Pro/E运动学仿真（精选7篇）
Pro/E运动学仿真 篇1
一、机构运动仿真的相关理论
机构运动仿真分析, 可以实现机械工程中非常复杂机构运动分析。在实际制造前利用零件的三维数字模型进行机构运动仿真已成为现代CAD工程中的一个重要方向及课题。一般来说, 工程师首先将零件的三维模型建好, 其次确定运动零件, 然后确定各运动零件之间的约束关系。最后利用特定分析软件进行机构分析, 如ADAMS.ANSYS等。其中的关键环节为建立零件间约束关系及载荷定义并求解。
机构运动仿真一般可用一些高级语言如VB、VC、OPENGL、AUTOCAD和3DMAX等软件编程实现。所编程序比较复杂, 通用性不强, 而且无法自动生成对运动分析有用的数据。美国PTC公司推出的Pro/Engineer软件不仅CAD功能很强, 而且具有CAM和CAE功能, 其中机构 (Mechanism) 模块可对构建的装配进行仿真, 以观察整个机构的实际运动过程。同时也可以检查构件间是否干涉, 具体干涉的体积。进一步可以确定运动的极限位置, 兴趣点的轨迹和曲线, 以及运动学和动力学参数等。相比编程而言, 只需简单地构建装配实体和定义运动分析, 省去了参数的矢量推导、分析和程序化。为机构的设计分析提供了一种简便的方法。
二、弹簧自动上料机的装配
弹簧自动上料机主要由三部分组成:激振器、送料槽、出料器。图1即为弹簧自动上料机的三维实体图。
三、弹簧自动上料机的运动仿真
(一) 激振器的仿真
激振器的运动是:电动机带动激振器轴运动, 进而使套在激振器轴上的偏心块转动, 偏心块转动时, 时而与平衡体接触, 时而与平衡体脱离, 则平衡体的运动就是一个近似的摇摆运动, 可以近似看作直线运动, 即激振器产生振动的轨迹可以近似看作直线。
由于激振器的总体运动方案是将转动转化为直线运动, 所以, 构成激振器的主要机构就是一个凸轮机构。那么, 对于激振器的仿真就可以简化为对凸轮机构的仿真。图2即为简化的凸轮机构, 主动轮作顺时针转动, 带动从动杆做直线运动。凸轮的主动轮就相当于激振器中的偏心块, 从动轮相当于平衡体, 从动杆相当于激振器的壳体。图2中的 (1) - (2) - (3) - (4) - (1) 即为凸轮的旋转过程。
将凸轮机构装配好, 进入Pro/E的“机构”模块对其进行仿真:
1、设置凸轮从动机构连接。分别点选主动轮和从动轮的外圆弧面。Pro/E系统自动抓取这两个面为贴和面。
2、创建弹簧。在点PNT0-PNT0中创建弹簧, 取弹簧常数k=100, 弹簧原始长度=60mm, 弹簧直径=25mm。
3、创建阻尼器。在点PNT0-PNT0中创建阻尼器, 取阻尼器常数C=100。
4、设置伺服电机。将伺服电机装在凸轮机构的主动轮中心轴上, 电机的转动速度为72deg/sec, 各项参数设置完成以后的凸轮机构如图3所示。
5、选取位于弹簧下端的PNT0点, 即相当于激振器中平衡体上的一点, 对其进行Y方向上的位置、速度、加速度的动态分析, 得出其测量图, 三条曲线位于一个测量界面中, 如图4所示。
图中浅蓝色的曲线代表位置 (follower_position) 曲线;深蓝色的曲线代表速度 (follower_velocity) 曲线;青色的曲线代表加速度 (follower_acceleration) 曲线。横轴表示时间轴, 纵轴表示测量轴。由这个曲线图可知, 凸轮机构在刚开始运动时、以及在运动到第4-5秒的时候, 加速度最大。凸轮机构在刚开始启动时, 运动状态由静止变为运动, 很显然, 要有相当大的加速度才能运动起来, 故在刚开始启动时加速度很大。当凸轮机构运行起来后, 速度逐渐趋于恒定, 加速度减小为0, 当运动到第4-5秒时, 即图2 (3) 所示的位置时, 也就是PNT0点到达最低点时, 因有重力加速度的影响, 加速度达到最大。而后速度又趋于恒定, 如此循环。激振器中平衡体上某一点的位移、速度、加速度曲线也是同样道理。
(二) 弹簧上料机的仿真
由于激振器的运动轨迹是一个近似的摇摆运动, 它将振动传递给送料槽, 那么送料槽的运动轨迹就是一个椭圆。故整个上料机系统就可以简化为一个摇杆机构, 则对弹簧上料机的仿真就可以简化为对摇杆机构的仿真。
图5即为简化的摇杆机构。图中左边的杆, 也就是 (1) 所表示的杆, 是主动件, 相当于激振器。右边的杆, 也就是 (2) 所指的杆是从动杆, 相当于送料槽。
将四杆机构装配好, 进入Pro/E的“机构”模块对其进行静态仿真分析。当施加外力于机构上的某个位置时, 机构在施力处会因为施加的力量而产生加速度, 进而使机构产生运动, 静态分析是让我们能了解到机构由“受力开始”至“达到力平衡”为止的机构运动状况, 以及施力处的加速度曲线。当加速度到达0时, 整个机构便达到平衡的配置, 不再运动。
下面就是对四杆机构进行静态分析的详细过程, 直至得出加速度曲线图:
1、将四根杆件用销钉方式连接。
2、切换Pro/E进入“机构”模块, 用“快照”将四杆机构的目前配置记录下来。
3、在杆1的PNT0所在的轴上创建一个弹簧, 取弹簧的常数k=1200。
4、创建一个作用于机构组件上的力, 使力的作用点落在PNT1上, 作用力的大小取500N。将作用力的方向设为Y方向。
5、运用静态分析工具, 启用重力外部载荷, 进行机构的静态分析, 得出四杆机构的加速度曲线。由于在PNT0点有500N的作用力, 故杆 (1) 会向逆时针方向旋转, 直到达到作用力与反作用力两者平衡才能停止旋转, 但旋转角度不大。由“受力开始”到“到达力平衡”期间, 加速度的变化曲线图如图6所示。
图中横轴表示计算的次数, 纵轴表示加速度。当施加力的初始时刻, 也就是计算次数临界于0时, 组件在施力处产生相当大的加速度。也就是说, 上料机在刚刚启动的时候会产生相当大的加速度。但组件在受力的同时又会产生反作用力, 因此, 在运行过程中, 施力处的加速度会逐渐减小。当反作用力大到等于作用力的时候, 组件即达到平衡的状态。
四、结论
本文运用Pro/E对弹簧上料机进行仿真分析, 从其速度、加速度曲线图上可以比较清楚的反映出弹簧上料机的运动过程, 以便我们对其结构进行完善和修正。
摘要：弹簧自动上料机的设计使原有的数控弹簧高速自动分选机实现了自动上料, 节省了劳动力成本, 提高了生产效率。文章介绍了将弹簧自动上料机的各组成部件设计好后, 对其进行装配, 分别将激振器机构简化为凸轮机构, 将整个上料机构简化为摇杆机构在Pro/E中对其进行运动仿真的方法。
关键词：弹簧自动上料机,Pro/E软件,动态机构设置,运动仿真
参考文献
[1]、林清安.Pro/ENGINEER动态机构设计与仿真[M].电子工业出版社, 2007.
