沟槽凸轮机构的设计运动仿真毕业论文.doc

沟槽凸轮机构的设计运动仿真毕业论文 摘 要在当今经济全球化市场竞争日趋激烈的时代新产品的开发时间成为企业能否在激烈的市场竞争中取胜的关键因素传统的产品设计过程中重复计算重复建模等工作量很大一直困扰着产品开发人员严重影响了产品的设计质量和效率这种现象在凸轮的设计中尤为突显针对这一问题本课题利用ProE软件中的运动仿真模块对凸轮机构运动进行模拟仿真本论文的主要研究内容有1沟槽凸轮设计2沟槽凸轮机构的零部件的实体建模3沟槽凸轮机构的运动仿真关键词沟槽凸轮 实体建模 运动仿真ABSTRACTIn the competitive era of economic globalization and increasingly markets the development time for new product become a key factor to win in the fierce competition market The traditional product design process of double counting such as repeated heavy workload and modeling have troubled the product development staff a serious impact on product design quality and efficienct This phenomenon is particularly on the design of cam highlights Address with this problem the subject of using the movement simulation module of Pro E software on the cam movement simulationIn this paper the main research contents are as follows1 Designing the groove cam2 Modeling the mechanism parts of groove cam 3 Motion simulating of the groove cam mechanism Key Words Cam groove Modeling Motion Simulation目 录绪 论111 本文研究的背景1111 我国凸轮机构的研究现状1112 我国凸轮机构CADCAM的研究现状1113 国外凸轮机构及其 CADCAM的研究现状2114 我国凸轮CAD系统存在的问题212 本文研究的主要内容213 本文意义314 本章小结32 凸轮机构设计分析421 从动件运动规律的选取4211 从动件常用的基本运动规律4212 从动件运动规律的选取原则422 凸轮机构基本尺寸的设计5221 凸轮机构压力角和基圆半径5222 凸轮机构的偏距6223 凸轮滚子半径623 凸轮轮廓设计724 机构简介825 本章小结93 凸轮机构的实体建模与装配1031 ProE软件简介1032 零部件的实体建模1033 装配原理简介与装配模型的建立12331 ProE仿真装配原理介绍12332 装配模型建立1434 本章小结174 凸轮机构的运动仿真1841 计算机仿真概述18411 计算机仿真的基本概念及特点18412 计算机仿真技术在制造业中的应用1842 ProE运动仿真简介19421 ProE运动仿真的特点19422 ProE运动仿真的基本术语20423 ProE运动仿真的步骤2143 凸轮机构的运动仿真21431 设置机构环境21432 分析2544 本章小结29结 论30致 谢31参考文献32绪 论11 本文研究的背景111 我国凸轮机构的研究现状凸轮机构是典型的常用机构之一凸轮机构是能使从动件按照给定的运动规律运动的高副机构可以实现任意给定的位移速度加速度等运动规律而且与其它机构配合可以实现复杂的运动要求工程中几乎所有简单的复杂的重复性机械动作都可由凸轮机构或者包括凸轮机构的组合机构来实现又由于凸轮机构具有平稳性好重复精度高运动特性良好机构的构件少体积小刚性大周期控制简单可靠性好寿命长等优点因而是现代工业生产设备中不可缺少的机构之一被广泛用于各种自动机中例如自动包装机自动成型机自动装配机自动机床纺织机械农用机械印刷机械加工中心环刀机构高速压力机械等我国以前对凸轮机构深入系统地研究较少仅在内燃机配气凸轮机构有较深入研究1990年以来有关凸轮机构的应用研究取得了一大批成果许多己应用于生产陕西科技大学完成的 