产品装配与机构仿真

第1章  产品装配与机构仿真简介

产品装配与机构仿真是Pro/ENGINEER的一项重要功能。当设计师进行产品组装与机构仿真时，该项功能能对设计师提供重要帮助。本章从产品组装与机构仿真的一般方法入手，向读者介绍产品装配与机构仿真所涉及的一些基本知识。

第1节  概  述

一、产品组装与机构仿真的一般方法

1．产品组装的两种方法

在Pro/ENGINEER的装配模块中，对产品组装与机构仿真提供了两种不同的装配方法。

（1）约束装配  当进行普通产品装配，不考虑机构运动，或机构中某些元件是固定不动的，那么在装配时可采用约束条件进行装配。

（2）连接装配  当进行机构运动仿真时，其机构组装必须考虑机构中哪些元件是运动的，哪些元件是固定不动的，对于运动的元件要采用连接条件进行装配

2．机构组装与仿真的一般步骤

（1）使用约束条件将固定不动的零件或组件装配进来。

（2）使用连接条件将运动的零件装配进来。

（3）进入机构模块。当以约束和连接条件将元件组装在一起后，即可通过下拉式菜单“应用程序/机构”进入机构设计模块。

（4）手工拖曳元件运动。进入机构模块后，可首先点击工具栏按钮，手工拖曳运动元件，使元件按预定运动方式运动，以测试元件装配是否正确，机构运动方式是否合乎理想。如果元件装配正确，机构运动合乎理想，则进行下一步，否则回到组装环境重新组装。

（5）设置齿轮副、凸轮从动机构。如果机构中含有齿轮副或凸轮从动机构，则在机构组装并测试正确后，即可进行齿轮副或凸轮从动机构的设置，建立机构各元件连接条件之间的关系，以便驱动。

