基于Pro/E的機構三維建模與運動仿真實例分析
介紹了機構的Pro/E三維建模方法及運動仿真技術;結合實例完成了幾種機構的三維建模和運動仿真;通過仿真分析可以直觀地了解機構中各零件的運動關系,還可以通過進行各種測量來研究機構的運動特性,以便及時修改和完善設計。
引言
隨著科學技術的飛速發(fā)展,CAD/CAM/CAE技術應用越來越廣泛。在CAD設計軟件中,Pro/E是一款功能強大的并深受廣大技術工作者歡迎的三維軟件,它在機械設計的各個領域應用十分廣泛。本文介紹機構的Pro/E三維建模方法以及運動仿真技術,并結合實例完成機構的三維建模和運動仿真。
1、零件的參數化建模
參數化設計是Pro/E重要的設計理念,所謂參數化設計是將模型中的定量信息變量化,使之成為可以任意調整的參數。對于變量化參數賦予不同的數值,就可以得到不同大小和形狀的零件模型。其中,參數化模型的建立是關鍵。參數化設計可以大大提高模型生成和修改速度,在產品系列設計、相似設計等具有較大的應用價值。比如:Pro/E的二維草繪實質是參數化的,在草繪環(huán)境下,只需要繪制出大致的二維幾何形狀,不必是精確的尺寸值,然后再修改尺寸值,系統會自動以正確的尺寸值來修正幾何形狀。除此之外,Pro/E對二維草圖上的某些幾何圖形會自動假設某些相關性,如:對稱、對齊、相切等限制條件,以減少尺寸標注的困難,并達到全約束的草圖外形。
參數是參數化設計的重要概念,在三維模型中,參數是通過“尺寸”的形式來體現的,變更參數可以很方便地修改設計意圖。在零件模式下,單擊“工具”菜單,打開參數對話框即可對參數進行添加或編輯。其中,關系式是參數化設計的另一個重要概念,它體現了參數之間互相約束的關系。
2、機構的裝配
在對機構進行裝配時,首先分析機構的整體結構和各零件的功能,了解零件對于整個機構而言是活動件還是固定件。若是活動件,多采用連接的方式進行裝配;若是固定件,則定義幾個約束關系完成組合。
圖1 預定義集列表框
2.1、連接的類型
當向一個裝配體中添加元件時,系統會彈出元件放置操控板。如圖1所示,在元件放置操控板的“預定義集”列表框中列出了幾種連接類型:剛性、銷釘、滑動桿、圓柱、平面、球、焊接、常規(guī)等。從“預定義集”列表框中選擇連接類型后,進入“放置”上滑面板,定義相應的約束,將元件“連接”到裝配體中。
這些連接類型中,銷釘連接是最常用的類型,連接元件可以繞著附著元件轉動,不能相對于附著元件移動,銷釘連接提供一個旋轉自由度,沒有平移自由度。圓柱連接與銷釘連接的區(qū)別是連接元件既可以繞著軸線相對于附著元件轉動,也可以沿著軸線相對于附著元件平移,它提供一個旋轉自由度和一個平移自由度;瑒訔U連接中,連接只能沿著軸線相對于附著元件移動,只能提供一個平移自由度,沒有旋轉自由度。平面連接提供兩個平移自由度和一個旋轉自由度,使連接元件既可以在一個平面內相對于附著元件移動,也可以繞著垂直于該平面的軸線相對于附著元件轉動。球連接提供三個旋轉自由度,沒有移動自由度。軸承連接是球連接和滑動桿連接的組合,連接元件既可以在約束點上沿任意方向相對于附著元件旋轉,也可以沿著對齊的軸線移動,提供一個平移自由度和三個旋轉自由度。而剛性連接使連接元件與附著元件之間沒有任何相對運動,它們會共同構成一個主體。
2.2、骨架模型的建立
在大型的裝配設計中,會由于零部件過多造成彼此間的約束條件相沖突,裝配會出現困難。Pro/E中提供了一個骨架模型的功能,使設計者在裝配前先設計好零件在空間的靜態(tài)位置。建立好骨架模型相當于給機構建立了產品裝配的基本框架,可以將相應的元件裝配到骨架模型上,從而構成完整的組件或者機構。骨架模型主要由一些基準點、基準軸、基準坐標系、基準曲線和曲面組成。
在機構的三維建模中,往往不是一個完整的裝配體,骨架模型在其中的作用主要就是確定好元件的空間位置,這樣就不需要設計一些與機構運動關系不大的機座零件。
5、結束語
本文介紹了Pro/E的參數化三維建模和運動仿真技術,并應用這些技術對常用機構進行三維建模和運動仿真分析。通過運動仿真分析一方面可以直觀地了解機構中各零件的運動關系;另一方面還可以通過測量進一步研究機構的運動特性,發(fā)現設計的不足以便及時改進,能減少實際產品生產時出現的問題,大幅度縮短產品開發(fā)周期,減少產品開發(fā)的成本,提高市場競爭力。