高速高精度间歇转位凸轮分度机构CADCAM 1995年获陕西省科技进步二等奖开发的凸轮分度机构传动装置获中国轻工总会优秀新产品一等奖加工弧面凸轮的XK5001双回转坐标数控铣床获实用新型专利天津大学关于分度凸轮机构的研究得到了国家自然科学基金的支持研究开发的两片式平行分度凸轮机构达到了国内领先水平此外上海交通大学大连轻工业学院合肥工业大学和山东大学 山东工业大学 等在理论应用研究方面都取得了很多具有国际或国内先进水平的科研成果尽管我国对凸轮机构的应用和研究也有多年的历史对凸轮机构的设计运动规律轮廓线动力学优化设计等方面的研究都取得了很多科研成果但是与先进国家相比我国对凸轮机构的设计和制造上都还存在较大的差距尤其在制造方面在国外核心技术也只是集中在少数的几家公司和科研机构中而且由于技术保密等因素具有一定参考价值的相关资料很少公开发表这样就在无形中制约着我国凸轮机构设计和制造水平的提高造成高速高精度的凸轮机构必须依赖进口的被动局面112 我国凸轮机构CADCAM的研究现状我国凸轮机构运动学的理论研究己经达到了较高的水平为凸轮机构设计奠定了坚实的理论基础当今凸轮机构设计己广泛采用解析法并借助于计算机来完成数控机床用于凸轮加工也有很长的历史我国发表的凸轮机构CADCAM方面的文献较多但这些凸轮的CADCAM系统核心技术仅被某些企业所有并未在市场上以商品软件的形式出现迄今为止我国凸轮机构CADCAM技术仍未得到有效的推广应用另外由于凸轮专用软件开发更新的速度慢远远跟不上当今计算机软硬件的发展速度使得现有凸轮机构CADCAM软件己大为落后不能完全适应广大设计人员的要求113 国外凸轮机构及其 CADCAM的研究现状自上世纪三十年代以来人们就开始了对凸轮机构的研究并且研究工作随着新技术新方法的产生和应用在不断深化60年代后对凸轮的研究逐步成熟起来出现了较完整的运动规律的设计在梯萨尔的著作中就采用了多项式运动规律对凸轮机构的研究不断向纵深方向发展开始对凸轮进行有限元分析及非线性问题的研究同时欧美各国学者对高速凸轮的研究也有新的突破许多学者发表了关于凸轮机构的优化设计凸轮振动动态响应等方面的论文日木在凸轮机构方面的研究也有巨大贡献在机构设计方面致力于寻求凸轮机构的精确解和使凸轮曲线多样化以适应新的要求并加强了对凸轮机构动力学和振动方面的研究和标准化研究发展成批生产的标准凸轮机构在此基础上进一步拓展凸轮机构CADCAM系统美国日木等国家的一些凸轮制造企业开发了供木企业使用的凸轮CADCAM系统有的还形成了商业化软件如日木SUNCALL公司开发的HYMOCAM系统等114 我国凸轮CAD系统存在的问题通过调研以及查阅大量文献资料我国现有的凸轮CAD系统存在如下问题 1 多数是在AutoCAD基础上进行二次开发而成的不具有三维建模功能 2 没有商品化的凸轮CAD系统出现 3 现有的基于ProENGINEER的凸轮CAD系统中融入先进的数据库管理技术的还没有主要原因是由于ProTOOLKIT开发界面的功能很弱而且根木没有连接数据库的功能 4 由于凸轮专用软件开发更新的速度慢远远跟不上当今计算机硬件的发展速度使得现有的平面凸轮机构CAD应用软件已大为落后不能适应实际生产的需要 5 集成化智能化和网络化很不完善12 本文研究的主要内容本文研究的主要内容是关于沟槽凸轮机构的运动仿真首先介绍了沟槽凸轮的设计然后在ProE软件中实现其实体建模和装配最后才对装配好的沟槽凸轮机构进行运动仿真并对仿真结果进行了分析13 本文意义对凸轮机构进行运动仿真可以根据仿真结果以及碰撞干涉检查对设计的零件进行结构等方面的修改大大简化机构的设计开发过程缩短开发周期减少开发费用同时提高产品质量14 本章小结首先本章对课题的研究背景进行了详细的介绍然后又对本文的研究内容和本文意义进行介绍2 凸轮机构设计分析21 