[2]、葛珔浩.Pro/E机构设计与运动仿真实例教程[M].化学工业出版社, 2007.
Pro/E运动学仿真 篇2
关键词：连杆机构,Pro/E,运动学仿真
在机械设计课程中关于平面四杆机构的设计, 一般重点介绍图解法, 图解法直观但精度较差, 而对于给定两连架杆的三组对应转角关系的机构设计问题, 常采用解析法求解, 但计算较为复杂, 而且无法表达其实际的运动。而Pro/E中的运动学分析模块Mechanism可以进行运动学分析和仿真, 这样可以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。本文结合实例在采用Pro/E计算机辅助设计对四杆机构的求解进行了探索, 并画出构件进行装配及仿真设计, 在教学过程中取得了很好的效果。
1 用Pro/E解出机构的尺寸参数
1.1 图解法
曲柄摇杆机构, 已知摇杆的长度C D=2 0 0 m m, 摆角ψ=4 0°, 机架长度AD=160mm, 行程速比系数k=1.4, 求曲柄AB和连杆BC的长度。
首先由给定行程速比系数k按公式θ= (k-1) / (k+1) *180°算出极位夹角θ=30°, 按图解法画出示意图, 先按尺寸绘制AD、C1D、C2D摆角ψ=40°, 再画出直线AB1、B1C1、AB2、B2C2, 根据要求修改尺寸及相应约束, 使C 1 D=C 2 D、A B 1=A B 2、B1C1=B2C2, 且AB1∥B1C1、AB2∥B2C2, 并保证及位夹角为30°, 最后通过尺寸定义即可求得曲柄L 2及连杆L 3的长度, 即AB=52.72, BC=176.47 (如图1) 。
1.2 解析法
已知两连架杆AB和CD的三组对应角关系:φ1=45°ψ1=50°;φ2=90°ψ2=82°;φ3=135°ψ3=112°, 机架长度AD=50mm, 求其余三杆的长度。
根据解析法计算的参数方程:
c o sφ=c/ac o sψ-c/dc o s (ψ-φ) + (a2+c2+d2-b2) /2ad用Pro/E进行辅助设计, 其中a为AB的长度, b为BC的长度, c为CD长度, d为机架AD的长度。
进入Pro/E“草绘”界面, 画出四杆机构示意图, 尺寸随意, 标出各杆长度及两连架杆的位置角, 任选一尺寸为参照尺寸, 选“信息”“切换尺寸”如图2所示, 其中sd8=a, sd9=b, sd7=c, sd6=d, rsd12 REF=φ, sd10=ψ。
根据题意在编辑框中输入如下各参数关系:
再点击“信息”“切换尺寸”, 图中则显示出由参数方程计算出的连架杆及连杆的尺寸, 即AB=7.96, BC=51.65, CD=11.20如图3。可通过改变摇杆角度加以验证, φ1=45°、ψ1=50°。
2 连杆机构PRO/E三维建模与装配
按图1中尺寸绘制曲柄。Pro/E具有参数化设计功能, 所以只需通过改变AB杆的长度尺寸即可完成连杆BC、摇杆CD及机架AD三维实体的创建。
完成各零件建模后, 在组件模式下进行装配。要用Mechanism模块对组件进行运动仿真, 各构件间需相互转动因此选择连接类型中的销钉, 先对齐轴, 再对齐平移面。 (如图4)
3 基于Pro/E的运动仿真
Mechanism模块是Pro/E软件的一个仿真模块, 该模块可实现对机构的定义, 对输入轴添加相应的电机驱动来产生设计要求的运动。
选择“应用程序机构”, 单击“定义伺服电动机”, 在模型中选取曲柄与机架的连接轴, 在轮廓标签卡中设置速度。选择“运行分析”命令, 在对话框中选“新建、创建主体锁定”选择主动件曲柄及机架, 单击“运行”即可看到曲柄摇杆机构运转起来。也可通过回放查看运行结果。
4 结语
应用Pro/E软件进行机械设计, 其理论和方法已日益受到普遍关注。本文介绍了平面连杆机构设计中图解法及解析法的计算机辅助求解, 解决了传统设计过程中的精度及复杂的计算等问题。对于某些基本形状相似的零件如文中的连杆, 只需通过修改参数即可自动生成, 可大大节省设计时间, 提高设计效率。利用计算机模拟系统在真实环境下运动, 以验证设计方案是否合理, 运动是否满足设计要求, 运动构件是否发生干涉等, 可及时发现问题并不断改进和完善设计。
Pro/E运动学仿真 篇3
为铁运公司设计从仓库到车的装卸作业装备,需要用到曲柄滑块机构作为起升机构,传统的机械结构设计只能在图纸上进行静态的修改,数学运算等进行运动学和动力学分析,或者应用物理模型进行仿真。这是一种以静态分析、近似计算、经验设计、人工劳动为特征的设计,需要耗费人力、物力,却又效果不佳的方法[1]。但随着计算机技术的飞速发展,各种各样的三维设计软件出现,可以实现机构或产品的三维建模、运动仿真,并且具有和与其它功能强大的分析软件的交互接口,在分析过程中发现问题只需进行参数修改即可,这样可以替代很多传统设计方法的手段,减少产品和机构的设计周期,提高设计品质。本文通过对装卸装置的起升机构在pro/e软件中进行三维建模、装配和运动仿真[2,3,4,5,6],设计出合理的曲柄滑块机构,应用在装卸装置中,能够满足其使用要求。
1 起升结构与工作原理
