基于UG的機(jī)構(gòu)運(yùn)動創(chuàng)新設(shè)計(jì)和仿真

第一章 緒論1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介虛擬樣機(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)動學(xué),動力學(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、競爭能力和經(jīng)濟(jì)效益。虛擬樣機(jī)技術(shù)是通過一個(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,動態(tài)的仿真過程。應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù),可以產(chǎn)品的使設(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)境中直觀形象地對虛擬的產(chǎn)品原型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測試、制造仿真和使用仿真,這對啟迪設(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)的初級階段概念設(shè)計(jì)階段就可以對產(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,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)動學(xué)和動力學(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)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)動和運(yùn)動特性,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)展起來的一種計(jì)算機(jī)輔助工程<CAE>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,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)勞動中解放出來,為設(shè)計(jì)人員將更多的時(shí)間和精力用于創(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、熱特性和動態(tài)特性,不但進(jìn)一步推動了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題。 日前,國外虛擬樣機(jī)相關(guān)技術(shù)的軟件化過程已經(jīng)完成,較有影響的有美國機(jī)械動力公司的ADAMS,德國航天局的SIMPACK,美國EDS公司的UG、I-Deas等等。美國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)國家,如美國、德國、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)、土程機(jī)械、航空航大業(yè)、造船業(yè)、機(jī)械電子土業(yè)、國防土業(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,主要是對虛擬樣機(jī)概念和結(jié)構(gòu)的研究,對虛擬樣機(jī)要求的相關(guān)技術(shù)如數(shù)據(jù)庫技術(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)動機(jī)、武器裝備、機(jī)械系統(tǒng)等方面的研究。但整體上與國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)動學(xué)或者動力學(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。這個(gè)過程單就運(yùn)動學(xué)或者動力學(xué)特性分析而言,要經(jīng)過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)級的產(chǎn)品優(yōu)化,它基于并行工程<Concurrent Engineering>,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),并通過可視化技術(shù)設(shè)計(jì)一產(chǎn)品、預(yù)測產(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。采用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法有助于擺脫對物理樣機(jī)的依賴。通過計(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)>,可以完成無數(shù)次物理樣機(jī)無法進(jìn)行的虛擬試驗(yàn)<成本和時(shí)間條件不允許>,從而無需制造及試驗(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,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)動可采用各種形式的原動機(jī),不允許使用人力直接驅(qū)動。3.動力設(shè)備采用原動機(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線遙控方式。1.4.2 模擬工作場地及用品規(guī)格本場地采用木工板制作,表面鋪設(shè)噴繪廣告布,場地詳見圖1-1,圖中海底寶藏的九個(gè)圓環(huán)Æ50´Æ46´h30由PVC材料制作。一區(qū)二區(qū)三區(qū)四區(qū)五區(qū)起始位置圖1-1模擬工作場地1.4.3 探險(xiǎn)車包括下列動作：動作1：成功從"一區(qū)"到達(dá)"二區(qū)"。動作2：探險(xiǎn)車在"二區(qū)"通過機(jī)械臂抓取"三區(qū)"的圓環(huán)放到"二區(qū)"。動作3：成功從"二區(qū)"到達(dá)"四區(qū)"。動作4：將圓環(huán)套置到"五區(qū)"的圓柱上。針對于課題的要求,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/Motion模塊做對主要零部件做運(yùn)動仿真分析； 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UGS公司開發(fā)的Unigaphics <UG>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)、土藝制造的無紙化開發(fā),并可與產(chǎn)品設(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<Solid >、曲面建模<Surfaoe>、線框建模<Wireframe>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程中花費(fèi)的精力和時(shí)間會更少。