从动件运动规律的选取运动规律设计包括对所设计的凸轮机构输出件的运动提出的所有给定要求例如推程回程运动角远休止角近休止角行程以及推程回程的运动规律曲线形状都属于运动规律设计所谓凸轮曲线并不是凸轮轮廓的形状曲线而是凸轮驱动从动件的运动曲线研究凸轮曲线的目的在于用最短时间最圆滑无振动耗能少的方式来驱动从动件凸轮曲线特性优良与否直接影响凸轮机构的精度效率和寿命从动件的运动情况是由凸轮轮廓曲线的形状决定的一定轮廓曲线形状的凸轮能够使从动件产生一定规律的运动反过来实现从动件不同的运动规律要求凸轮具有不同现状的轮廓曲线即凸轮的轮廓曲线与从动件所实现的运动规律之间存在着确定的依从关系因此凸轮机构设计的关键一步是根据工作要求和使用场合选择或设计从动件的运动规律在设计凸轮机构基木尺寸和凸轮轮廓之前必须根据凸轮机构的工作性能要求选择从动件的运动规律方程式选择不同的从动件运动规律将直接影响凸轮机构的基本尺寸设计轮廓设计及凸轮机构的运动性能等211 从动件常用的基本运动规律几种常见的基木运动规律有三角函数运动规律 简谐运动规律摆线运动规律及双谐运动规律等 简单多项式运动规律等速运动规律 一次项运动规律 等加等减速运动规律 二次项运动规律 等212 从动件运动规律的选取原则从动件运动规律的选择或设计涉及到许多因素除了需要满足机械的具体工作要求外还应使凸轮机构具有良好的动力特性同时又要考虑所设计的凸轮廓线便于加工这些因素又往往是互相制约的因此在选择或设计运动规律时必须根据使用场合工作条件等分清主次综合考虑下面是一些常用运动规律的适用场合 l 等速运动规律在很多情况下能满足凸轮机构推程的工作要求但是在从动件行程的开始和终止位置存在刚性冲击是运动特性最差的曲线所以等速运动规律很少单独使用且不适用于中高速 2 等加速等减速运动规律的速度曲线连续在所有曲线中其最大加速度值为最小但在从动件行程的开始终止和由正加速度变为负加速度的中间位置加速度的有限值突变将导致柔性冲击因而不能在中高速场合使用 3 余弦加速度运动规律消除了行程中间位置的加速度突变且易于计算和加工在中速时也能获得合理的从动件的运动但当这种运动规律用于升停回停运动时在行程的起始和终止位置因加速度突变而仍有柔性冲击当这种规律用于升回升型运动时则加速度曲线连续没有柔性冲击 4 正弦加速度运动规律用于升停回停运动时从动件在行程的起始和终止位置加速度无突变因而无柔性冲击有利于机构运转平稳但它用于升停回停运动时在推程与回程的连接点处跃度从有限的正值变为负值因而加速度曲线不连续这种曲线要求机械加工的准确性高于其他曲线正弦加速度运动规律广泛用于中速凸轮机构但不适于高速场合22 凸轮机构基本尺寸的设计凸轮机构的基本尺寸对凸轮机构的结构传力性能都有重要的影响凸轮机构的基本参数选择的不恰当则可能造成压力角过大或产生运动失真现象凸轮机构的基本尺寸之间互相影响互相制约所以如何合理地设计这些基本尺寸也是凸轮机构设计中要解决的重要问题凸轮机构基本尺寸的设计问题是在给定从动件运动规律和许用压力角的条件下寻求一组适用的尺寸从而使设计的凸轮机构性能佳寿命长沟槽凸轮机构主要设计参数有基圆半径和偏距滚子半径摆杆长度等为提高凸轮机构传力效果希望机构在推程中压力角尽量小一般来讲这些参数的选择除应保证使从动件能够准确地实现预期的运动规律外还应当使机构具有良好的受力状况和紧凑的尺寸221 凸轮机构压力角和基圆半径凸轮压力角是从动件运动 速度 方向与传动轴线方向之间的夹角压力角是衡量凸轮机构传力特性好坏的一个重要参数从减小推力避免自锁使机构具有良好的受力状况来看压力角应越小越好同时设计凸轮机构时除了使机构具有良好的受力状况外还希望机构结构紧凑在实现相同运动规律的情况下基圆半径越大凸轮的尺寸也越大因此要获得轻便紧凑的凸轮机构就应当使基圆半径尽可能地小而基圆半径r及偏距e与凸轮压力角有如下关系tan 21 当凸轮逆时针转动从动件偏于凸轮轴心左侧或当凸轮顺时针转动从动件偏于凸轮轴心右侧时压力角的计算公式tan 22 由计算公式可知压力角和基圆半径两者是互相制约的在一般情况下为了保证设计的凸轮机构既有较好的传力特性又具有较紧凑的尺寸设计时两者应同时考虑为了保证凸轮机构顺利工作规定了压力角的许用值在使的前提下选取尽可能小的基圆半径推荐推程的许用压力角为移动推杆 3038当要求凸轮尺寸尽可能小时可取 45摆动推杆 4045回程时由于推杆通常受力较小而无自锁问题故许用压力角可以取大一点通常取 