（6）添加伺服电机。当连接设定完成后，即可设置伺服电机，以作为机构的动力来源。

（7）其他设定。如果机构运动复杂，还需要添加其他设置，如弹簧、力、扭矩等。

（8）分析与仿真。当机构设置完成后，可进行各种分析，如位置、运动学、动态等，并可根据分析获得结果报告。

二、产品组装与机构仿真的用户界面

1．产品组装的用户界面

点击下拉式菜单“文件/新建”，在弹出的对话框中选择“组件”，给出组件名称及相关设置，即可进入产品装配模块。

图1-1展示了产品组装时的主窗口，在主窗口的右侧有工具栏，在工具栏中有一按钮，该按钮为将元件添加到组件上的按钮。

图1-1  产品组装主窗口

2．机构模块的用户界面

当产品组装完成后，点击下拉式菜单“应用程序/机构”，即可进入机构仿真模块。图1-2展示了机构模块的窗口。

图1-2  机构模块窗口

（1）模型树  在窗口的左侧是模型树，分上下两层，上层是组件模型树，显示装配模型中的所有零件和组件；下层是机构模型树，显示机构模型中的所有项目。如图1-3所示。

（2）工具栏  在窗口的右侧是工具栏按钮，按钮的意义如图1-4所示。通过这些按钮，即可进行机构仿真设计。

图1-3  机构模块的模型树                           图1-4  机构模块的工具栏

在主窗口上方工具栏中也有三个与机构设计有关的按钮，如图1-5所示。

图1-5  主窗口上方工具栏

第2节  固定元件的组装

在产品或机构组装时，若组成产品或机构的零件或组件是固定不动的，可通过设定元件之间的约束条件进行固定装配，本节将简单介绍约束的种类、设置方法。

一、约束条件的种类

在约束装配中，Pro/ENGINEER提供了11种约束条件，如图1-6所示。这些约束条件的意义如下：

1．自动

此约束条件为默认选项。使用该条件用户只需在现有的装配组件和要进行装配的元件上选取点、线、面等几何图元，系统自动给出约束的类型进行装配。

图1-6  约束的种类                           图1-7  “匹配”约束的三种形式

2．匹配

此约束条件的基本含义是两个平面重合，且两个平面法线方向相反。使用时，其偏移选项可有三种形式，如图1-7所示。

 重合  两个平面面对面且互相重合，这是匹配约束的默认设置。

 偏距  要求两平面面对面安装，且中间有间隔距离。

 定向  两个平面面对面，但不设置平面之间的间隔距离。

图1-8表示了两平面匹配约束的重合与偏移。

图1-8  “匹配”约束的重合与偏移

3．对齐

对齐可以是面对齐、轴线或边对齐、点对齐。当面对齐时，此两个平面同向。对齐约束也可设置间隔距离、定向及重合的三种偏移形式，设置方法与匹配的偏移设置相同，这里不再赘述。

图1-9表示了两平面对齐的三种形式。

4．插入

轴与孔的配合约束，如图1-10所示。

5．坐标系

选取两个配合件的坐标系进行装配，如图1-11所示。

图1-9  平面“对齐”约束的重合、偏移与定向

图1-10  轴孔“插入”约束

图1-11  “坐标系”约束

6．线上点

此约束要求在要装配的零件上选取一个点或顶点，使其落在组件上的一条边、轴或基准曲线上，如图1-12所示。

7．相切

两个曲面或基准平面以相切的方式进行装配，如图1-13所示。

8．曲面上的边

在要装配的零件上选取一个边，在组件上选取一个曲面，使其落在曲面上，如图1-14所示。

图1-12  “线上点”约束          图1-13  “相切”约束       图1-14  “曲面上的边”约束

9．曲面上的点

在要装配的零件上选取一个点或一个顶点，在组件上选取一个曲面，使点落在曲面上，如图1-15所示。

10．固定

直接将元件固定在当前位置上。

11．缺省

将元件以默认的方式进行装配。

二、约束条件设置方法

1．约束条件的自动设置

当进行组件装配时，点击元件添加按钮，系统会弹出工具面板，将约束类型设在“自动”上，此时用户只需在现有的组件上及要装配的元件上，选取点、线、面等几何图元，系统会自动设置约束条件，并且会在工具面板的“放置”对话框中给出该约束的详细内容。

2．用户自行设置约束条件

除系统自动设置约束条件外，在装配时，用户也可根据自己的装配要求，从前述11种约束类型中自行选取所需要的约束类型，然后根据提示给出相应的操作。

3．增加约束条件

当组件的约束状态已达到完全约束时，若用户还需要添加约束，则可以点击工具面板上的“放置”按钮，再在弹出的对话框中选择“新建约束”，并使得“允许假设”处在勾选状态，如图1-16所示。

4．删除约束条件

如果约束条件不符合要求，可直接删除此项约束。步骤如下：

（1）点击工具面板上的“放置”按钮；

（2）在弹出的对话框中将用鼠标移到要删除的约束条件上；

（3）点击右键，在弹出的菜单上选择“删除”，此约束条件即可删除，如图1-17所示。

图1-16  增加约束的操作

图1-17  删除约束的操作

5．修改约束条件

（1）修改方向  此处的修改是指当两配合面采用“匹配”或“对齐”约束时，若方向不对，可通过“反向”，进行修改，当反向后，约束就由“匹配”（或“对齐”）变为“对齐”（或“匹配”）。

（2）修改参照基准  若约束所选参照基准需要修改，则只要在“放置”对话框中选择该约束，然后重新选择参照基准即可。

（3）约束条件与连接条件的互相转换  当组件的装配状态还处在部分约束时，或者组件的装配状态已为完全约束，但“允许假设”没有勾选（表示可允许系统自行设置约束条件），若希望将约束条件与连接条件互相转换，可通过工具面板上的按钮来实现。

第3节  机构组装的连接条件

在机构组装时，为保证机构上的运动零件（或组件）能够运动，对运动元件（零件或组件）要进行连接条件设置，按连接条件装配。本节将简单介绍连接的种类、自由度及以设置方法。