UG三維建模Modeling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,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、方形凸臺、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)定動作順序,綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本知識和相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)知識,對探險(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,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)場的挖掘機(jī),不過比挖掘機(jī)多了一對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、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,也提高了工作效率,減輕了設(shè)計(jì)者的工作量。在整車模型的建模過程中,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參數(shù)必須在它之前就已經(jīng)定義,否則會出現(xiàn)錯誤。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01之間變化等。在對話框中輸入表達(dá)式,如圖2-2所示：圖2-2 表達(dá)式對話框完成后,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,所有的長度,角度等值都以表示式輸入。接著對漸開線進(jìn)行裁減,用裁減曲線命令對漸開線依次選擇基圓和齒頂圓作為修剪邊界,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 圖2-7 箱體部結(jié)構(gòu)對于這種結(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<What-if Alternative Value Engineering>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,能對復(fù)雜產(chǎn)品<如汽車車身>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)對總體設(shè)計(jì)沒有影響,并無權(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)的市場競爭能力。把箱體部的零件的最大外輪廓線抽取出來,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方便。進(jìn)入U(xiǎn)G界面,打開裝配模塊,會出現(xiàn)如下的工具欄如圖2-8所示：圖2-8 裝配工具欄然后點(diǎn)擊WAVE幾何連接器,會出來如圖2-9的對話框：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,如圖2-10所示：圖2-10可以利用抽取出來的曲線進(jìn)行拉伸,旋轉(zhuǎn)等命令的操作,如圖2-11、2-12所示： 圖2-11 拉伸對話框 圖2-12 旋轉(zhuǎn)對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)問題需要注意的就是,使用不同的命令去分割實(shí)體,會有不同的結(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,則會把原本實(shí)體中的參數(shù)去掉,換句話說,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實(shí)體的修改。 應(yīng)用UG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)者帶來設(shè)計(jì)的無限樂趣。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)境下對零部件裝配情況進(jìn)行干涉檢查。虛擬裝配<Virtual Assembly,VA>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,通過分析、檢測產(chǎn)品的數(shù)字化模型,對產(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)過程中,對產(chǎn)品外觀和功能的評估以及裝配協(xié)調(diào)性檢查一般是借助于實(shí)物模型來完成的。這是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過程,因?yàn)閷υO(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、它們在裝配體中的最終位置,而且應(yīng)該能表示裝配誤差、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)品的動態(tài)裝配過程中獲得。在動態(tài)裝配過程中還要對零部件進(jìn)行碰撞檢測,并對發(fā)生碰撞的零部件作出預(yù)警。3.2 UG/Assemblies模塊的簡介本課題中,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,裝配模型會自動地更新.這樣,既節(jié)省了大量的工作,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于各用戶的計(jì)算機(jī)、中心文件服務(wù)器或可通過網(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)行動態(tài)虛擬裝配過程可描述為:設(shè)計(jì)者逐個(gè)調(diào)入零部件,利用動態(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中虛擬裝配過程可以對零部件進(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。 UG的裝配建模過程其實(shí)就是建立組件裝配關(guān)系的過程。可以使用下面的公式說明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)行組件配對設(shè)計(jì),并可對裝配模型進(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中方法來滿足不同的裝配需求。 1自底向上模式Bottom-up對于數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存在的系列產(chǎn)品零件、標(biāo)準(zhǔn)件以及外購件,可以通過自底向上的設(shè)計(jì)方法將它們加入到裝配中。這種設(shè)計(jì)過程由于事先沒有一個(gè)很好的規(guī)劃,沒有一個(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<Top-down>的模式是從整體到局部的設(shè)計(jì)過程,自頂向下"Top-down"的設(shè)計(jì)過程,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)出初步方案及其結(jié)構(gòu)草圖,建立約束驅(qū)動的產(chǎn)品模型;通過設(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),通過幾何約束求解將零件裝配成產(chǎn)品:對設(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)在市場競爭中占據(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使得車身抬起再靠鏈輪的驅(qū)動力使得車子沿著階梯爬行,完成爬坡任務(wù)。