7080在实际工作中一般都是先根据具体情况预选一个凸轮的基圆半径待凸轮轮廓曲线设计完成后在检查其最大压力角是否满足222 凸轮机构的偏距由式 21 和式 22 可看出凸轮的转动方向和从动件的偏置方向不同增大偏距压力角的变化就不同若推程压力角减小则回程压力角将增大即通过增加偏距来减小推程压力角是以增大回程压力角为代价的在设计凸轮机构时如果压力角超过了许用值而机械的结构空间又不允许增大基圆半径则可通过选取从动件适当的偏置方向来获取较小的推程压力角即在移动滚子从动件盘形凸轮机构的情况下选择从动件偏置的主要目的是为了减小机构推程时的压力角从动件偏置方向选择的原则是若凸轮逆时针回转则应使从动件轴线偏于凸轮轴心右侧若凸轮顺时针回转则应使从动件轴线偏于凸轮轴心左侧223 凸轮滚子半径当凸轮廓线为内凹廓线时实际廓线的曲率半径理论廓线的曲率半径滚子半径r三者之间有如下的关系 r而当凸轮廓线为外凸廓线时实际廓线的曲率半径理论廓线的曲率半径滚子半径r三者之间的关系是 r当 r时则 0即实际廓线将出现尖点由于尖点处极易磨损故不能实用若 r则 0这时实际廓线将出现交叉当进行加工时交点以外的部分将被刀具切去使凸轮廓线产生过度切割致使从动件不能准确地实现预期的运动规律这种现象称为运动失真为了避免凸轮实际廓线产生过度切割有两种途径一是减小滚子半径r二是增大理论轮廓线的最小曲率半径实际凸轮时应保证凸轮实际廓线的最小曲率半径不小于某一许用值 r 23 一般取 35 mm 用解析法设计凸轮机构时通常是先根据机构和强度条件选择滚子半径r然后校核 r若不满足则应增大基圆半径重新设计23 凸轮轮廓设计实现从动件运动规律主要依赖于凸轮轮廓曲线形状因而轮廓曲线设计是凸轮机构设计中的重要环节凸轮机构设计的主要任务便是凸轮轮廓曲线的设计传统的凸轮轮廓设计方法通常采用作图法或解析计算的方法描点作图法虽简便易行但其效率低绘出的凸轮轮廓不够准确所谓用解析法设计轮廓线就是根据人们所要求的从动件的运动规律和已知的机构参数求出凸轮廓线的方程式并精确地计算一出轮廓线上各点的坐标值解析法绘出的凸轮轮廓误差相对较小但计算量大目前精确设计凸轮轮廓的方法有包络法速度瞬心法等距曲面法等等包络法利用凸轮和从动件的几何关系导出接触点的轨迹方程速度瞬心法利用凸轮和从动件瞬时速度中心确定凸轮和从动件在某一瞬时接触点的位置在滚子从动件盘形凸轮机构中凸轮的实际廓线是以理论廓线上各点为圆心作一系列滚子圆然后作该圆族的包络线得到的因此实际廓线与理论廓线在法线方向处处等距该距离均等于滚子半径下面介绍的是滚子摆动从动件凸轮轮廓曲线参数方程的建立图21 摆动滚子从动件盘形凸轮机构图21所示为一摆动滚子从动件盘形凸轮机构已知凸轮机构转动轴心O与摆杆摆动轴心A间的中心距为a摆杆长度为l选取直角坐标系XOY如图21所示当从动件处于起始位置时滚子中心处于B点摆杆与连心线OA之间的夹角为当凸轮转过角后从动件摆过角由反转法原理作图可以看出此时滚子中心将处于B点由图可知B点的坐标xy分别为x asinlsiny acoslcos 24 从动件凸轮机构中凸轮的实际轮廓线是以理论轮廓线上各点为圆心作一系列滚子圆然后作该圆族的包络线得到的因此实际轮廓线与理论轮廓线在法线方向上处处等距该距离均等于滚子半径所以如果已知理论轮廓线上任意一点B的坐标xy时只要沿理论轮廓线在该点的法线方向取距离为r即可得到实际轮廓线上相应点B的坐标值xy理论轮廓线上B点处的法线的斜率为tan 25 实际轮廓线上对应点B的坐标可由下式求出x xrcosy yrsin 26 其中cossin可由公式25求的cos sin 27 将式27代入式26得到x xry yr 28 式28即为凸轮实际轮廓曲线方程式中号用于外包络线-号用于内包络线24 机构简介本文要求机构输出端能实现升停回停的往复运动并要求行程的起始和终止位置加速度无突变加速度曲线连续无柔性冲击运转平稳为了达到这个要求本文采用的方案为凸轮机构根据机构运动的要求和凸轮机构从动件运动规律的选取原则本文选取的凸轮机构从动件的运动规律为正弦加速度规律但正弦加速度运动规律用于升停回停运动时在推程与回程的连接点处跃度从有限的正值变为负值因而加速度曲线不连续为此本为选取的凸轮机构从动件的运动规律为修正正弦加速度规律在设计具体的凸轮机构时本文考虑了两种方案第一种是滑块直接与凸轮连接的空间凸轮机构第二种是凸轮与滑块并排的平面沟槽凸轮机构考虑到安装尺寸和装配要求本文选取第二种方案在第二种方案中滑块和凸轮机构是并排的不易连接因此在两者间加了个连杆具体的原理示意图如图22所示图22 