基于ug的机构运动创新设计与仿真 31页

机电控制工程系毕业设计（论文）第一章绪论1.1虚拟样机技术简介虚拟样机技术（VirtualPrototyping,VP）是一门综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学，动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，以及广泛应用网络技术、计算机技术、信息技术、集成技术等，将产品的设计开发和分析过程集成在一起，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法，可以显著的提高设计质量、降低开发成本，极大地提高企业地创新能力、竞争能力和经济效益。虚拟样机技术是通过一个统一的实体数字化模型并与产品开发技术集成为三维的，动态的仿真过程。应用虚拟样机技术，可以产品的使设计者、使用者和制造者在整个系统研制的早期，在虚拟环境中直观形象地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，这对启迪设计创新、提高设计质量、减少设计错误、加快产品开发周期有重要意义。虚拟样机技术在设计的初级阶段―――概念设计阶段就可以对产品进行完整的分析，可以观察并试验各组成部件的相互运动情况。使用仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，它可以在计算机上方便的修改设计缺陷，仿真实验不同的设计方案，对整个系统不断改进，直至获得最优设计方案。由于虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际系统的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性，借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立产品的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和运动特性，并根据仿真结果精化和优化系统。1.2虚拟样机技术国内外的现状综述虚拟样机技术31\n机电控制工程系毕业设计（论文）是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一种计算机辅助工程(CAE)技术。其研究和应用迅速得到许多研究机构及软件供应商的重视。随着近代科学技术的发展，工程设计的理论、方法和手段都发生了巨大变化。特别是近30年来，工程设计手段的先进与否、数字化程度的高低，在很大程度上决定了产品设计开发的周期、质量和成本。CAD技术是计算机应用于工程设计中最早和最成功的典范，它将设计人员从枯燥的重复劳动中解放出来，为设计人员将更多的时间和精力用于创造性的工作提供了条件。虚拟设计技术在工程设计过程中的应用，再次极大地改进了产品的设计手段，它可以帮助设计人员分析机械系统零部件的结构强度、刚度、热特性和动态特性，不但进一步推动了CAD技术在各行业的应用，而且解决了许多以前难以处理的工程问题。日前，国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较有影响的有美国机械动力公司的ADAMS，德国航天局的SIMPACK,美国EDS公司的UG、I-Deas等等。美国VPI公司目前已经开发出了商业性的虚拟样机系统，在国防、航空、航大等领域得到广泛的应用。虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等己得到一泛的应用，应用领域从汽车制造业、土程机械、航空航大业、造船业、机械电子土业、国防土业、通用机械到人机土程学、生物力学、医学以及土程齐询等很多方面。国内虚拟样机技术的应用研究刚刚开始，一些大学和科研院所正在进行这一方面的土作，主要是对虚拟样机概念和结构的研究，对虚拟样机要求的相关技术如数据库技术、CAD/CAM技术、网络技术、分布交互仿真技术等己有一定的基础。如将虚拟样机技术应用十航空发动机、武器装备、机械系统等方面的研究。但整体上与国外相比还有很大差距，属于起步阶段。1.3课题研究的目的及意义传统机械设计总是先制定设计方案，然后再采用理论力学的方法计算其运动学或者动力学特性，而后再进行优化、强度分析及结构设计等。这个过程单就运动学或者动力学特性分析而言，要经过大量的理论分析及计算。同传统的基于物理样机的设计开发方法相比，虚拟样机技术以全新的设计方法正逐步取代传统机械设计。