装卸装置整体机构大概可以分为三部分:链传动部分、滑轮组部分以及起升与移动部分,结构示意图见图1所示。传动链上的链板放置重物,电动机带动链轮转动,可将重物上下传送;滑轮组部分通过电动机带动,拉紧绳子,改变两支架角度,将框架右端升高到所需的高度;整体机构用四个轮子支撑,后轮上两个支架与后轮连接为铰接,支架1与框架为铰接,支架2与框架之间为滑动连接,两支架间夹角可变化。通过动力牵引该装卸装置的四轮运动即可移动到所需位置。本文重点分析起升机构特点。
1—前轮;2—框架;3—杆1;4—后轮;5—杆2
2 起升机构的运动模型建立
根据起升机构各零件的连接和运动特点,分析其特征组成,建立起升高部分各零件的三维模型,为了方便使用连接仿真时必须用到的基础元件和某些轴线,所以不用其装配时的实际零件三维模型,而是简化其具体结构,建立只是体现各零件之间的连接和运动关系的三维模型,然后进行连接和运动仿真,其机构原理为曲柄滑块机构。
2.1 曲柄滑块机构的装配
首先装配基础元件,因重物装至链板上以后,后轮位置基本不变,故以后轮固定于地面且前轮做滑动运动,所以建立的基础元件模型包括地面、地面上的固定块(后轮)和前轮做滑动运动时的轴线(图2中的杆)如图2所示。进入装配界面,用放置下拉菜单中的坐标系将基础元件固定,基础元件就连接完成。
1—杆;2—地面;3—固地块
其次装配曲柄、摇杆和滑块,如图3所示。因为前轮在地面移动,简化为滑块1;杆1为曲柄,框架为摇杆。用滑动杆(SLIDER)约束将滑块1连接于基础元件中的杆上,用销钉(PIN)约束将杆1与基础元件中的固定块3上的销孔连接,框架与杆1和滑块1的连接都用销钉约束,简单的曲柄滑块机构就可连接完成。
2.2 杆2的装配
机构升高需要通过两杆的之间的夹角变化,所以,需要装入杆2进行运动仿真,杆2装入时一端与基础元件中的固定块和杆1都是销钉连接;另外一端要沿着框架滑动,故设置滑块2与框架之间有相对移动关系。滑块2与杆2是销钉连接,与框架的连接本应是滑动杆连接(SLIDER),但是因为与杆2已经是销钉连接,限制了其沿某个面滑动的自由度,所以,滑块2 与框架的连接应该是圆柱连接(CYLINDER),不能再用滑动杆连接滑块(SLIDER)约束,这样才能正确定义连接,否则自由度过多限制,出现冗余约束,会导致连接失败。在定义连接时,因为框架位置固定,滑块同时连接杆2和框架,所以容易出现连接正确而组件安装失败的提示,那么很可能就是杆2放在不能安装的位置,此时,点击杆2“编辑定义”,在“移动”面板选择“旋转”,拖动杆2会自动旋转到正确的安装位置。连接好的机构如图3所示。
1—基础元件;2—滑块;3—框架;4—杆1;5—杆2;6—滑块2
3 运动仿真
所有连接约束完成后,进入机构模式,检查装配的连接情况,连接成功即可开始进行运动仿真。
3.1 添加伺服电动机
从图1的起升机构结构示意图中可以看出,该机构的动力由电动机提供,通过滑轮组上的绳子拉动杆1和杆2角度变化,将机构一端升高。而在pro/e软件里面是没有绳子这一元件的,所以综合分析机构运动特点,将机构仿真的运动轴设置在杆1与基础元件连接的销钉轴上,即将杆1作为主动件,其它元件为从动件进行仿真。
3.2 运动学仿真及结果分析
在运动学仿真中,可以得到几何图元和连接的位置、速度以及加速度,还可以得到机构运动的轨迹曲线等。
1) 位置分析
通过“分析”下拉列表中的测量,建立从框架顶端到基础平面的距离定义,利用拖动图标拖动杆1旋转,得到距离值为1000mm和3500mm时,杆2和框架的接触点位置,这样就可以确定杆2运动的两个极限位置,设置极限挡块,保证装卸机构可以装卸的高度范围在3.5m左右。
2) 运动学分析
设置运行条件,定义伺服电机severmotor1的驱动速度为1deg/sec,新建一个分析,分析类型为运动学,估计杆1与杆2之间的夹角为100°左右,所以运行时间60s,帧频设为100Hz,开始运行。运行结果为analysis definition,可分析运动时框架顶端的点距离基础元件的位置,速度及加速度,如图4所示。从速度和加速度曲线图可以看出,起升机构的升高基本是匀速运动,不会有大的速度波动,起升机构可以平稳上升。
(b)加速度曲线
3) 静态分析
定义“力/扭矩”作为机构的外部负荷,考虑油桶质量,作用在框架上的作用力大概为7500N,给机构加外负载7500N,定义为点力;另外因滑轮组绕绳子作用在杆1和杆2上,且作用力大小相等,方向相反,故在滑轮位置定义两个“点对点力”,给初始值3500N;伺服电机1仍然用之前运动学分析时定义的,摩擦力和重力忽略不计,点击“运行”,进行静态分析,查看测量结果,运行完成,如果在机构运动范围内达到平衡(加速度为0),则说明作用在滑轮上的力在这个值左右能够满足使用要求,否则,可以重新设置作用在滑轮上的力,直到满足要求。经分析比较,定义作用在滑轮上的力为3500N时迭代次数少,且最大加速度最小。如图5。
4 结论
利用pro/e可以进行机构的运动仿真,可以直观清楚的看到某些复杂机构设计的可行性,而且可以方便的进行参数修改,满足机构各方面的运动和使用要求。本例中通过结构分析和运动仿真,验证了该起升机构的可行性,并估算了作用在滑轮组上的作用力,为机构的强度校核和电动机的选择提供了参考。因上述机构的复杂性,本文基于pro/e的三维建模和运动仿真方法对于各种机械产品机构设计有一定的研究意义。
参考文献
[1]赵松年,等.现代设计方法[M].北京:机械工业出版社,2011.
