錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng),可以進(jìn)入運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器直接對(duì)其進(jìn)行編輯修改。 通過(guò)在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真方面所作的一

50、些工作,體會(huì)到要精確描述現(xiàn)實(shí)空間的運(yùn)動(dòng),必須以三維實(shí)體為基礎(chǔ),以此形成運(yùn)動(dòng)構(gòu)件,合理選取運(yùn)動(dòng)副和運(yùn)動(dòng)條件,實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的正確約束。利用UG/Motion模塊,可以很方便地進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,輕而易舉地解決復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題,獲得精確的仿真結(jié)果。在創(chuàng)建連桿時(shí),賦予連桿確切的質(zhì)量、慣性矩參數(shù)和材料特性,可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和反作用力的靜力學(xué)分析。在進(jìn)行產(chǎn)品或機(jī)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注意綜合應(yīng)用UG各個(gè)模塊的優(yōu)勢(shì),把零件造型、裝配、運(yùn)動(dòng)分析乃至于加工都有機(jī)地結(jié)合起來(lái),發(fā)揮UG軟件的最大功能。 第五章 總結(jié)及展望 5.1 總結(jié)及展望 畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于UG的機(jī)構(gòu)

51、運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與仿真,以上就是在不斷的探索和研究的探險(xiǎn)車。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中,學(xué)習(xí)并運(yùn)用了UG軟件,此軟件易學(xué)難精,功能強(qiáng)大,使我們這些初學(xué)者設(shè)計(jì)起來(lái)難以得心應(yīng)手。 在探險(xiǎn)車的設(shè)計(jì)過(guò)程中,進(jìn)一步鞏固和加深了所學(xué)的理論知識(shí),特別是使結(jié)合《機(jī)械設(shè)計(jì)》的理論和探險(xiǎn)車的實(shí)踐相結(jié)合,一切從實(shí)際出發(fā),從中發(fā)現(xiàn)實(shí)際動(dòng)手能力的欠缺,須待在以后的工作積累來(lái)彌補(bǔ)。 在設(shè)計(jì)的過(guò)程中,遇到很多的困難,但決不氣餒,查閱相關(guān)的書籍和論文,特別是在網(wǎng)絡(luò)上的資料尤其可貴。通過(guò)共同的努力和相互的幫助,最終把的設(shè)計(jì)完成,從中發(fā)現(xiàn)一些有誤的地方就及時(shí)修正,即使得花好幾天,都決不放過(guò)。我想這些經(jīng)歷會(huì)讓我在以后的職業(yè)生涯中會(huì)有很大的幫助

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55、真和分析.工業(yè)大學(xué)浙西分校,2005； 致 在畢業(yè)論文即將完成之際,我想向曾經(jīng)給我?guī)椭椭С值娜藗儽硎局孕牡母小? 首先感的是周建強(qiáng)指導(dǎo)老師,本文是在周老師的指導(dǎo)下完成的,感周老師自始至終給予的極大鼓勵(lì)和教導(dǎo)。能夠耳濡目染老師兢兢業(yè)業(yè)的治學(xué)態(tài)度、敏銳創(chuàng)新的科學(xué)思維和身體力行的工作作風(fēng)是我收獲的最大財(cái)富,并使我在今后的日子里受用無(wú)窮。 由衷地感同組同學(xué)的互助,才能使此次設(shè)計(jì)圓滿的畫上了一個(gè)句號(hào)。 施肖成 20XX6月2日 31 / 31