摆动滚子从动件平面槽凸轮连杆组合机构原理示意图这个机构由两部分组成沟槽凸轮和连杆滑块机构其中主动件为由电动机驱动的沟槽凸轮从动件为由沟槽凸轮机构驱动连杆滑块机构中的摆杆运动输出端为滑块其中OB 245mmOD 550mmAB 220mmBC 380mmCD 135mm由原理示意图可作出摆动滚子从动件平面槽凸轮连杆组合机构以后简称为沟槽凸轮机构的机构简图机构简图如图23所示图23 沟槽凸轮机构机构简图25 本章小结 1 分析了从动件基本运动规律和组合运动规律归纳了运动规律选取的原则 2 介绍了常用凸轮机构压力角基圆半径偏距和滚子半径等基本尺寸的设计要求 3 对凸轮轮廓曲线设计进行简单的分析列出了凸轮轮廓曲线方程3 凸轮机构的实体建模与装配31 ProE软件简介ProEProEngineer操作软件是美国参数技术公司Parametric Technology Corporation简称PTC的重要产品在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位并作为当今世界机械CADCAECAM领域的新标准而得到业界的认可和推广是现今最成功的CADCAM软件之一ProE第一个提出了参数化设计的概念并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题另外它采用模块化方式用户可以根据自身的需要进行选择而不必安装所有模块ProE的基于特征方式能够将设计至生产全过程集成到一起实现并行工程设计它不但可以应用于工作站而且也可以应用到单机上ProE采用了模块方式可以分别进行草图绘制零件制作装配设计钣金设计加工处理等保证用户可以按照自己的需要进行选择使用ProEngineer是软件包并非模块它是该系统的基本部分其中功能包括参数化功能定义实体零件及组装造型三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图三维造型还可移动放大或缩小和旋转ProEngineer是一个功能定义系统即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现其中包括筋Ribs槽Slots倒角Chamfers和抽空Shells等采用这种手段来建立形体对于来说是更自然更直观无需采用复杂的几何设计方式单击工具栏中的装配工具在弹出的打开Open对话框中选择结果jijiaprt单击按钮在元件放置Component Placement操控板的对话栏中单击约束Constraint列表在列表中选择缺省Default项单击确认按钮完成主体零件的放置如图36所示图36 主题零件的放置单击工具栏中的装配工具在弹出的打开Open对话框中选择结果camprt单击按钮在元件放置Component Placement操控板的对话栏中单击预定义集Predefine Set 列表在列表中选择销钉Pin选项设置如图37所示的约束图37 销钉约束单击确认按钮完成凸轮的放置如图38所示图38 凸轮的放置单击工具栏中的装配工具在弹出的打开Open对话框中选择结果baiganprt单击按钮在元件放置Component Placement操控板的对话栏中单击预定义集Predefine Set列表在列表中选择销钉Pin选项设置如图39所示的约束图39 销钉约束单击确认按钮完成摆杆的放置如图310所示图310 摆杆的放置单击工具栏中的装配工具在弹出的打开Open对话框中选择结果lianganprt单击按钮在元件放置Component Placement操控板的对话栏中单击预定义集Predefine Set列表在列表中选择销钉Pin选项设置如图311所示的约束单击确认按钮完成连杆的放置如图312所示图311 销钉约束图 312 连杆的放置单击工具栏中的装配工具在弹出的打开Open对话框中选择结果huakuaiprt单击按钮在元件放置Component