一、连接种类及其自由度

与约束装配相同，在连接装配中，Pro/ENGINEER也提供了11种连接条件，如图1-18所示，它们的意义如下。

1．刚性

此连接条件相当于一个固定约束。当一个元件必须与其他元件固定装配在一起时，可使用此连接条件，装配元件之间没有自由度。

2．销钉

此连接条件提供元件一个旋转功能。设置时需要提供一个旋转的轴和一个元件移动的面，保证元件绕轴在指定的面上旋转，提供元件一个旋转自由度，如图1-19所示。

图1-19  销钉连接的操作过程

3．滑动杆

此连接条件提供元件一个移动功能。设置时需要提供一个移动的边或轴和一个元件转动的面，保证元件在指定的面上沿所选的边或轴平移，提供元件一个平移自由度，如图1-20所示。

图1-20  滑动杆连接的操作过程

4．圆柱

此连接条件提供元件一个平移和一个旋转功能。设置时需要提供一个旋转和平移的轴，保证元件既绕轴旋转又沿轴平移，提供元件一个旋转自由度和一个平移自由度，如图1-21所示。

图1-21  圆柱连接的操作过程

5．平面

此连接条件提供元件沿平面移动及垂直平面旋转的功能。设置时需要提供一个面，保证元件在面上移动并绕垂直于面的轴线旋转，提供元件一个旋转自由度，两个平移自由度，如图1-22所示。

6．球

此连接条件提供元件绕任意轴旋转功能。设置时需要提供两个匹配的点或顶点或曲线端点，以保证元件只有旋转而无移动，提供元件三个旋转自由度，如图1-23所示。

图1-22  平面连接的操作过程

图1-23  球连接的操作过程

7．焊接

此连接条件使装配元件焊接在已有的组件上，无相对运动。设置时需要提供一个匹配的坐标系，将两个元件粘在一起，元件自由度数为0。

8．轴承

此连接条件既提供元件绕任意轴旋转功能，也提供元件沿某一轴移动功能。设置时需要提供元件上的一个点或顶点或端点和组件上的一个轴或反之，保证元件绕点旋转并沿轴移动，提供元件三个旋转自由度和一个平移自由度，如图1-24所示。

图1-24  轴承连接的操作过程

9．常规

此连接条件可使用户在已有的组件和要装配的元件上选取任意图元，提供的运动功能和所选图元有关，元件的自由度数也和所选图元有关。

图1-25  槽连接的操作过程

10．6DOF

此连接条件没有任何运动约束，设置时只需要给出元件和已有组件的坐标系，保证元件在坐标系内可沿X、Y、Z轴移动，也可绕X、Y、Z轴旋转，提供元件6个自由度。

11．槽

此连接条件类似于一个滑槽，提供元件一个沿槽运动的功能。设置时需要提供元件上一个点或基准点或端点，以及已有组件上的一个边或轴或曲线，保证元件沿着所选取的边或轴线或曲线滑动，如图1-25所示。

二、连接条件的设置方法

1．设置连接条件

当进行机构组装时，对于机构中运动元件的组装，需要设置连接条件。点击“将元件添加到组件”按钮，在弹出的工具面板上，拉开“用户定义”列表框，在前述的11种连接条件中选择期望的连接条件，然后按提示选择相应的图元，直到系统提示为“完成连接定义”止。此连接条件的详细信息可在工具面板的“放置”对话框中看到。

2．增加连接条件

当设置完成了一个连接条件后，如果元件装配还需要增加连接条件，则可点击工具面板上的“放置”按钮，选择“新设置”，如图1-26所示；或点击右键，在弹出的菜单中选择添加集，可增加连接条件，如图1-27所示。

3．删除连接条件

当需要删除所设置的连接条件时，则可点击工具面板上的“放置”按钮，选择所设置的连接，再点击右键，在弹出的菜单中选择删除，可删除连接条件，如图1-28所示。

图1-26  “新设置”增加连接条件    图1-27  “添加集”增加连接条件    图1-28  删除连接条件

第4节  设置伺服电动机

在机构运动时，机构的动力源由伺服电动机提供。本节将简单介绍伺服电动机的驱动轴和位置、速度等参数的设置方法。

一、伺服电动机定义概述

当机构组装完成后，通过下拉菜单“应用程序/机构”进入机构模块，在此模块中，点击伺服电动机创建按钮，系统会弹出“伺服电动机定义”对话框，如图1-29所示。该对话框给出了伺服电动机定义的所有内容，包括：