1)全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种方法存在很多弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统级的产品优化，它基于并行工程(ConcurrentEngineering)，使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计一产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。31\n机电控制工程系毕业设计（论文）2)更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型(即虚拟样机)，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验(成本和时间条件不允许)，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。1.4本课题研究的要求和内容根据《基于UG的机构运动创新设计与仿真》纲要，设计可完成规定的探宝机模型一台，可完成课题中所提出的任务和要求，并做出书面机械设计方案，完成探宝机模型机构的3D虚拟设计与关键机构的运动仿真。具体包括机器装置的原理方案构思和拟定；原理方案的实现、传动方案的设计；关键技术的分析与实现、主要零部件结构的3D设计及虚拟装配；基于UG软件的关键机构运动仿真。1.4.1探险车械设计要求1.探险车在折叠状态时，其长度小于等于300mm、宽度小于等于300mm、高度小于等于300mm。2.探险车的驱动可采用各种形式的原动机，不允许使用人力直接驱动。3.动力设备采用原动机。4.探险车行进方式不限，拾取（放置）圆环的方式和每次拾取（放置）圆环的数量不限。5.探险车的控制可采用有线或无线遥控方式。1.4.2模拟工作场地及用品规格本场地采用木工板制作，表面铺设喷绘广告布，场地详见图1-1，图中海底宝藏的九个圆环（Æ50´Æ46´h30）由PVC材料制作。31\n机电控制工程系毕业设计（论文）一区二区三区四区五区起始位置图1-1　模拟工作场地1.4.3探险车包括下列动作：动作1：成功从“一区”到达“二区”。动作2：探险车在“二区”内通过机械臂抓取“三区”内的圆环放到“二区”。动作3：成功从“二区”到达“四区”。动作4：将圆环套置到“五区”的圆柱上。针对于课题的要求，本文主要的研究内容有以下一些方面；1）部件的设计造型及几个关键部件的功能实现；2）用UG三维设计软件建立虚拟数字模型；3）用UG/Motion模块做对主要零部件做运动仿真分析；4）用UG/Assembly模块进行虚拟数字模型的虚拟装配。31\n机电控制工程系毕业设计（论文）第二章虚拟设计2.1引言虚拟设计是以计算机辅助设计（CAD）为基础，利用现行的CAD系统进行建模。目前，使用较普遍的三维造型软件，如UG,Pro/E,SolidWorks,CATAI，都是功能强大的工业设计软件。美国UGS公司开发的Unigaphics(UG)软件是个集CAD/CAM/CAE于一体的大型CAD软件使用该软件进行产品设计，能直观、准确地反映零、组件的形状和装配关系，可完全实现产品设计、土艺制造的无纸化开发，并可与产品设计、工装设计、工装制造等土作同步进行，从而大大缩短了产品开发周期。UG具有一个灵活的复合建模模块。复合建模包括了几种建模方法:实体建模(Solid)、曲面建模(Surfaoe)、线框建模(Wireframe)及基于特征的参数化建模。利用UG的复合建模模块，可以很方便的建立起产品零件的实体模型。2.2UG/Modeling模块的简介UG建模技术是一种基于特征和约束的建模技术，具有交互建立和编辑复杂实体模型的能力。应用UG的建模功能，设计工程师可快速进行概念设计和详细设计。与传统的基于线框和实体的CAD系统相比，设计人员在建模和编辑的过程中花费的精力和时间会更少。UG三维建模（Modeling）应用是新一代建模技术，它结合了传统建模和参数化建模的优点，具有全相关的参数化功能，是一种“复合建模”工具。UG建模充分发挥了传统的实体、表面、线框造型优势，能够很方便地建立二维和三维线框模型及扫描、旋转实体，并可进行布尔操作和参数化编辑。其草图工具可供用户定义二维截面的轮廓线。特征建模模块提高了表达式设计的层次，使实际信息可以用工程特征来定义。例如，模块中提供了各种标准设计特征，如孔、槽、型腔、凸台、方形凸台、圆柱、块、圆锥、球、管道、圆角和倒角等；同时，还可薄壳实体创建薄壁件，并对实体进行拔模以及从实体中抽取需要的几何体等。31\n机电控制工程系毕业设计（论文）在UG中建立的模型，可直接被引用到UG的二维工程图、装配、加工、机构分析和有限元分析中，并保持关联性。如在工程图中，利用Drafting中的相应选项，可从实体模型提取尺寸、公差等信息标注在工程图中，实体模型编辑后，工程图尺寸自动更新。在UG中建立的三维模型，可进行着色、消隐和干涉检查，并可从实体中提取几何特性和物理特性，进行几何计算和物理特性分析。