Placement操控板的对话栏中单击预定义集Predefine Set列表在列表中选择销钉Pin选项设置如图313所示的约束图313 销钉约束在元件放置Component Placement操控板中单击放置Placement上滑面板单击该上滑面板中的新设置New Set然后在对话栏中单击预定义集Predefine Set列表在列表中选择滑动杆Slider选项设置如图314所示的约束单击确认按钮完成滑块的放置如图315所示图314 滑动杆约束图 315 滑块的放置34 本章小结本章首先就ProE软件进行了简单的介绍然后又对沟槽凸轮机构进行了简单的分析最后进行机构部零件的实体建模和装配4 凸轮机构的运动仿真41 计算机仿真概述411 计算机仿真的基本概念及特点计算机仿真 Computer Simulation 是指对于某个待研究的系统模型建立其仿真模型进而在子计算机上对该仿真模型进行模拟实验 仿真实验 研究的过程所以计算机仿真是通过对系统模型的实验去研究一个真实系统从20世纪80年代后期开始计算机仿真在诸多方面都发生了十分重大的转变仿真研究的对象己由对连续系统转向离散事件系统由重视实验转向重视建模与结果分析由强调并重视与人工智能结合转向强调与图形技术和对象技术结合使仿真的交互性大大增强就应用领域方面而言计算机仿真己由航空航天转向制造业并从研究制造对象 产品 的动力学运动学特性及加工装配过程扩大到研究制造系统的设计和运行并进一步扩大到后勤供应库存管理产品开发过程的组织产品测试等涉及到企业制造活动的各个方面现代制造的分布性也使得计算机仿真与网络技术相结合出现了分布式仿真技术计算机仿真技术集成了计算机技术网络技术图形图像技术面向对象技术多媒体软件工程信息处理自动控制等多个高新技术领域的知识计算机仿真技术是以数学理论相似原理信息技术系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础以计算机和各种物理效应设备为工具利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术计算机仿真技术还有以下几个优点1模型参数任意调整模型参数可根据要求通过计算机程序随时进行调整修改或补充使人们能掌握各种可能的仿真结果为进一步完善研究方案提供了极大的方便这使得计算机仿真与通常的实物实验相比具有运行费用低无风险以及方便灵活等优点2系统模型快速求解利用计算机在较短时间内就能知道仿真运算的结果 数据或图像 3运算结果可靠只要系统模型仿真模型和仿真程序是科学合理的那么计算机的运算结果一定是准确无误的正是基于这些优点计算机仿真方法能优化系统设计降低实验成本减少失败风险提高预测能力目前无论在科学研究还是技术开发或工业设计中计算机仿真方法都显示出强大的威力已成为人们研究复杂系统时不可或缺的一种手段412 计算机仿真技术在制造业中的应用计算机仿真技术作为一门新兴的高科技技术在制造业产品设计和制造尤其在航空航天国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中一直是不可缺少的工具它在减少损失节约经费缩短开发周期提高产品质量等方面发挥了巨大的作用在从产品的设计制造至测试维护的整个生命周期中计算机仿真技术贯穿始终1虚拟制造 VM 虚拟制造采用计算机虚拟仿真技术以新产品及其制造系统的全局最优化为目标通过仿真模型在计算机上仿真生产全过程实现产品的工艺规程加工制造装配和调试预估产品的功能性能和加工性等方面可能存在的问题从而更加有效地组织生产增强决策与控制水平缩短产品开发周期提高产品质量目前虚拟制造技术的研究和应用主要侧重于运动仿真加工模拟装配检查性能评测等方面其核心技术包括虚拟现实技术仿真技术建模技术和可制造性评价2虚拟产品开发 VPD 