 名称  名称选项给出所定义的电动机的名称，可以是系统默认的名称ServeMotor1、ServeMotor2等，也可由用户自行定义。

 类型  类型选项给出了两种不同的电动机定义方法，一种是确定运动轴的电动机的定义，另一种是通过选择几何图元设置元件之间的相对运动进行电动机的定义。

 轮廓  轮廓选项通过设置电动机的位置、速度、加速度参数形成电动机运动轮廓。

图1- 29  “伺服电动机定义”对话框

二、伺服电动机轴的设置

1．运动轴方式设置

点击伺服电动机定义按钮，在弹出的“伺服电动机定义”对话框中选择“运动轴”，然后在已有的组件上点选连接对的连接轴，使其成为电动机的运动轴，并按连接轴的运动方式运动，即若连接轴是旋转轴，则电动机旋转；若此轴为平移轴，则电动机平移。

需要注意的是能够使用此种方法定义电动机的只有5种连接对。它们分别是“销钉”、“滑动杆”、“圆柱”、“平面”及“轴承”，而其他连接对由于无法确定运动轴，所以不能采用。

2．几何方式设置

此种方式设置电动机时，没有可直接选用的运动轴，需要根据期望的运动形式，在两个元件上分别选取合适的几何图元，先选的图元应是驱动图元，后选的是参照图元，驱动图元所在的元件将相对于参照图元所在的元件运动，其设置方式如下。

（1）点击伺服电动机定义按钮，在弹出的“伺服电动机定义”对话框中选择“从动图元”选框中的“几何”，弹出对话框，如图1-30所示。

（2）在驱动元件上选取点或平面，作为驱动图元。

（3）在另一个元件上选取点或平面，作为参照图元。

（4）在“运动类型”的选框中确定运动类型为平移或旋转。

（5）点击“运动方向”按钮，选择参照图元所在的元件的轴线、边等，设置平移方向或指向。

（6）点击按钮，可改变平移或旋转方向。

三、伺服电动机参数的设置

当设置好伺服电动机的驱动轴后，点击按钮，在弹出的对话框（图1-31）中，进行伺服电动机的参数设置。

图1-30  “几何”方式定义伺服电动机                     图1-31  参数定义对话框

伺服电动机的参数包括位置、速度及加速度，都指定为时间的函数以形成运动轮廓。函数的类型如图1-32所示，函数的定义如下。

1．常数

q=常数，此函数用于定义恒定运动。

2．斜坡

q=A+B*t，（A=常量，B：斜率）此函数用于定义恒定运动获随时间呈线性变化的运动。

图1-32  位置、速度、加速度函数                  图1-33  “用户定义的”函数表示

3．余弦

q=A*cos（360*t/T+B）+C，（A=幅值，B=相位，C=偏移量，T=周期）此函数用于定义振荡往复运动。

4．摆线

q=L*t/T-L*sin（2*pi*t/T）/2*pi，（L=总上升数，T=周期）此函数可用于描述摆线运动。

5．用户定义的

如果机构运动的位置、速度或加速度随时间的变化不能由系统给定的函数描述，那么用户可利用“用户定义的”函数来自行定义满足要求的位置、速度或加速度参数。该函数表示时分为两个部分。其中，“表达式”用于描述位置、速度、加速度随时间变化的情况，“区域”则给出表达式的时间作用域，如图1-33所示。

6．表

机构运动的位置、速度或加速度随时间的变化由表函数描述。该函数表示时分为两个部分。第一部分是时间，第二部分是位置、速度或加速度。此表可在图示环境中建立，也可通过文件输入进来，文件的扩展名是.tab，表中的时间从第一行到最后一行按升序排列，如图1-34所示。