如圖31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31 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),是行星輪的動力源,它的作用是增大電機(jī)扭矩,使得傳動更平穩(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)模型更加簡潔。,如圖32所示為齒輪箱結(jié)構(gòu)的各零件圖32 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或者采用零件空間絕對坐標(biāo)的方式進(jìn)行裝配。通過特征配對,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,即使是對某個(gè)零件作了變更或修改,而利用零件的空間絕對坐標(biāo)進(jìn)行的裝配卻不存在這個(gè)問題。裝配模塊還可以對裝配體進(jìn)行簡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33所示為裝配后的模型：圖33 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)生錯誤。 爆炸圖是在裝配環(huán)境下把組成裝配的組件拆分開來,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,就可以通過爆炸圖來表達(dá)裝配組件部各組件之間的相互關(guān)系。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,會跳出創(chuàng)建爆炸視圖對話框如圖3-4所示：圖3-4 創(chuàng)建爆炸視圖按確定以后會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 激活的爆炸視圖對話框然后點(diǎn)編輯爆炸視圖命令,會出現(xiàn)如下圖3-6所示對話框：圖3-6 編輯爆炸視圖對話框可以通過這個(gè)對話框進(jìn)行行星輪中各個(gè)零部件的拖動,可以任意的拖動零部件到任意的位置,也可以把零部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn),調(diào)整零件之間的視角,使得看起來更加的清楚,更能了解零部件之間的關(guān)系。 選中一個(gè)要拖動的對象,即模型中的某個(gè)零件,然后在點(diǎn)選移動對象,在工作界面中就會出現(xiàn)一個(gè)可以拖動的坐標(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,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)的拖動出來,就像實(shí)際工作中對裝配體的拆卸,能真實(shí)的反應(yīng)出裝配的順序,零件之間存在的問題,可以快速的找出問題,并解決問題,避免了等制造出來以后發(fā)現(xiàn)問題,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。通過對整個(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)動態(tài)仿真演示模擬整個(gè)拆卸過程,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、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統(tǒng),利用參數(shù)驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真。利用UG對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動仿真的途徑有兩條:第一,利用UG的機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析模塊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。它能夠提供準(zhǔn)確的運(yùn)動關(guān)系,但不能用于變形體的仿真,往往是通過單步運(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,通過修改裝配<或零件>參數(shù)或重新定位零件進(jìn)行運(yùn)動仿真應(yīng)用UG軟件中的參數(shù)化建模、裝配、零件問表達(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)動仿真。仿真過程中使用高質(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中利用的全部動作,然后手工或通過用戶程序?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,再用動畫工具制出機(jī)構(gòu)運(yùn)動的仿真片段。本章節(jié)中著重介紹的是UG/Motion模塊。4.2 UG/Motion模塊的介紹UG/Motion是UG/CAEComputer Aided Engineering模塊中的主要部分,它能對任何二維或三維機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動學(xué)分析、動力分析和設(shè)計(jì)仿真。通過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)動仿真模型。UG/Motion的功能可以對運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行大量的裝配分析工作、運(yùn)動合理性分析工作,諸如干涉檢查、軌跡包絡(luò)等,得到大量運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動參數(shù)。通過對這個(gè)運(yùn)動仿真模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)或動力學(xué)運(yùn)動分析就可以驗(yàn)證該運(yùn)動機(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,對運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在進(jìn)行運(yùn)動仿真之前,先要打開UG/Motion運(yùn)動仿真的主界面。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)將會自動打開UG/Motion的主界面,同時(shí)彈出運(yùn)動仿真的工具欄。運(yùn)動場景導(dǎo)航窗口顯示了文件名稱,運(yùn)動場景的名稱、類型、狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)的設(shè)置以及運(yùn)動模型參數(shù)的設(shè)置,如圖4-2所示。