[2]谭加才,易际明.基于Pro/MECHANICA的机构运动仿真及应用[J].组合机床与自动化加工技术,2004(10):101-102.
[3]佟河亭,等.Pro/ENGINEER Wilkfire4.0机构运动仿真与动力分析[M].北京:人民邮电出版社,2009.
[4]吴志辉,蹇兴东,史庆春.Pro/E在结构分析中的运用[J].组合机床与自动化加工技术,2008(5):75-77.
[5]王凯,曹西京.基于Pro/E的机械产品机构运动的仿真设计[J].轻工机械,2006(3):62-64.
Pro/E运动学仿真 篇4
齿轮机构由于结构紧凑、工作可靠、效率高、寿命长,能保证确定的传动比,并能改变转速和旋转方向,所以是各种机构中应用最为广泛的一种传动机构。齿轮属于常用件,部分参数已经标准化,它轮齿渐开线是比较复杂的,齿轮轮廓尺寸必须满足一定的数学关系,所以采用基础特征和工程特征难于构建。使用Pro/E提供的关系和参数功能可以创建曲线方程,关系与参数的配合使用,并结合曲线方程等命令,完成齿轮的创建,同时对齿轮机构进行仿真创建,使用户能够更直观的了解齿轮的啮合运动过程,对其进行工作性能和结构优化。虚拟装配与运动模拟将从根本上改变传统的产品设计和制造模式,使Pro/E的软件应用推向一个更深入的层次。
1直齿圆柱齿轮参数化的三维建模
2.1 创造齿轮基本圆
选取FRONT基准平面作为草绘平面,RIGHT基准平面作为参考平面,绘制任意尺寸值的基圆、齿根圆、分度圆、齿顶圆。依次添加直齿圆柱的参数,齿轮设计参数为:M (模数)为3、Z(齿数)为40、PRSANGLE(压力角)为20°、HA (齿顶高系数)为1、C (顶隙系数)为0.25、WIDTH(齿宽)为0、D (分度圆)、DB (基圆)、DA (齿顶圆)、DF(齿根圆)。在“关系”对话框中,输入栏输入:
完成关系式的添加,单击菜单栏中的“编辑→再生”命令,基本圆尺寸发生改变,再生成为由尺寸参数关系式确定的值。
2.2 创建齿轮轮廓渐开线
选取系统自定义的坐标系,类型为“柱坐标”在rel.ptd记事本文件,输入渐开线曲线的参数方程为:
完成齿轮一侧渐开线的创建。选择渐开线曲线与齿轮分度圆的交点为基准点PNTO,选取基准平面RIGHT、TOP的交线创建齿轮基准轴A-1,选取基准点PNTO、齿轮基准轴A-1,创建基准平面DTM1。选取齿轮基准轴A-1、基准平面DTM1,创建基准平面DTM2。选取已创建的渐开线曲线,用镜像命令,选取基准平面DTM2作为镜像平面,完成齿槽另一侧的渐开线曲线,创建完整的齿槽轮廓曲线,如图1所示。
2.3 创建齿轮的基本实体
选取基准平面FRONT作为草绘平面,RIGHT基准平面作为参照平面,进行草绘环境,绘制齿轮齿顶圆剖截面,在操控板中输入拉伸深度值50,创建过齿顶圆的圆柱形实体特征。
2.4 创建齿轮的轮齿特征
单击拉仲工具,在操控板中单击“去除材料”按钮,选择拉伸方式为“拉伸至下一曲面”。在草绘对话框中选择含有“齿轮基本圆曲线”的面作为草绘平面,绘制如图1所示的剖截面,该截面曲线与已创建的齿槽轮廓曲线重合,完成第一齿槽特征的创建。单击阵列工具,选取工作区中的旋转角度作为第一方向要阵列的尺寸,在操控板上输入第一方向要阵列的特征数位40,完成所有齿槽特征的创建。
2.5 创建齿轮的其它特征
通过实体造型方法,创建齿轮辐板、辐板的拔模特征、辐板上均匀分布6个孔、创建齿轮轴孔的特征、轴孔倒角特征等其它特征,最后完成直齿圆柱的创建,如图2所示。
2.6 参数化模型
通过Pro/E工具里的参数对话框,修改模数、齿数等参数,即可创建一个齿轮,如将Z (齿数)变为50,WIDTH(齿宽)变为40其它参数不变,生成新齿轮,如图3所示。
3直齿圆柱齿轮机构的运动仿真
运动仿真是机构设计的一个重要内容,通过仿真技术可以实现机构与运动轨迹校核。在Pro/E环境下进行齿轮机构的运动仿真分析,是以齿轮实体模型为基础,用户通过原动件添加伺服电机,并设置时间周期和运动增量,使齿轮机构按照实际的运动要求进行运动仿真。
3.1 创建装配基准轴AA-1、AA-2
选取基准平面ASM-RIGHT、ASM-FRONT两个基准平面,创建基准轴AA-1。选取ASM-RIGHT基准面为偏移的参考面,输入偏移距离为150。创建基准平面ADTM1。选取基准平面ADTM1、ASM-FRONT两个基准平面,创建装配基准轴AA-2。
3.2 创建销钉连接、装配齿轮1、2
选择下拉菜单:插入→元件→装配命令,选择文件名GEAR1.PRT的零件。在“元件放置”操控板中,在约束集列表中选取“销钉”连接,选取元件GEAR1的中心轴线和AA-1基准轴线,创建“轴对齐”约束。选取元件GEAR1的端面和ASM-TOP基准平面。创建“平移”约束。选取元件GEAR1的RIGHT基准面和ASM-RIGHT基准平面,创建“旋转轴”约束。完成齿轮1装配,同理方法创建齿轮2装配。
3.3 运动轴设置
定义运动轴位置,选取齿轮1的基准面RIGHT、装配的基准面ASM-RIGHT,为运动轴的零参照,定义运动轴的当前位置,定义运动轴的范围。
3.4 定义齿轮副
在“齿轮副定义”对话框中,输入齿轮副名称,分别选取齿轮1、齿轮2的旋转连接轴,在文本框中输入齿轮1、齿轮2的节圆直径分别为120、150。
3.5 定义伺服电动机
在“伺服电动机定义”对话框,输入伺服电动机名称、选择运动轴、定义运动函数、选取速度、选取运动函数等,创建伺服电动机。