其他函数如抛物线、多项式等，用户可根据机构运动时位置、速度或加速度随时间变化的实际情况进行选择，这里不再赘述。

第5节  凸轮从动机构及齿轮副设置

在机械结构中，凸轮和齿轮是常见的传动机构。本节将简单介绍凸轮从动机构和齿轮副的设置方法。

一、凸轮从动机构设置

当机构组装完成后，通过下拉菜单“应用程序/机构”进入机构模块，在此模块中，点击“定义图轮从动机构连接”按钮，系统会弹出如图1-35所示的“凸轮从动机构连接定义”对话框，用户通过该对话框进行凸轮从动机构的设置，步骤如下。

1．名称设置

系统会自动给出凸轮从动机构的名称，默认的名称为Cam Follower1、Cam Follower2等，用户也可自行定义名称。

2．凸轮设置

在图1-35中，“凸轮1”用于凸轮从动机构中的凸轮接触曲面设置，设置方式有两种：

（1）指定曲面  用户沿凸轮接触表面一一选取，选取完毕后，按鼠标中键。

（2）自动选取  在图1-35所示的对话框中的“曲面/曲线”栏中勾选“自动选取”项，然后在凸轮曲面上挑选一个曲面，系统便会自动将所有相连曲面选为凸轮接触曲面。

3．从动件设置

当“凸轮1”定义完成后，点击“凸轮2”，可指定凸轮从动件的接触曲面，方法与“凸轮1”相同。

4．属性设置

在图1-35所示的对话框中点击“属性”，可弹出图1-36所示对话框，用于“升离”及“摩擦”的定义。所谓“升离”是指两个零件接触后分离的运动情况，改选项中有一个系数e，称为恢复系数，取值范围为0≤e≤1。等于0时，两零件不分离；等于1时，两零件分开，且第一个零件将能量完全传给第二个零件。而“摩擦”包括静摩擦和动摩擦，通过此系数的指定，可模拟凸轮机构的摩擦运动。

关于凸轮从动机构的创建实例请见本书第3章。

图1-35  “凸轮从动机构定义”对话框                   图1-36  “属性”设置对话框

二、齿轮副设置

当机构组装完成后，通过下拉菜单“应用程序/机构”进入机构模块，在此模块中，点击“定义齿轮副连接”按钮，系统会弹出如图1-37所示的“齿轮副定义”对话框，用户通过该对话框进行齿轮副的设置，步骤如下。

1．名称设置

系统会自动给出齿轮副的名称，默认的名称为GearPair1、GearPair12等，用户也可自行定义名称。

2．齿轮类型设置

类型有标准和齿轮齿条两种，标准齿轮副包括各种直齿轮副、锥齿轮副等。

3．“齿轮1”或“小齿轮”设置

如果在齿轮类型中设置为“标准”，则接下来页签显示为“齿轮1”，否则是“小齿轮”。无论是“齿轮1”还是“小齿轮”都必须选择一个具有旋转自由度的连接对的旋转轴作为运动轴，然后输入节圆直径。如图1-37所示。

图1-37  “齿轮副定义”对话框                      图1-38  “属性”设置对话框

4．“齿轮2”或“齿条”设置

如果在齿轮类型中设置为“标准”，则接下来页签显示为“齿轮2”，否则是“齿条”。“齿轮2”的设置如同“齿轮1”，而“齿条”则需要选择一个具有平移自由度的连接对的平移轴作为运动轴。

图1-39  由节圆直径计算转速比                     图1-40  由输入直径计算转速比

5．属性设置

用于指定齿轮副转速比的计算方式，其选项有两个，即“节圆直径”和“使用者定义”，如图1-38所示。如果是“节圆直径”，则系统由前面输入的节圆直径自动给出转速比为节圆直径的反比，如图1-39所示，如果是“使用者定义”，则用户需要输入两个齿轮的直径，如图1-40所示，系统将按用户输入的直径计算齿轮副的转速比，其值为输入直径的反比。

关于齿轮副的创建实例请见本书第4章。