運(yùn)動場景是UG運(yùn)動仿真的框架和入口,它是整個(gè)運(yùn)動模型的載體,儲存了運(yùn)動模型的所有信息。同一個(gè)三維實(shí)體模型通過設(shè)置不同的運(yùn)動場景可以建立不同的運(yùn)動模型,從而實(shí)現(xiàn)不同的圖4-2 運(yùn)動導(dǎo)航器運(yùn)動過程,得到不同的運(yùn)動參數(shù)。點(diǎn)擊應(yīng)用/運(yùn)動仿真后UG界面將作一定的變化,系統(tǒng)將會自動的打開UG/Motion的主界面。該界面分為三個(gè)部分：運(yùn)動仿真工具欄部分、運(yùn)動場景導(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)動副模塊運(yùn)動模型管理模塊運(yùn)動仿真工具欄部分主要是UG/Motion各項(xiàng)功能的快捷按鈕,運(yùn)動場景導(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)動場景的信息。運(yùn)動仿真工具欄區(qū)又分為四個(gè)模塊：連桿特性和運(yùn)動副模塊、載荷模塊、運(yùn)動分析模塊以及運(yùn)動模型管理模塊,如圖4-4所示。XY 函數(shù)導(dǎo)航器運(yùn)動分析模塊圖4-45個(gè)運(yùn)動仿真工具欄區(qū)運(yùn)動場景導(dǎo)航窗口顯示了文件名稱,運(yùn)動場景的名稱、類型、狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)的設(shè)置以及運(yùn)動模型參數(shù)的設(shè)置,如圖4-4所示。運(yùn)動場景是UG運(yùn)動仿真的框架和入口,它是整個(gè)運(yùn)動模型的載體,儲存了運(yùn)動模型的所有信息。同一個(gè)三維實(shí)體模型通過設(shè)置不同的運(yùn)動場景可以建立不同的運(yùn)動模型,從而實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動過程,得到不同的運(yùn)動參數(shù)。運(yùn)動分析方案的創(chuàng)建是進(jìn)行運(yùn)動仿真的關(guān)鍵。運(yùn)動分析方案的創(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)動付;定義運(yùn)動驅(qū)動。<1>連桿<Links>的創(chuàng)建連桿在機(jī)構(gòu)中代表運(yùn)動件,所有運(yùn)動的零件必須創(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)動速度和移動速度等。質(zhì)量、材料和慣性矩的值對運(yùn)動學(xué)分析的結(jié)果不產(chǎn)生影響。<2>創(chuàng)建運(yùn)動副< Joints>運(yùn)動副將機(jī)構(gòu)中的連桿連接在一起,從而使連桿一起運(yùn)動。UG運(yùn)動分析模塊提供兩大類運(yùn)動副,普通類型有旋轉(zhuǎn)副、滑動副、萬向節(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)動形式。運(yùn)動副具有允許所需運(yùn)動和限制不要運(yùn)動的雙重作用。在運(yùn)動副創(chuàng)建前,連桿具有6個(gè)自由度,當(dāng)運(yùn)動副創(chuàng)建后,會約束一個(gè)或幾個(gè)運(yùn)動的自由度。一個(gè)運(yùn)動機(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)動學(xué)分析要達(dá)到的目標(biāo)。約束除了運(yùn)動副,還和運(yùn)動驅(qū)動有關(guān)。<3>定義運(yùn)動驅(qū)動<Motion Driver >運(yùn)動驅(qū)動是賦在運(yùn)動副上控制運(yùn)動的運(yùn)動副參數(shù),共有5種類型:a.無驅(qū)動;b.運(yùn)動函數(shù),運(yùn)動副按照給定的數(shù)學(xué)函數(shù)運(yùn)動;c.恒定驅(qū)動,設(shè)置某一運(yùn)動副為等常運(yùn)動<旋轉(zhuǎn)或線性位移>d.簡諧運(yùn)動驅(qū)動,產(chǎn)生一個(gè)光滑的向前或向后的正弦運(yùn)動;e.關(guān)節(jié)運(yùn)動驅(qū)動,設(shè)置某一運(yùn)動副以特定的步長<旋轉(zhuǎn)或線性位移>和特定的步數(shù)運(yùn)動。計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展為機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)提供了良好的基礎(chǔ),計(jì)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),對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)/靜力學(xué)分析,能夠極提高對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可能存在問題的預(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)距離的動作、承受很大載荷、運(yùn)動軌跡和運(yùn)動形式多樣性的特點(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)動分析方案建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析方案,此方案創(chuàng)建6個(gè)連桿和8個(gè)運(yùn)動副,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)動分析方案圖分析方案如表1：名稱說明名稱說明連桿L001相對于液壓桿1移動副JOO2連桿L002相對于連桿L00運(yùn)動副連桿L002相對于液壓桿2旋轉(zhuǎn)副J003連桿L003相對于地固定的運(yùn)動副連桿L003相對于連桿1旋轉(zhuǎn)副J004連桿L003相于連桿L002的運(yùn)動副連桿L004相對于連桿2旋轉(zhuǎn)副J005連桿L00相于連桿L00運(yùn)動副連桿L005相對于連桿3旋轉(zhuǎn)副J006連桿L005相對于地固定的運(yùn)動副連桿L006相對于機(jī)架旋轉(zhuǎn)副J007連桿L005相對于連桿L004的運(yùn)動副旋轉(zhuǎn)副J001連桿L001相對于地固定的運(yùn)動副旋轉(zhuǎn)副J008連桿L006相對于地固定的運(yùn)動副表1 運(yùn)動方案分析定義運(yùn)動驅(qū)動,為移動副J002選擇恒定驅(qū)動,并設(shè)定驅(qū)動參數(shù),使連桿L002以5mm/s的速度迅速移動,其余運(yùn)動副設(shè)為無驅(qū)動運(yùn)動。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100*100*100,而連桿3運(yùn)動到與機(jī)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中的移動離距為25mm。進(jìn)行運(yùn)動仿真分析,測量液壓桿2與液壓桿1之間的部距離,跟蹤測量數(shù)值為25.72mm。如圖4-7所示。 