虚拟产品开发是实际产品开发过程在计算机上的本质实现即采用计算机仿真与虚拟现实技术在计算机上群组协同工作实现产品的设计工艺规划加工制造性能分析质量检验等3虚拟样机虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中将分散的零部件设计和分析技术揉合在一起在计算机上建造出产品的整体模型并对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析预测产品的整体性能进而改进产品设计提高产品性能的一种新技术虚拟样机技术采用了计算机仿真与虚拟技术在计算机上通过CADCAMCAE等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中实现产品的仿真分析虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程当中它可以用在概念设计和方案论证中用虚拟样机来代替物理样机验证设计时不但可以提高产品设计质量和效率而且大幅度地缩短产品研制周期和费用42 ProE运动仿真简介421 ProE运动仿真的特点在ProE中我们可以通过对机构添加运动副驱动器使其运动起来以实现机构的运动仿真而机构又是由构件组合而成的其中每个构件都是以一定的方式至少与另一个构件相连接这种连接既使两个构件直接接触又使两个构件产生一定的相对运动创建机构的过程与零件装配的过程极为相似与其他的软件相比较用ProE做运动仿真的主要特点如下1运动输入运动输入 Motion Input 是赋给运动副控制运动的运动副参数当创建或编辑调用一个运动副时就会弹出运动驱动对话框使用者可以根据需要选择无运动驱动运动函数恒定运动简谐运动驱动以及关节运动驱动等5种可能的运动驱动中的一种2关节运动分析当使用者只需要了解某一关节的运动情况时可以选择分析工具条中的关节运动分析图标并输入步长和步数进行分析3静力学分析静力学分析 Static Analysis 将模型移动到平衡位置并输入运动副上的反作用力当选择静力学分析后时间和步数的输入项将不可选4机构运动学机构动力学分析机构运动学机构动力学分析 KinematicDynamci Analysis 按输入的时间和步数进行仿真分析时间值代表运动分析模型所分析的时间段内的时间步数值代表在此时间段内分几个瞬态位置进行分析或显示5设计位置和装配位置模型的装配位置可能不同于模型的设计位置装配位置与设计位置的区别是装配位置是在装配机构时产生的与使用者装配时所选取的配合面有关而设计位置是使用者在运动仿真前人为设置的使用者可以根据需要进行设定或者调节设计位置6多种形式输出ProE运动仿真的结果可以以多种格式进行输出这些形式主要有MPEGAnimated GFI以及VRML等7预测工程和工程判断准则ProE的运动分析模块是用于预测工程的应用软件就是说在许多情况下在机构进行生产前或者说在机构真正生产出来前用该软件预测机构的运动特性即它类似于有限元分析ProE有限元分析模块 和注塑流动分析 ProE塑料零件分析顾问模块 这些预测都是基于非常复杂的数学理论以及公认的物理和工程原理422 ProE运动仿真的基本术语在机构运动仿真过程中经常会用到以下的基本术语1放置约束件中放置元件并限制该元件是否运动的图元2自由度构件所具有的独立运动的数目 或是确定构件位置所需要的独立参变量的数目 称为构件的自由度3主体元件或相对不动的一组元件4连接成为联接它是定义并限制相对运动的构件的关系联接的作用是约束构件之间的相对运动减少机构的总自由度5环连接加到运动环中的最后一个连接6接头连接类型例如销连接滑块杆连接等乃基础即大地或者机架它是一个固定不移动的零件其他构件相对于基础运动在一个运动仿真机构中可以定义多个基础7运动从驱动器的构件运动方式8拖动鼠标点取并在屏幕上移动机构9驱动器义一个构件相对于另一个构件的运动方式可以在接头或几何图元上放置驱动器并指定构件之间的位置速度或加速度运动10回放录并重新演示机构运动423 ProE运动仿真的步骤ProE运动仿真的步骤的流程图43 凸轮机构的运动仿真431 设置机构环境依次单击主菜单中的应用程序Applications机构Mechanism命令进入机构运动仿真环境进行机构环境的设置1定义凸轮机构连接 单击工具栏中的凸轮工具系统弹出凸轮从动机构连接定义Cam-Follower Connection Definition对话框在凸轮1Cam1选项卡中钩选自动选取Auto select复选框如图41所示图41 凸轮从动机构连接定义对话框点选如图42所示的曲面作为凸轮1的曲面然后单击选取Select对话框中的按钮图42 凸轮1曲面在凸轮从动机构连接定义Cam-Follower Connection Definition对话框中点选 