2.3探险车的整个模型的虚拟设计经过反复讨论和假设最后确定了探险车的设计方案，模仿月球车的基本功能和设计思路，根据给定的规定动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，对探险车整体车架和实现各个功能的机构进行了设计。设计了一种行星越障轮和链轮的探险车，该车主要有4大部件组成：行星越障轮，链轮，机械抓手，多关节机械臂，四杆液压式翻转机构以及车架。探险车的整体设计类似施工现场的挖掘机，不过比挖掘机多了一对行星轮和液压四杆机构。如图2-1所示：1、机械臂手2、链轮3、行星轮4、齿轮箱体5、托盘固定盖6、四杆提升机构31\n机电控制工程系毕业设计（论文）图2-1整车模型图由上图可以看出，整车模型的造型并不是很复杂，大部分零件都能用UG的实体建模，基于特征（如孔、凸台、型腔、沟槽、倒角等）的建模和编辑方法进行实体造型，既形象又直观。整车模型中的一些连接件，紧固件（如螺栓，螺母，轴承，链条等）都采用了标准件，这样使整个模型更加标准化，也提高了工作效率，减轻了设计者的工作量。在整车模型的建模过程中，某些零件的造型设计，如齿轮，箱体类零件，都还是比较麻烦的，齿轮渐开线的绘制，轮胎的曲面造型等。2.4探险车中圆柱齿轮的参数化建模行星轮中采用的是渐开线直齿圆柱齿轮，而精确的绘制齿轮件渐开线则是参数化设计的难点所在。在UG中可以采用表达式方法来绘制渐开线。首先，需要确定齿轮的一些基本参数，包括齿数，模数，压力角，齿顶高系数等。在UG/Modeling模块中，选择工具―――表达式选项，将弹出对话框，即可以在其中输入变量和表达式。首先必须输入有明确赋值的基本参数，也可以在以后进行任意修改。然后输入必要的变量，必要的变量所采用的参数必须在它之前就已经定义，否则会出现错误。另外，UG自身的一些约定，所以必须进行一定的变量转换。例如，UG采用的三角函数是角度而不是弧度，直接变量t在0～1之间变化等。在对话框中输入表达式，如图2-2所示：31\n机电控制工程系毕业设计（论文）图2-2表达式对话框完成后，选择插入―――曲线―――规律曲线菜单选项，使用根据方程方式，以t为系统变量，分别用xt,yt来表示坐标x,y变量，将z定义为常量0即可，以坐标原点为基点绘制的渐开线如图2-3所示：然后绘制出齿顶圆，齿根圆，分度圆，绘制出渐开线镜像旋转的参考曲线，所有的长度，角度等值都以表示式输入。接着对渐开线进行裁减，用裁减曲线命令对渐开线依次选择基圆和齿顶圆作为修剪边界，最后再选择两条渐开线，获得渐开线轮廓，然后阵列就可以获得齿轮轮廓线。如图2-4,2-5所示。图2-3渐开线图2-4单齿渐开线图2-5渐开线齿轮2.5箱体的造型设计行星轮机构中的箱体结构比较复杂，如图2-6所示：31\n机电控制工程系毕业设计（论文）图2-6箱体图2-7箱体内部结构对于这种结构比较复杂，内部又需要精度很高的配合，可以使用UG的链接技术，即WAVE技术。WAVE(What-ifAlternativeValueEngineering)是UG上进行的一项软件开发，是一种实现产品装配的各组件间关联建模的技术。采用关联性复制几何体方法来控制总体装配结构(在不同的组件之间关联性复制几何体)，从而保证整个装配和零部件的参数关联性，最适合于复杂产品的几何界面相关性、产品系列化和变型产品的快速设计。WAVE是在概念设计和最终产品或模具之间建立一种相关联的设计方法，能对复杂产品(如汽车车身)的总装配设计、相关零部件和模具设计进行有效的控制。总体设计可以严格控制分总成和零部件的关键尺寸与形状，而无需考虑细节设计；而分总成和零部件的细节设计对总体设计没有影响，并无权改变总体设计的关键尺寸。因此，当总体设计的关键尺寸修改后，分总成和零部件的设计自动更新，从而避免了零部件的重复设计的浪费，使得后续零部件的细节设计得到到有效的管理和再利用，大大缩短了产品的开发周期，提高了企业的市场竞争能力。把箱体内部的零件的最大外轮廓线抽取出来，作为箱体内部结构的形状，这样做就不需要在自己创建曲线，而且还可以保留全部的参数，也给日后的修改带来方便。进入UG界面，打开装配模块，会出现如下的工具栏如图2-8所示：图2-8装配工具栏31\n机电控制工程系毕业设计（论文）然后点击WAVE几何连接器，会出来如图2-9的对话框：图2-9WAVE几何连接器然后选中上图中的曲线功能，把模型中的轮廓线抽取出来，如图2-10所示：图2-1031\n机电控制工程系毕业设计（论文）可以利用抽取出来的曲线进行拉伸，旋转等命令的操作，如图2-11、2-12所示：图2-11拉伸对话框图2-12旋转对话框抽取出所有的轮廓线以后，进行拉伸，旋转，就能得到如图2-13所示的图形，因为刚开始抽取出来的是整个模型中的曲线，是以最大的外轮廓线进行拉伸与旋转，所以出现的是完全包围整个模型的实体。而箱体是分箱体上盖和箱体底座，而本设计中把箱体设计成上下对称的结构，这样更容易零件的设计，所以把箱体分成上下各半。