3.6 运行运动
在“分析定义”对话框,输入分析名称、选择分析类型、调整伺服电动机顺序、定义时间周期和运动增量、输入开始时间、选择测量时间域的方式、输入结束时间、帧频、最小时间间隔等完成运动定义,完成齿轮机构仿真运动,如图4所示。
4 结语
用Pro/E的参数化模块实现齿轮的参数化设计,。通过更改系统里的参数,即可自动生成自已想要的齿轮的三维造型,从而使设计人员减少繁琐复杂的工作。仿真设计又为用户提供了直观的形象,使用户不必面对实物就能很清晰地了解齿轮啮合的运动过程,若发现啮合运动出现问题,可以及时调整。有利于提高直齿圆柱齿轮的设计效率,缩短开发周期,降低设计成本,具有一定的实用价值。
参考文献
[1]谭雪松,张青,钟挺志.Pro/ENGINEER Wildfire中文版高级应用[M].北京:人民邮电出版社,2007,1
[2]葛正浩,杨芙莲.Pro/ENGINEER Wildfire3.0机构运动仿真与动力分析[M].北京:化学工业出版社,2008,1
[3]詹友刚.Pro/ENGINEER Wildfire中文版野火版3.0高级应用教材[M].北京:机械工业出版社,2006,10
[4]葛正浩,胡志刚.Pro/ENGINEER Wildfire3.0典型机械零件设计实训教材[M].北京:化学工业出版社,2008,1
[5]和庆娣.Pro/ENGINEER Wildfire4.0中文版零件设计实例入门与进阶[M].北京:科学出版社,2008,7
[6]胡仁喜,闫彩霞,彭卫平.Pro/ENGINEER Wildfire2.0中文版机械设计高级应用实例[M].北京:机械工业出版社,2005,8
Pro/E运动学仿真 篇5
内齿轮传动机构广泛应用于仪表、机械等领域, 如内平动齿轮减速器、内齿轮绞车、内齿轮油泵等。传统的齿轮设计方法是先计算齿轮的基本参数, 再建立几何模型, 齿轮的基本参数的改变往往导致设计者要重新计算, 重建模型, 效率低下, 容易出现差错。而Pro/E参数化建模能使产品的基本设计参数与产品的尺寸、形状、位置之间以各种关系关联, 由这些关系式驱动尺寸, 使设计者能根据不同的设计需求, 修改设计参数就能快速建模和修改模型, 大大提高了设计效率。产品装配与机构仿真是Pro/E软件中的一项重要功能, 使得原来难以表达和设计的机械运动, 可以在虚拟的工作环境中进行运动模拟和干涉检查, 帮助设计者及时发现问题, 降低设计差错性, 节约设计成本, 缩短产品的开发周期。
本文主要介绍了利用Pro/E软件完成内齿轮传动机构的渐开线直圆柱内齿轮参数化设计的过程以及内齿轮传动机构的运动仿真与分析过程。
1 内齿轮参数化设计
1.1 创建设计参数
在利用Pro/E进行参数化建模时, 首先要设置设计参数。影响渐开线直圆柱内齿轮形状和尺寸的基本参数主要有:模数m、齿数z、压力角alpha、齿顶高ha、齿根高hf、齿宽b等, 为了达到齿轮的各项技术要求, 要让齿轮基本设计参数与齿轮的尺寸、形状、位置之间以各种关系关联, 以达到修改齿轮设计参数来改变齿廓形状的目的。在PRO/E软件零件建模环境下, 选择“工具”|“参数”命令, 打开“参数”对话框, 在该对话框中输入表1中齿轮参数, 添加基本设计参数。
1.2 创建内齿廓渐开线
1) 添加齿轮参照圆关系。利用关系式绘出基圆、齿顶圆、齿根圆、分度圆。单击工具栏“草绘”按钮, 选择FRONT基准平面为草绘平面, 在草绘环境中绘制4个同心圆, 并使这4个圆的尺寸受参数和关系式驱动。选择“工具”|“关系”命令打开“关系”对话框, 添加如表2所示的关系。
2) 创建直圆柱内齿轮齿廓渐开线。单击特征工具栏“插入基准曲线”按钮, 弹出“曲线选项”菜单, 依次选择“从方程”、“笛卡尔”坐标系等, 在弹出的记事本对话框中输入如下渐开线的参数方程:
angl=t*90/*t为变量, 取值范围0-1*/
r=db/2
s= (PI*r*t) /2/*pi (常数) =3.1415926*/
xc=r*cos (angl)
yc=r*sin (angl)
x=xc+ (s*sin (angl) )
y=yc- (s*cos (angl) )
z=0
保存记事本, 通过单击“曲线:从方程”对话框中的“确定”按钮后, 生成的渐开线齿廓曲线如图1所示。
1.3 创建内齿轮牙齿槽特征
1) 创建镜像基准平面特征DTM2和创建镜像渐开线齿廓曲线特征, 如图2所示。
2) 创建第一个内齿轮齿槽。单击工具栏“拉伸”按钮, 选择拉伸方式为“实体”, 选取F R O N T基准平面为草绘平面, 绘制内齿轮毛坯截面草绘, 为拉伸深度值添加关系b, 得到内齿轮圆筒形毛坯特征。单击工具栏“拉伸”按钮, 选择拉伸方式为“实体”、“切除材料”, 选取FRONT基准平面为草绘平面, 绘制如图3所示的齿槽截面, 为齿槽截面的倒圆角尺寸添加关系sd0=0.38*m, 为拉伸深度值添加关系b, 得到第1个齿槽特征如图4所示。
1.4 创建内齿轮模型
1) 创建第二个内齿轮齿槽。选择“编辑”|“特征操作”, 根据系统提示, 移动复制第一个齿槽拉伸特征, 使该特征绕内齿轮中心轴旋转, 并为旋转角度添加关系式z/360。
2) 创建内齿轮阵列特征。选择刚才移动复制第二个齿槽特征, 单击工具栏阵列按钮, 进入阵列操作面板, 选择“尺寸”类型, 为两齿槽间的角度添加关系式z/360, 阵列个数添加关系式z-1, 最终生成的内齿轮实体模型, 如图5所示。