凸轮2Cam2选项卡并钩选自动选取Auto select复选框接着点选如图43所示的曲面作为凸轮2的曲面然后单击选取Select对话框中的按钮最后单击凸轮从动机构连接定义Cam-Follower Connection Definition对话框中的按钮完成凸轮从动机构连接的定义如图44所示 图43 凸轮2曲面 图44 凸轮从动机构连接2定义伺服电动机单击工具栏中的伺服电机工具系统弹出伺服电动机定义Servo Motor Definition对话框在类型Type选项卡中选择运动轴Motion Axis如图45所示然后在工作区点选如图44所示的运动轴保证凸轮沿逆时针方向旋转旋转方向可根据右手螺旋定则判断否则需反向图45 伺服电动机定义对话框一接着单击轮廓Profile选项卡在规范Specification栏中选择速度Velocity模的大小A300如图46所示单击按钮完成伺服电动机的定义图46 伺服电动机定义对话框二3定义快照单击工具栏中的 拖动元件工具系统弹出拖动Drag对话框单击对话框中的然后单击对话框中的快照工具拍下快照名称接受默认Snapshot1如图47所示然后单击选取Select对话框中的按钮并单击拖动Drag对话框中的按钮完成快照的定义图47 拖动对话框4定义分析单击工具栏中的分析工具系统弹出分析定义Analysis Definition对话框名称接受默认AnalysisDefinition1在类型Type栏选择运动学Kinematic在图形显示Graphical Display的终止时间End Time处输入2帧频Frame Rate处输入900并在初始位置Initial Configuration栏选择快照Snapshot单选框起用定义的快照Snapshot1并单击对话框中的预览工具预览快照其余接受默认如图48所示单击按钮便可在工作区观看到机构在运动运动仿真结束之后单击按钮完成分析的定义图48 分析定义对话框432 分析1测量定义 单击工具栏中的测量工具统弹出测量结果Measure Results对话框如图49所示在该对话框中单击对话框中的新建工具系统弹出测量定义Measure Definition对话框如图410所示图49 测量结果对话框 图410 测量定义对话框在测量定义Measure Definition对话框中的名称接受默认xf1_位移类型Type栏处选位置Position评估方法Evaluation Method处选择每个时间步长Each Time Step然后在工作区选择如图411所示的运动轴单击对话框中的按钮完成xf1_位移的定义图411 点选运动轴用同样的方法分别继续定义xf2_速度和xf3_加速度与xf1_位移不同的地方是类型Type栏处分别选速度Velocity和加速度Acceleration即xf1_位移xf2_速度和xf3_加速度分别表示凸轮从动件的位移速度和加速度在测量定义Measure Definition对话框中的名称Name输入xf4_行程型Type处选位置Position评估方法Evaluation Method处选择每个时间步长Each Time Step在分量Component栏处选择Y分量Y-component如图412所示然后在工作区选择如图413所示的测量点即滑块一角点单击对话框中的按钮完成执行端xf4_行程的定义图412 测量定义对话框 图413 点选测量点用同样的方法进行该测量点的Y方向速度的定义名称为xf5_速度测量定义Measure Definition对话框如图414所示图414 测量定义对话框 图415 测量结果对话框2测量结果在测量结果Measure Results对话框中的图形类型Graph Type栏中选择测量与时间Measure vs Time在测量Measure栏中按着 键选择xf1_位移xf2_速度和xf3_加速度钩选分别绘制测量图形Graph measures separately项在结果集Result Set栏中选中AnalysisDefinition1如图415所示然后单击该对话框中的图形工具系统弹出图形工具Graph tool窗口如图416所示在该窗口中显示了凸轮机构从动件的位移曲线速度曲线和加速度曲线图416 从动件实际运动规律从图416所示可知凸轮是逆时