图2-13实体模型然后以XC-YC平面创建一个基准平面，用以分割实体，如图2-14所示：31\n机电控制工程系毕业设计（论文）图2-14创建基准平面再使用修剪体命令或者使用分割体命令把实体分成两部分，这样就完成了箱体部分的创建。在这里有一个问题需要注意的就是，使用不同的命令去分割实体，会有不同的结果。使用修剪体命令，进行修剪后的实体仍然保留着它的参数，但是使用分割命令，则会把原本实体中的参数去掉，换句话说，用分割体命令时就要先去除参数，才能分割。这样很不容易以后对实体的修改。应用UG的建模功能，设计者可快速进行概念设计和详细设计，交互建立和编辑各种复杂的零部件模型。UG这个功能强大的三维设计软件，以其独特的复合建模方法给设计者带来设计的无限乐趣。31\n机电控制工程系毕业设计（论文）第三章虚拟装配3.1引言虚拟装配就是在计算机上建立起如同真实样机的直观可视化的三维数字化模型，即虚拟样机，然后在虚拟环境下对零部件装配情况进行干涉检查。虚拟装配(VirtualAssembly,VA)是虚拟设计的关键组成部分，它利用计算机工具，通过分析、检测产品的数字化模型，对产品进行数据描述和可视化，做出与装配有关的工程决策，而不需要实物产品模型作支持。为了充分展现产品的美观性以及使工程设计人员减少设计错误，缩短产品开发周期，虚拟装配成型已成为产品开发过程中重要的一步。在虚拟装配成型系统中工程设计人员可以从任意方位观察、随意操纵、装配或拆卸任何零部件模型。传统的产品开发过程中，对产品外观和功能的评估以及装配协调性检查一般是借助于实物模型来完成的。这是一个费时费力的过程，因为对设计的任何小的修改都可能导致实物模型的重建。CAD技术的发展使得工程设计人员能在计算机上对产品讲行装配检查。事实上，装配设计是CAD技术中发展最快的领域之一。一个有效的计算机虚拟装配模型不仅应该表示单个的产品零件几何、它们在装配体中的最终位置，而且应该能表示装配误差、零件间的结构关系，如零件是如何装配的等信息。这种信息有可能通过设计者在将各个散置的零件装配成完整的装配体，即产品的动态装配过程中获得。在动态装配过程中还要对零部件进行碰撞检测，并对发生碰撞的零部件作出预警。3.2UG/Assemblies模块的简介本课题中，选用的UG三维软件中UG/Assemblies模块所采用的是“引用集”方法，也就是指在实现模型装配时，通过记忆零部件在装配模型中的各自位置，且在需要时才装入组件，而不是将所有组件全部真实送入到装配模型中。组件送入装配模型后，装配模型记录的是组件的最新版本，当零部件修改后，装配模型会自动地更新.这样，既节省了大量的工作，也为“并行工程”31\n机电控制工程系毕业设计（论文）开展提供了技术支持，装配模型所引用的各零部件可以存储于各用户的计算机、中心文件服务器或可通过网络的任何地方，使得异地协同设计成为可能。在UG中进行动态虚拟装配过程可描述为:设计者逐个调入零部件，利用动态导航等技术选取相配合的几何特征并输入几何约束，由系统对用户输入的几何约束进行一致性检查并报告相关信息，在进行几何约束求解之后，动态地将零件装配到所约束的位置上，同时系统能在屏幕上显示出零件的装配位置，使用户可从图形上检查所建立的装配模型。UG中虚拟装配过程可以对零部件进行三维操作，具有非常直观的较高的交互性;同时三维立体显示让设计者可以象在真实世界中一样观察物体。UG的装配建模过程其实就是建立组件装配关系的过程。可以使用下面的公式说明UG装配的原理：Assembly=∑Component(装配模型＝∑组件)UG装配模块除了可以快速将零件组件成产品外，还可以在装配的上下文范围内建立新的零件模型，并产生明细列表。而且在装配中，可以参照其他组件进行组件配对设计，并可对装配模型进行间隙分析、重量管理等操作。装配生成后，可建立爆炸视图，并可将其引入到装配工程图中。在UGNX版本中，提供了3中方法来满足不同的装配需求。1．自底向上模式（Bottom-up）对于数据库中已经存在的系列产品零件、标准件以及外购件，可以通过自底向上的设计方法将它们加入到装配中。这种设计过程由于事先没有一个很好的规划，没有一个全局的考虑，设计阶段的重复工作很多，造成了时间和人力资源的很大浪费，工作效率低。这种设计过程是从零件设计到总体装配设计，既不支持产品从概念设计到详细设计，又不能支持零件设计过程中的信息传递，特别是产品零、部件之间的装配关系(如装配形式、层次、配合等)无法在现有的系统中得到完整描述。2．自顶向上模式（Top-down）自顶向下(Top-down)的模式是从整体到局部的设计过程，自顶向下“Top-down”31\n机电控制工程系毕业设计（论文）的设计过程，设计是从产品功能要求出发，选用一系列的零件去实现产品的功能;先设计出初步方案及其结构草图，建立约束驱动的产品模型;通过设计计算，确定每个设计参数，然后进行零部件的详细设计，通过几何约束求解将零件装配成产品:对设计方案分析之后，返回修改不满意之处，直到得到满足功能要求的产品。