1.5 创建新的内齿轮模型
通过内齿轮的参数化设计, 设计者只要修改内齿轮的基本设计参数, 便可快速得到新的内齿轮模型。如设置m=2.5, z=10, b=10, 选择“工具”|“参数”命令, 打开“参数”对话框, 在该对话框中修改基本设计参数, Pro/E软件通过关系式驱动这些设计参数, 可以快速准确的得到新的内齿轮模型, 如图6所示。
2 创建外齿轮
外齿轮的建模与内齿轮的建模过程类似, 根据如表1和表2所示的参数和表达式, 完成外齿轮的模型的参数设计。
3 运动仿真与分析
一对啮合齿轮的模数m和压力角alpha必须相等。选取如图表1所示参数, 完成内齿轮传动机构的装配和运动仿真。
3.1 虚拟装配
1) 加入装配基准。齿轮啮合的中心距应是两齿轮分度圆半径之差, 但实际装配中中心距应偏大0.05~0.08mm, 保证齿轮侧隙。以齿轮啮合时的中心距建立两条基准中心线A_1和A_2轴线, 保存成jizhun.prt文件, 作为装配基准。进入Pro/E的组件模块装配时, 首先将此文件调入, 基准的装配连接类型采用“缺省”方式。
2) 加入内齿轮。设置内齿轮的装配连接类型采用销钉连接, 按提示选择对应参照完成对齐、平移、旋转轴设置, 并设定初始位置值为0, 启用再生值, 完成内齿轮的装配。
3) 加入外齿轮。外齿轮的装配连接类型采用销钉连接, 根据提示选择相应的参照完成对齐、平移、旋转轴设置, 并设定初始位置值为18, 启用再生值, 完成外齿轮的装配。内齿轮传动机构组装后效果如图7所示。
3.2 运动仿真
选择下拉式菜单“应用程序|机构”, 进入机构仿真窗口。在该模块可以很直观和形象地展示出内齿轮传动机构的运动情况。
1) 齿轮副的设置。设置外齿轮为主动轮, 在机构的窗口选择“定义齿轮副连接”按钮, 在弹出的“齿轮副定义”对话框中, 设置外齿轮的连接轴, 节圆直径为50。设置内齿轮为从动轮, 在机构的窗口选择“定义齿轮副连接”按钮, 在弹出的“齿轮副定义”对话框中, 设置内齿轮的连接轴, 节圆直径为100, 使得内齿轮传动机构以正确的传动比运动。设置外齿轮旋转轴为电机的旋转轴, 并设定电机的旋转速度为20о/s, 如图8所示。
2) 运动分析定义。通过设定开始时间、终止时间、显示帧频等建立运动分析, 以便在图形窗口查看机构的运动状态。在工具栏中选择“分析定义”按钮, 在弹出的对话框中, 设定分析名称, 在类型中选择“运动学”, 在图形显示中设定开始时间为0、终止时间100及显示帧频10, 点击“运行”, 可以在图形窗口看出齿轮副按预定的转速运动情况和内外齿轮齿廓的啮合情况。最后单击“确定”按钮, 保存分析定义的结果。
在工具栏中选择“回放”按钮, 在弹出的“回放”对话框中, 选择“播放当前结果集”按钮, 弹出“动画”对话框, 选择“捕获”按钮, 设置文件类型“MPEG”, 最后单击“确定”按钮, 得到内齿轮传动机构的运动仿真视频, 以便指导设计者进行运动分析和讨论, 也可用于相关课程的辅助教学。
3.3 运动分析
1) 在工具栏中选择“生成分析的测量结果”按钮, 在弹出的对话框中, 新建测量名称measure1和measure2, 测量类型分别选择内齿轮和外齿轮的连接轴, 在测量结果集中显示外齿轮的转速为-20о/s, 内齿轮的转速为-10о/s, 且方向相同, 符合内齿轮传动机构的运动原理。选择测量名称measure1, 点击“图形”按钮, 可以得到内齿轮的转速曲线。2) 干涉主要因素分析。干涉检查可以通过回放检测来查看, 如果干涉区域出现红色, 则存在干涉现象。将设定初始位置值为25, 内外齿轮轮齿在初始位置发生交叠, 在运动仿真中会引起干涉现象;在齿轮副的设置时, 运动方向设置相反或节圆直径设置不合理时, 在运动仿真中都会引起干涉现象。因此, 内外齿轮的运动方向、节圆直径、运动初始位置的不合理等情况会造成内齿轮机构发生干涉。
4 结论
借助Pro/E软件对内齿轮传动机构的内齿轮进行参数化精确建模, 设计者只要按照设计要求输入参数就可得到不同规格的齿轮, 大大提高了设计的灵活性, 缩短产品的开发周期。通过对建立的内齿轮传动机构进行运动仿真检查和分析测量, 可以在虚拟环境下快速地验证齿轮之间是否存在干涉, 是否满足机械传动性能的要求, 能快速得到了数据图像和运动仿真视频, 帮助设计者快速修改模型和进行运动学分析, 提高设计效率, 有很强的实用价值。
摘要：以内齿轮传动设计为例, 介绍了在Pro/E环境下内齿轮的参数化设计及内齿轮传动的运动仿真。采用参数化建模使设计者通过修改齿轮的设计参数便能快速修改齿轮模型, 大大提高了设计效率。通过运动仿真, 可以在虚拟的环境下对内齿轮传动进行运动模拟和干涉检查, 验证了内齿轮设计的准确性, 具有实用价值。
关键词：内齿轮,参数化设计,PRO/E,运动仿真与分析
参考文献
[1]王文刚.基于Pro/E盘形凸轮精确参数化建模及运动仿真[J].机械与电子, 2009, (9) :71-74.
[2]邹贵平.基于Pro/E的渐开线圆柱齿轮三维参数化建模[J].机电工程, 2007, 24 (2) :49-51.
[3]孙传祝, 梁霭明.Pro/ENGINEER野火版4.0基础教程与上机指导[M].清华大学出版社, 2008.