圖4-7 運(yùn)動仿真動畫4.4 行星輪部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動仿真在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)動齒輪,5過渡齒輪,6-中心齒輪,7-電機(jī)驅(qū)動軸,8-深溝球軸承,9彈性墊圈。圖4-8首先,進(jìn)入U(xiǎn)G/Motion界面,新建運(yùn)動分析方案,將工作層改到新的沒有用過的層上。因?yàn)橐粋€(gè)分析方案包含一個(gè)由許多機(jī)構(gòu)運(yùn)動對象構(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象,定義虛擬機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)對象應(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)動齒輪部分,3個(gè)過渡齒輪部分和一個(gè)中心齒輪,把每個(gè)需要一起運(yùn)動的零件設(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)建的連桿是無法選中的。第三步,創(chuàng)建運(yùn)動副,因?yàn)樾行禽啿渴且札X輪傳遞運(yùn)動,都是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,所以為每個(gè)連桿創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副即可。設(shè)置運(yùn)動方向時(shí),在運(yùn)動模塊中有兩種設(shè)置運(yùn)動方向的方法：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,一定要與實(shí)際運(yùn)動方向相同,否則會使隨后的運(yùn)動仿真不能進(jìn)行。為了讓旋轉(zhuǎn)副之間有運(yùn)動關(guān)系,需要創(chuàng)建齒輪副,齒輪副是根據(jù)齒輪傳動比關(guān)系傳遞運(yùn)動,此行星輪機(jī)構(gòu)中需要創(chuàng)建6個(gè)齒輪副,驅(qū)動齒輪與過渡齒輪之間,過渡齒輪與中心齒輪之間。中心齒輪Z1=40,過渡齒輪Z220,驅(qū)動齒輪Z328,如果4-9所示圖4-9 齒輪副創(chuàng)建對話框在"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,再輸入,而是可以直接用算術(shù)表達(dá)式輸入,這樣既避免了錯誤,也可以減小誤差,使仿真更加逼真。第四步,定義驅(qū)動,在中心齒輪上創(chuàng)建一個(gè)恒定的運(yùn)動驅(qū)動,可以設(shè)置位移,速度,加速度。如圖4-10所示圖4-10 運(yùn)動仿真設(shè)置最后進(jìn)行運(yùn)動分析,設(shè)置時(shí)間和步數(shù),如圖4-11所示：圖4-11 分析選項(xiàng)對話框按確定后,系統(tǒng)會根據(jù)創(chuàng)建好的運(yùn)動分析方案進(jìn)行計(jì)算,如果沒有出現(xiàn)錯誤,就會出現(xiàn)如圖4-12所示對話框,圖4-12 動畫對話框這樣就能清楚的看到行星輪運(yùn)動的狀態(tài),和部齒輪的嚙合的狀態(tài),是否符合實(shí)際情況,如果有錯誤的運(yùn)動,可以進(jìn)入運(yùn)動導(dǎo)航器直接對其進(jìn)行編輯修改。通過在機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真方面所作的一些工作,體會到要精確描述現(xiàn)實(shí)空間的運(yùn)動,必須以三維實(shí)體為基礎(chǔ),以此形成運(yùn)動構(gòu)件,合理選取運(yùn)動副和運(yùn)動條件,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)動學(xué)仿真,輕而易舉地解決復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)問題,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,可以對機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(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,把零件造型、裝配、運(yùn)動分析乃至于加工都有機(jī)地結(jié)合起來,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)運(yùn)動創(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)起來難以得心應(yīng)手。在探險(xiǎn)車的設(shè)計(jì)過程中,進(jìn)一步鞏固和加深了所學(xué)的理論知識,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)際動手能力的欠缺,須待在以后的工作積累來彌補(bǔ)。在設(shè)計(jì)的過程中,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。我想這些經(jīng)歷會讓我在以后的職業(yè)生涯中會有很大的幫助的。參考文獻(xiàn)1鞏云鵬,田萬祿,祖立,黃秋波主編.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)第1版.東北大學(xué),20002志禮,冷興聚,延剛,曾海泉主編.機(jī)械設(shè)計(jì)第1版.東北大學(xué),20003鄧文英主編.金屬工藝學(xué)第4版.高等教育,20014許錫祺主編.畫法幾何及機(jī)械制圖上、下冊.中央廣播電視大學(xué),19965屯國,主編.UG渲染與后期處理實(shí)例與技巧國防工業(yè),20056俊杰,智勇撰寫.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)圖形仿真系統(tǒng).機(jī)械與電子,20057譚冠政,徐雄,肖宏峰撰寫.工業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)高精度路徑跟蹤與軌跡規(guī)劃.中南大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,20058王金友撰寫.中國工業(yè)機(jī)器人還有機(jī)會嗎？.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,20059王永林撰寫.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)概述與前瞻.兵工自動化,200410廣鵬,方英武,田忠強(qiáng),衛(wèi)軍朝,黃玉美撰寫.工業(yè)機(jī)器人整機(jī)機(jī)構(gòu)方案的動態(tài)性能評價(jià).理工大學(xué)學(xué)報(bào),200411許傳俊,田新誠,華撰寫.工業(yè)機(jī)器人三維仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,200212譚冠政,王越超撰寫. 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