这种设计过程能充分利用计算机的优良性能，最大限度地发挥设计人员的设计潜力，最大限度地减少设计实施阶段不必要的重复工作，使企业的人力、物力等资源得到充分的利用，有利于提高设计效率，减少新产品的设计研究时间，使企业在市场竞争中占据有利的位置。3.混合建模混合建模方法就是上述两种装配方法的组合。首先将已经存在的组件加入到装配件中，然后在装配上下文中建立一个新组件，它的尺寸与位置可参考装配件中已有的其他组件。本设计中，就是采用了混合建模的方法，大大提供了工作效率，减少了工作时间，最大限度地减少了设计阶段不必要地重复工作，大大提高了设计的准确性，给随后的工作带来了方便。3.3行星轮机构的装配建模行星轮机构是本设计中的重点，是探险车的爬坡机构，爬坡的时候靠的是行星轮的带动使得车身抬起再靠链轮的驱动力使得车子沿着阶梯爬行，完成爬坡任务。如图3－1所示：此机构是由两边的行星轮和中间的齿轮箱体构成。图3－1行星轮机构31\n机电控制工程系毕业设计（论文）3.3.1齿轮箱体的装配此部分的机构，是行星轮的动力源，它的作用是增大电机扭矩，使得传动更平稳，与以往的齿轮减速箱有所不同的就是，加进了电机，把电机和齿轮轮系整合到了一个箱体中，使得整体的结构显得更加紧凑，也使整个模型更加简洁。，如图3－2所示为齿轮箱结构的各零件图3－2齿轮箱内部结构爆炸图在UG中进行装配建模时，把在UG/Modeling模块中建立好的每一个零件导入到工作界面中，装配建模的主要任务就是将这些零散的零部件通过UG/Assembly模块中的命令组装成一个完整的装配体或子组件。UG中可以采用特征配对或者采用零件空间绝对坐标的方式进行装配。通过特征配对，装配的零件具有严格的父子依赖关系，并且相互配合间的零件的约束关系始终保存，即使是对某个零件作了变更或修改，而利用零件的空间绝对坐标进行的装配却不存在这个问题。装配模块还可以对装配体进行简单干涉分析和装配间隙分析，可以保障装配模型的有效性。如图3－3所示为装配后的模型：31\n机电控制工程系毕业设计（论文）图3－3齿轮箱装配图3.3.2单个行星轮的装配行星轮做为主要的爬坡机构，内部的结构是比较复杂的，它主要是由齿轮系组成，齿轮之间的啮合，就需要一定的精度，所以应用虚拟样机技术，在设计中通过零件之间的位置关系，零件与零件间的干涉检查，可以设计出符合要求的零件，以免产生错误。爆炸图是在装配环境下把组成装配的组件拆分开来，更好地表示整个装配地组成状态，便于观察每个组件的一种方法。建立组件装配后，就可以通过爆炸图来表达装配组件内部各组件之间的相互关系。进行爆炸图的操作可以选择装配/爆炸视图下拉菜单中的各项命令，进行爆炸图的设置。首先,打开图档,进入装配模块，击装配工具栏中的爆炸视图命令,然后会出现一个小工具条,如图3-3所示：31\n机电控制工程系毕业设计（论文）图3-3爆炸视图点击创建爆炸视图命令,会跳出创建爆炸视图对话框如图3-4所示：图3-4创建爆炸视图按确定以后会激活爆炸视图工具栏中其他灰色的命令,如图3-5所示：图3-5激活的爆炸视图对话框然后点编辑爆炸视图命令,会出现如下图3-6所示对话框：图3-6编辑爆炸视图对话框可以通过这个对话框进行行星轮中各个零部件的拖动,可以任意的拖动零部件到任意的位置,也可以把零部件进行旋转,调整零件之间的视角,使得看起来更加的清楚,更能了解零部件之间的关系。选中一个要拖动的对象，即模型中的某个零件，然后在点选移动对象，在工作界面中就会出现一个可以拖动的坐标系，可以选择坐标系的任何一个矢量方向进行拖动，可以选择各矢量间的小圆球，进行旋转。如图3-7所示：31\n机电控制工程系毕业设计（论文）图3-7编辑爆炸是图的操作运用这样的方法就可以把零件一个一个的拖动出来，就像实际工作中对装配体的拆卸，能真实的反应出装配的顺序，零件之间存在的问题，可以快速的找出问题，并解决问题，避免了等制造出来以后发现问题，在重新设计，造成不必要的损失。下图是完全爆炸开的行星轮爆炸图3-8所示：图3－4单个行星轮爆炸视图在UG/Assembly模块中还有一个装配顺序的功能，可以进行模型的拆卸仿真。拆卸仿真在整个模型拆卸研究中有着极其重要的作用。通过对整个模型的拆卸仿真，可以实现各零部件之间的拆卸干涉分析，为拆卸序列的生成提供依据。同时动态仿真演示模拟整个拆卸过程，使用户和设计人员更加直观的了解拆土艺和拆卸过程。31\n机电控制工程系毕业设计（论文）第四章虚拟仿真技术4.1引言UG三维设计软件采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模融为一体;用基于特征〔如孔、凸台、型腔、槽沟、倒角等)的建模和编辑方法进行实体造型，形象直观。并可将多个三维立体模型装配成为系统，利用参数驱动，实现机构动态仿真。