Pro/E运动学仿真 篇6
1 可调机械手机构的提出
可调机械手机构模型的提出有着不同的理论方法,本文采用的是利用螺旋理论来分析新型可调机械手机构。利用运动螺旋与力螺旋的对偶关系,以及运动与约束、运动螺旋与反螺旋的对应关系,建立复杂可调机械手机构类型综合的数学模型。因为机械手机构是由支柱、动平台和静平台组成,其结构的设计关键在于其各连接部分的结构形式,按机构对各分支约束条件的要求,设计出能够符合要求的所有连接部分结构形式,进而在考虑避免奇异位形的基础上将所需的分支与平台联接成为所要求的机械手机构。
在此机械手中,可调机构有着广泛的用途。在很多工业应用中,三个方向的移动就已经满足要求,而使用传统的六自由度机构增加了机构的复杂性和控制的难度,因此直接应用可调机构非常合适。此处利用螺旋理论提出一种可调机构,通过此机构来说明利用Pro/E和ADAMS完成运动仿真的过程[4]。如图1所示,此机械手为可调机构,通过螺旋理论和空间几何分析可得此机构动平台应具有三个自由度[5]。
2 三维建模
在Pro/E[6]中建立此三支链并联机构的三维模型。首先创建不同的零件模型,分别为静平台、动平台以及各个连接部分。此时注意建立的模型的单位设置应该为“MKS”(Meter Kilogram Second),同样在创建装配图时也要注意这个问题,这是因为把实体模型转化到ADAMS软件中时,只能辨认这种单位设置,设置成其他单位时会出错。
分别创建完各个零件后,就需要把各个零件组装成装配图,建立装配图时需考虑到各个构件运动的初始位置,最好是在最开始装配时就设置成构件运动的初始位置,减少以后调整的麻烦。利用Pro/E和ADAMS软件的接口程序Mechanism/Pro来生成ADAMS可以读取的文件,这是这两个软件能无缝连接的关键所在。利用该接口程序可以直接把实体模型存成可以在ADAMS读取的文件格式。
3 运动仿真
接下来就是在ADAMS程序中进行运动仿真。在ADAMS中导入利用Mechanism/Pr o[7]创建的ADAMS文件,其中基本的约束都已经创建完成。在ADAMS中需要进一步完善约束类型,例如在ADAMS中地面也作为一个刚体存在,因此要创建静平台和地面之间的固定连接。设定驱动的类型以及位置,在此机构中,分别在支撑部位和夹持部位平动作为驱动力。至此,就可以利用ADAMS来进行运动的模拟了,通过不断的调整驱动的方向和大小,可以得到理想的运动状态,图3为动平台运动的几个不同位置。
利用ADAMS中的仿真结果后处理,可以创建仿真结果的数据曲线。如图4所示,图中三条曲线分别代表动平台三个方向的移动运动的线速度,可以看出三条曲线都具有很好的二次性,线速度的加速度不是非常稳定,不具有很好的性能。所以通过运动仿真验证了该机械手机构动平台驱动方式还需调整[8]。
4 结语
本文通过实例说明了利用三维建模软件Pro/E以及动力学仿真软件ADAMS的无缝连接,可以对机械手机构进行运动仿真,其结果验证了理论上提出的可调机械手机构新构型的是否可行。这种方法大大提高了仿真的效率,是虚拟样机技术在少自由度并联机构研究中的崭新应用,大大加快了新型机械手机构实际应用的速度,也促进了机械手机构研究理论的飞速发展。
摘要：研究了机械手的运动仿真,介绍了运用三维建模软件Pro/E和仿真软件ADAMS相结合的方法建立少自由度并联机构的运动仿真,利用这种方法成功地对一个可调装夹机械手进行运动仿真的实例。充分显示了2种软件的无缝连接,可提高仿真的效率,加快新型机械手机构实际应用的速度。
关键词：运动仿真,ADAMS,机械手,可调
参考文献
[1]MDI.Basie ADAMS Full Simulation Training Guide[Ml.Meehanieal Dynamies,IneorPorated,2002.
[2]MDI.Basie ADAMS/Solver Training Guide[M].Meehanieal Dynamics,Ineorporated,2002.
[3]MDI.ADAMS/Controls Training[M].Meehanieal Dynamies,Ineorporated,2002.
[4]杨东超,汪劲松,等.ADAMS在拟人机器人研究中的应用[J].机器人技术及应用,2001(4):21-23.
[5]王国强.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,2002.
[6]詹友刚.Pro/ENGINEER中文野火版教程:通用模块[M].北京:清华大学出版社,2003.
[7]高秀华,等.机械三维动态设计仿真技术—Pro/Engineer和Pro/Mechanica应用[M].北京:化学工业出版社,2003.