利用UG对机械系统进行运动仿真的途径有两条:第一，利用UG的机构运动分析模块UG-ScenarioforMotion这个模块提供机构设计、分析、仿真和文档生成功能，可在uG实体模型或装配环境中定义机构，包括铰链、连杆、弹簧、阻尼、初始运动条件等机构定义要素。定义好的机构可直接在UG中进行分析，包括最小距离、干涉检查和轨迹包络线等选项，同时可实现仿真机构运动。它能够提供准确的运动关系，但不能用于变形体的仿真，往往是通过单步运行仿真结果，靠屏幕抓取方式获得图片，不能提供高质量图片，所以仿真效果也不是很好。第二，通过修改装配(或零件)参数或重新定位零件进行运动仿真应用UG软件中的参数化建模、装配、零件问表达式等工具，可以清楚地表达CAD模型间的相互关系。通过修改模型参数、装配关系或零件间表达式，实现刚体以及变形体的运动仿真。仿真过程中使用高质量渲染功能UG-HighQualityImage(HQI)能够得到赏心悦日的图片，灵活运用宏命令还可以很大地提高仿真效率。在UG/Modeling、UG/Assembly和UG/HQI中利用的全部动作，然后手工或通过用户程序将该宏命令做出多份拷贝，形成一个新文件，把参数改为其相对应的参数。最后再运行新制作的宏命令，生成所有仿真用图片素材，再用动画工具制出机构运动的仿真片段。本章节中着重介绍的是UG/Motion模块。4.2UG/Motion模块的介绍UG/Motion是UG/CAE（ComputerAidedEngineering）模块中的主要部分,31\n机电控制工程系毕业设计（论文）它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力分析和设计仿真。通过UG/Modeling的功能建立一个三维实体模型，利用UG/Motion的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型。UG/Motion的功能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如干涉检查、轨迹包络等，得到大量运动机构的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学运动分析就可以验证该运动机构设计的合理性，并且可以利用图形输出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况，对运动机构进行优化。在进行运动仿真之前，先要打开UG/Motion（运动仿真）的主界面。在UG的主界面中选择菜单命令【应用】→【运动仿真】如图4-1所示。图4-1打开UG/Motion操作界面选择该菜单命令后，系统将会自动打开UG/Motion的主界面，同时弹出运动仿真的工具栏。运动场景导航窗口显示了文件名称，运动场景的名称、类型、状态、环境参数的设置以及运动模型参数的设置，如图4-2所示。运动场景是UG运动仿真的框架和入口，它是整个运动模型的载体，储存了运动模型的所有信息。同一个三维实体模型通过设置不同的运动场景可以建立不同的运动模型，从而实现不同的图4-2运动导航器31\n机电控制工程系毕业设计（论文）运动过程，得到不同的运动参数。点击应用/运动仿真后UG界面将作一定的变化，系统将会自动的打开UG/Motion的主界面。该界面分为三个部分：运动仿真工具栏部分、运动场景导航窗口和绘图区，如图4-3所示。图4-3UG/Motion主界面载荷模块连杆及运动副模块运动模型管理模块运动仿真工具栏部分主要是UG/Motion各项功能的快捷按钮，运动场景导航窗口部分主要是显示当前操作下处于工作状态的各个运动场景的信息。运动仿真工具栏区又分为四个模块：连杆特性和运动副模块、载荷模块、运动分析模块以及运动模型管理模块，如图4-4所示。XY函数导航器运动分析模块图4-45个运动仿真工具栏区运动场景导航窗口显示了文件名称，运动场景的名称、类型、状态、环境参数的设置以及运动模型参数的设置，如图431\n机电控制工程系毕业设计（论文）-4所示。运动场景是UG运动仿真的框架和入口，它是整个运动模型的载体，储存了运动模型的所有信息。同一个三维实体模型通过设置不同的运动场景可以建立不同的运动模型，从而实现不同的运动过程，得到不同的运动参数。运动分析方案的创建是进行运动仿真的关键。运动分析方案的创建在Motion模块中进行，分三个步骤进行:创建连杆;创建运动付;定义运动驱动。(1)连杆(Links)的创建连杆在机构中代表运动件，所有运动的零件必须创建为连杆。每一个连杆的创建包括定义连杆几何体、定义质量特性、定义材料、定义惯性矩、初始转动速度和移动速度等。质量、材料和惯性矩的值对运动学分析的结果不产生影响。(2)创建运动副(Joints)运动副将机构中的连杆连接在一起，从而使连杆一起运动。UG运动分析模块提供两大类运动副，普通类型有旋转副、滑动副、万向节、球面副、柱面副、平面副点在线上副和线在线上副;特殊类型有螺旋副、线缆副、齿轮齿条副及齿轮副，基本涵盖了常见机构的所有运动形式。运动副具有允许所需运动和限制不要运动的双重作用。在运动副创建前，连杆具有6个自由度，当运动副创建后，会约束一个或几个运动的自由度。一个运动机构应是一个全约束机构，即机构的自由度等于0，这也是进行运动学分析要达到的目标。约束除了运动副，还和运动驱动有关。(3)定义运动驱动(MotionDriver)运动驱动是赋在运动副上控制运动的运动副参数，共有5种类型:a.无驱动;b.运动函数，运动副按照给定的数学函数运动;c.恒定驱动，设置某一运动副为等常运动(旋转或线性位移);d.简谐运动驱动，产生一个光滑的向前或向后的正弦运动;e.关节运动驱动，设置某一运动副以特定的步长(旋转或线性位移)和特定的步数运动。计算机软硬件技术的飞速发展为机构运动分析的计算机实现提供了良好的基础，计算机虚拟样机技术的运用已成为机构运动分析的一项十分重要的实现手段。在进行机构设计工作的同时，充分利用计算机虚拟样机技术，对机构进行运动学和动力学/静力学分析，能够极大地提高对所设计系统的设计方案可能存在问题的预见性，从而使设计工作更科学、合理，更全面、迅速。4.3液压连杆机构的运动仿真分析31\n机电控制工程系毕业设计（论文）4.3.1机构模型建立连杆机构因其具有可以传递较远距离的动作、承受很大载荷、运动轨迹和运动形式多样性的特点，在工程实践中得到广泛的应用。本设计中为四根连杆，以液压装置为驱动力的液压连杆机构，如图4-5所示，在UG的Modeling模块中分别建立各构件的三维模型，在Assemblies模块中装配成液压连杆机构。图4-5液压连杆机构4.3.2创建运动分析方案建立机构运动分析方案，此方案创建6个连杆和8个运动副，如图4-6所示：液压杆2液压杆1车架连杆1连杆2连杆3图4-6运动分析方案图分析方案如表1：名称说明名称说明连杆L001相对于液压杆1移动副JOO2连杆L002相对于连杆L00运动副连杆L002相对于液压杆2旋转副J003连杆L003相对于地固定的运动副连杆L003相对于连杆1旋转副J004连杆L003相于连杆L002的运动副连杆L004相对于连杆2旋转副J005连杆L00相于连杆L00运动副连杆L005相对于连杆3旋转副J006连杆L005相对于地固定的运动副连杆L006相对于机架旋转副J007连杆L005相对于连杆L004的运动副旋转副J001连杆L001相对于地固定的运动副旋转副J008连杆L006相对于地固定的运动副31\n机电控制工程系毕业设计（论文）表1运动方案分析定义运动驱动，为移动副J002选择恒定驱动，并设定驱动参数，使连杆L002以5mm/s的速度迅速移动，其余运动副设为无驱动运动。因为根据设计的要求，必须保证整个模型的尺寸不能超过100*100*100，而连杆3运动到与机架接近垂直的状态下，就能保证整个模型符合设计的要求，所以设时间t=5s,步数设为200步，即液压杆2在液压杆1中的移动离距为25mm。进行运动仿真分析，测量液压杆2与液压杆1之间的内部距离，跟踪测量数值为25.72mm。如图4-7所示。图4-7运动仿真动画4.4行星轮内部结构的运动仿真在UG/Modeling进行行星轮各部分零件的三维造型，在UG/Assembly模块中进行各部分零件的组装，装配成一个整体，如图4-8所示：1-轮胎，2-轮毂，3-行星架，4-驱动齿轮，5过渡齿轮，6-中心齿轮，7-电机驱动轴，8-深沟球轴承，9弹性垫圈。图4-831\n机电控制工程系毕业设计（论文）首先，进入UG/Motion界面，新建运动分析方案，将工作层改到新的没有用过的层上。因为一个分析方案包含一个由许多机构运动对象构成的虚拟机构，所以最好就是用按层的约定放置这些对象，定义虚拟机构的机构对象应该放在各自相应的层上，这样可以获得有规律的易管理的模型。第二步，创建连杆，行星轮分为3个驱动齿轮部分，3个过渡齿轮部分和一个中心齿轮，把每个需要一起运动的零件设置成一个连杆，而需要注意的是，已创建的连杆不能被创建第二次，可以发现在创建其他的连杆时，已创建的连杆是无法选中的。第三步，创建运动副，因为行星轮内部是以齿轮传递运动，都是旋转运动，所以为每个连杆创建旋转副即可。设置运动方向时，在运动模块中有两种设置运动方向的方法：点和矢量，一般使用的是矢量方式。设置运动方向的时候，一般选工作坐标系（WCS）作为参考，这样在设置其他连杆的时候不容易出错，一定要与实际运动方向相同，否则会使随后的运动仿真不能进行。为了让旋转副之间有运动关系，需要创建齿轮副，齿轮副是根据齿轮传动比关系传递运动，此行星轮机构中需要创建6个齿轮副，驱动齿轮与过渡齿轮之间，过渡齿轮与中心齿轮之间。