Pro/E运动学仿真 篇7
在中小型船舶上,由于甲板上场地及空间窄小,艏艉楼、塔柱等固定结构较多,或起吊特殊的物品、爆炸物时以防悬挂的钢丝绳过长而偏摆引起碰撞,或因特殊救助打捞等作业要求,经常需配备具有伸缩和折叠功能的起重机。这种起重机,整体部件较多,运动也比较复杂,尤其是伸缩和两次折叠动作。传统的方法是很难精确确定各构件的外形尺寸及在运动过程中的相对位置,但在运用Pro/E进行产品设计、虚拟装配与机构运动仿真后,可以求解出各构件最佳的空间位置和空间形状,从设计上降低系统的运动干涉。本文以20KN-9M船用伸缩折叠起重机为例,运用Pro/E软件,实现了该起重机整体机构虚拟设计、装配以及运动仿真,对设计中出现的问题做出了改进,缩短了产品开发周期,加快了产品开发速度,同时也使设计人员在设计产品的时候尽量减少失误,实现了设计的最优化。
1 船用伸缩折叠起重机工作原理
船用伸缩折叠起重机展开工作时如图1所示,该起重机利用起升绞车、钢丝绳实现重物和吊具的升降。起升绞车由液压马达驱动,经高强度的行星齿轮减速箱带动卷筒卷绕钢丝绳完成货物的升降。工作中利用变幅液压缸实现吊臂变幅,利用回转马达驱动行星齿轮减速箱,使装在行星齿轮减速箱上的小齿轮与回转支承的内齿圈直接啮合实现整机回转。起重机在作业完成后,利用多级液压缸实现伸缩臂伸缩动作,将两节伸缩臂缩到基本臂内。利用折臂液压缸实现基本臂与调幅臂折叠,调幅臂与回转支座折叠。折叠后起重机如图2所示。两次折叠收到最小的外形尺寸,折叠后的起重机仅占打开工作时起重机空间的1/4,从而减少设备占用空间,降低设备重心,减小船舶在航行时的摇摆幅度。
1—基座; 2—回转支承; 3—回转支座; 4—起升绞车; 5—变幅臂; 6—基本臂; 7—伸缩液压缸; 8、9—伸缩臂; 10—变幅液压缸; 11—折臂液压缸
2 船用伸缩折叠起重机主要结构设计
以下就起重机主要结构以及在起重工作过程中的功能进行分析。
2.1 基座部分
基座设计成圆筒形结构,它主要用来承担起重机的全部正压力和倾覆力矩,上部法兰面用来联接回转支承,下部与船舶甲板底座相联接,上下法兰与圆筒之间有加强筋连接,基座内有支撑,起加强作用,电动机安装在该支撑中间。圆筒上设有一个供安装和维护的人孔。基座结构如图3所示。
2.2 回转支座部分
回转支座设计成四边形柱状结构,下部用高强度螺栓与回转支承连接,内有回转机构,回转支承与回转机构中的小齿轮相啮合,能同时承受轴向力和倾覆力矩等复杂载荷,利用装在内部的回转马达驱动回转支承实现整机和起吊重物一起作顺时针或逆时针两个方向连续旋转。回转支承上部用销钉连接变幅臂,其旁边装有起升绞车。回转支座结构如图4所示。
2.3 变幅臂部分
变幅臂设计成箱型结构,在变幅液压缸作用下,它既能带着基本臂和伸缩臂绕回转支座的销轴向上变幅,也能绕销轴向下回转,与整机折叠。变幅臂结构如图5所示。变幅臂一端端通过销轴与回转支座相连接,一端与基本臂相连接。为了使结构紧凑,合理利用空间,将折臂液压缸设计在变幅臂下方,这样变幅臂的截面便设计成一种开口的门型结构,如图6所示。
2.4 基本臂部分
基本臂设计成箱型结构,其右端开口,作业完成后,两节伸缩臂可以缩进来。基本臂采用了基本臂臂体与变幅臂分开连接,使基本臂与变幅臂运动不在同一条轴线内,(两轴线尺寸为368mm)满足了基本臂与变幅臂折到最小角度的折叠要求。基本臂结构如图7所示。
2.5 伸缩臂部分
两节伸缩臂都是箱型结构,第一节伸缩臂缩进第二节伸缩臂,第二节伸缩臂缩进基本臂内,当它们伸开时,可以使起重机吊臂加长,这样便能增加起重机作业范围。当作业完成后,两节伸缩臂缩进基本臂,可以收到最小的外形尺寸,从而减少设备占用空间。伸缩臂结构如图8所示。
该伸缩折叠起重机还有一些辅助部分如吊钩装置、起升绞车、导绳器等,在此不再做介绍。
3 船用伸缩折叠起重机整机虚拟装配及运动仿真
为完成船用伸缩折叠起重机的运动仿真,需要对起重机整体进行虚拟装配,虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性,真实地模拟产品三维装配过程,并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程,以检验产品的可装配性。在Pro/E提供的自下而上的设计模式中,先在零件模块中构造各个零件的三维模型,然后在装配模块中建立零部件之间的连接关系,它是通过配对条件在零部件之间建立约束关系来确定零部件在产品中的位置。
在装配元件时,若此元件为机构中可移动的元件,则要设置适当的连接条件,使此元件与现有组件上的元件连接在一起。不同的连接条件提供不同自由度及不同的移动功能,以使元件能在机构运动仿真时有正确的运动方式。Pro/E中对动态机构提供了多种连接条件,如刚性,销钉,滑动杆,圆柱等。
本起重机在虚拟装配时,先将各部分进行虚拟装配,再将各部分进行总装。装配过程在此不再赘述。当各部分和总体装配完成后,可在分析选项中选择模型中的全局干涉检测,结果显示各零件设计尺寸及总装不存在干涉。
机构设计是Pro/E Wildfire的一个应用模块,其功能是对组件产品进行机构分析及仿真,这样可以使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,从设计上将系统运动干涉的可能性降到最低。本起重机在虚拟装配完成后,为确认起重机回转、变幅、伸缩、折叠等运动中是否存在干涉,故对整机进行虚拟运动仿真。如图9所示,在回放中,可清楚看到运动过程中各部件运动位置,结果显示各部件按照预先设定的运动路线运动,基本臂与变幅臂、变幅臂与整机基座折叠角度合理,折叠后各构件不发生干涉,为下一步起重机实物装配提供重要的参考角度。
4 结论
通过运用Pro/E,对20KN-9M船用伸缩折叠式起重机结构设计、虚拟装配及机构运动仿真,不但使机构的造型形象化、可视化,而且也使整个仿真过程精确、高效,这是传统的静态的方法实现不了的。虚拟运动仿真结果表明,船用伸缩折叠式起重机整机结构是正确的,缩设计的变幅、回转、伸缩、折叠等动作是可行的。本虚拟设计和运动仿真能精确确定各构件的外形及各构件在运动过程中的相对位置。同时也为起重机液压元件尺寸选择提供较重要的参考数据,大大缩短起重机的设计周期,节约了研制经费。
参考文献
[1]魏俊波,胡国清,杨华.基于Pro/E的自动磁环绕线机虚拟设计与运动仿真[J].机械设计与制造,2011(5):57-59.
[2]葛正浩,杨芙莲.Pro/ENGINEER Wildfire3.0机构运动仿真与动力学分析[M].北京:化学工业出版社,2007.
[3]林清安.Pro/ENGINEER野火3.0中文版动态机构设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.
[4]二代龙震工作室Pro/Mechanism Wildfire3.0/4.0机构/运动分析[M].北京:电子工业出版社,2008.
[5]周尔民,肖乾.Pro/Wildfire实现变速器的虚拟装配和运动仿真[J].煤矿机械,2007,28(2):78-80.