中心齿轮Z1=40,过渡齿轮Z2＝20，驱动齿轮Z3＝28，如果4-9所示图4-9齿轮副创建对话框在“比率”中输入两个齿轮的齿数比，这里比较好的就是不需要设计者把齿数比算出来，再输入，而是可以直接用算术表达式输入，这样既避免了错误，也可以减小误差，使仿真更加逼真。31\n机电控制工程系毕业设计（论文）第四步，定义驱动，在中心齿轮上创建一个恒定的运动驱动，可以设置位移，速度，加速度。如图4-10所示图4-10运动仿真设置最后进行运动分析，设置时间和步数，如图4-11所示：图4-11分析选项对话框按确定后，系统会根据创建好的运动分析方案进行计算，如果没有出现错误，就会出现如图4-12所示对话框，31\n机电控制工程系毕业设计（论文）图4-12动画对话框这样就能清楚的看到行星轮运动的状态,和内部齿轮的啮合的状态,是否符合实际情况,如果有错误的运动,可以进入运动导航器直接对其进行编辑修改。通过在机构运动仿真方面所作的一些工作，体会到要精确描述现实空间的运动，必须以三维实体为基础，以此形成运动构件，合理选取运动副和运动条件，实现机构的正确约束。利用UG/Motion模块，可以很方便地进行机构的运动学仿真，轻而易举地解决复杂机构的运动学问题，获得精确的仿真结果。在创建连杆时，赋予连杆确切的质量、惯性矩参数和材料特性，可以对机构进行动力学分析和反作用力的静力学分析。在进行产品或机构开发设计时，应注意综合应用UG各个模块的优势，把零件造型、装配、运动分析乃至于加工都有机地结合起来，发挥UG软件的最大功能。31\n机电控制工程系毕业设计（论文）第五章总结及展望5.1总结及展望毕业设计是基于UG的机构运动创新设计与仿真，以上就是在不断的探索和研究的探险车。在设计的过程中，学习并运用了UG软件，此软件易学难精，功能强大，使我们这些初学者设计起来难以得心应手。在探险车的设计过程中，进一步巩固和加深了所学的理论知识，特别是使结合《机械设计》的理论和探险车的实践相结合，一切从实际出发，从中发现实际动手能力的欠缺，须待在以后的工作积累来弥补。在设计的过程中，遇到很多的困难，但决不气馁，查阅相关的书籍和论文，特别是在网络上的资料尤其可贵。通过共同的努力和相互的帮助，最终把的设计完成，从中发现一些有误的地方就及时修正，即使得花好几天，都决不放过。我想这些经历会让我在以后的职业生涯中会有很大的帮助的。31\n机电控制工程系毕业设计（论文）参考文献[1]巩云鹏,田万禄,张祖立,黄秋波主编.《机械设计课程设计》第1版.沈阳.东北大学出版社，2000[2]孙志礼，冷兴聚，魏延刚，曾海泉主编.《机械设计》第1版.沈阳.东北大学出版社，2000[3]邓文英主编.《金属工艺学》第4版.北京.高等教育出版社，2001[4]许锡祺主编.《画法几何及机械制图上、下册》.北京.中央广播电视大学出版社，1996[5]张屯国,主编.《UG渲染与后期处理实例与技巧》国防工业出版社,2005[6]沈俊杰，张智勇撰写.《工业机器人运动学图形仿真系统》.机械与电子，2005[7]谭冠政，徐雄，肖宏峰撰写.《工业机器人实时高精度路径跟踪与轨迹规划》.中南大学学报（自然科学版），2005[8]王金友撰写.《中国工业机器人还有机会吗？》.机器人技术与应用，2005[9]王永林撰写.《工业机器人技术概述与前瞻.兵工自动化》，2004[10]张广鹏，方英武，田忠强，卫军朝，黄玉美撰写.《工业机器人整机机构方案的动态性能评价》.西安理工大学学报，2004[11]许传俊，田新诚，杨华撰写.《工业机器人三维仿真系统的设计与实现》.《机器人技术与应用》，2002[12]谭冠政，王越超撰写.《工业机器人时间最优轨迹规划及轨迹控制的理论与实验研究》.控制理论与应用，2003[13]王天然，曲道奎撰写.《工业机器人控制系统的开放体系机构》.机器人，2002[14]谈世哲，梅志千,杨汝清撰写.《基于DPS的工业机器人控制器的设计与实现.机器人》，2002[15]邹慧君,傅祥志,张春林,李杞仪主编.《机械原理》高等教育出版社,1999[16]华大年编著《连杆机构设计》上海:上海科学技术出版社,1995[17]朱凯，《UG机械设计实战训练》，人民邮电出版社，2005.4；[18]胡晓康，《UG运动分析培训教程》，清华大学出版社，2004.8。[19]何先卫，基于UG的虚拟车身数字模型应用研究，机械与汽车工程学院，2003；[20]宋晓华，马晓丽，汪建平，利用UG实现机构的运动仿真和分析.浙江工业大学浙西分校，2005；31\n机电控制工程系毕业设计（论文）致谢在毕业论文即将完成之际，我想向曾经给我帮助和支持的人们表示衷心的感谢。首先感谢的是周建强指导老师，本文是在周老师的指导下完成的，感谢周老师自始至终给予的极大鼓励和教导。能够耳濡目染老师兢兢业业的治学态度、敏锐创新的科学思维和身体力行的工作作风是我收获的最大财富，并使我在今后的日子里受用无穷。由衷地感谢同组同学的互助，才能使此次设计圆满的画上了一个句号。施肖成2006年6月2日31