《機(jī)械CAD-CAM》課件第6章

第6章計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)6.1計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)概述6.2虛擬樣機(jī)技術(shù)6.3

Pro/E軟件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真6.1計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)概述

1.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的概念

計(jì)算機(jī)仿真是指通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征和規(guī)律作深入研究，總結(jié)出仿真對(duì)象的模型，然后把模型編成計(jì)算機(jī)程序輸入到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)演示系統(tǒng)的工作過(guò)程；而仿真系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的軟、硬件設(shè)備。

2.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的分類及其應(yīng)用

（1）對(duì)設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品或規(guī)劃中的系統(tǒng)，通過(guò)仿真觀察其性能是否滿足預(yù)定要求，預(yù)測(cè)實(shí)際運(yùn)行中可能發(fā)生的問(wèn)題，以改進(jìn)設(shè)計(jì)和修改規(guī)劃。

（2）對(duì)已有的產(chǎn)品或系統(tǒng)，通過(guò)仿真進(jìn)一步獲得其工作信息，進(jìn)一步掌握工作規(guī)律，使其工作得更好。（3）人造的仿真環(huán)境，如飛行模擬器、船舶或汽車駕駛模擬器、數(shù)控設(shè)備操作模擬器等。采用仿真器訓(xùn)練，可以節(jié)省費(fèi)用，縮短訓(xùn)練周期，還可保證被訓(xùn)練人員的安全。

在CAD/CAM中常采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的工作性能和制造過(guò)程進(jìn)行考核和評(píng)估，其仿真系統(tǒng)通常由設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型及其工作和加工環(huán)境組成。

3.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展

（1）仿真技術(shù)是一門獨(dú)立的學(xué)科，但它離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)。只要計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，仿真技術(shù)就會(huì)隨之發(fā)展。仿真技術(shù)作為信息技術(shù)族內(nèi)的成員，它不僅自身發(fā)展快，而且與信息技術(shù)各項(xiàng)發(fā)展結(jié)合也快，它永遠(yuǎn)面對(duì)新問(wèn)題，組織新技術(shù)，形成新的系統(tǒng)工程。因此，仿真技術(shù)是不斷研究新現(xiàn)象、分析新規(guī)律、揭示相關(guān)系統(tǒng)、找出解決方法的強(qiáng)有力的工具。（2）在知識(shí)管理的形成和發(fā)展中，仿真技術(shù)是最好的工具。美國(guó)很多大公司開(kāi)始用“代理人軟件”代替人類做多種經(jīng)營(yíng)工作。預(yù)計(jì)類同“仿真腦”系列的產(chǎn)品將會(huì)被成批生產(chǎn)，用

以代替人們進(jìn)行管理和決策。（3）面向?qū)ο蟮募夹g(shù)和應(yīng)用發(fā)展較快，一方面推動(dòng)仿真概念變化，另一方面適應(yīng)復(fù)雜、非線性應(yīng)用的能力增大。目前，在世界軟件產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)大的環(huán)境中，仿真支撐軟件、各種工具軟件(包括專用仿真語(yǔ)言)乃至于通用的應(yīng)用軟件，其商品化的周期都大大縮短。

（4）由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為異地、異國(guó)應(yīng)用提供了可能，將對(duì)仿真技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)，也推動(dòng)了其發(fā)展。（5）仿真技術(shù)的應(yīng)用正向服務(wù)于系統(tǒng)的全壽命、全系統(tǒng)和管理的全方位迅速發(fā)展。仿真技術(shù)在培訓(xùn)領(lǐng)域中已有了豐碩的成果，比如核電站、飛機(jī)的仿真機(jī)等都是培訓(xùn)所必需的仿真系統(tǒng)產(chǎn)品；虛擬化技術(shù)、綜合自然和人為環(huán)境的建模與仿真技術(shù)、嵌入式仿真技術(shù)等將會(huì)有新的拓展。

6.2虛擬樣機(jī)技術(shù)

1.虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念

虛擬樣機(jī)技術(shù)是當(dāng)前設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一門新技術(shù)，涉及

多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、計(jì)算方法與軟件工程等學(xué)科。它利用軟件建立機(jī)械系統(tǒng)的三維實(shí)體模型和力學(xué)模型，分析和評(píng)估系統(tǒng)的性能，從而為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供參數(shù)依據(jù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)的初級(jí)階段（概念設(shè)計(jì)階段）就可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)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(dòng)情況。使用系統(tǒng)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(dòng)，它可以在計(jì)算機(jī)上方便地修改設(shè)計(jì)缺陷，仿真實(shí)驗(yàn)不同的設(shè)計(jì)方案，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)不斷進(jìn)行改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案以后，再做出物理樣機(jī)。

2.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其特點(diǎn)

（1）起源及發(fā)展。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)新生的工程技術(shù)。借助于這項(xiàng)技術(shù)，工程師們可以在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)的模型，伴之以三維可視化處理，模擬在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，并根據(jù)仿真結(jié)果精化和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與過(guò)程。虛擬模型技術(shù)在技術(shù)與市場(chǎng)兩個(gè)方面的成熟也與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)的成熟及大規(guī)模推廣應(yīng)用分不開(kāi)。首先，CAD中的三維幾何造型技術(shù)能夠使設(shè)計(jì)師們的精力集中在創(chuàng)

造性設(shè)計(jì)上，把繪圖等枯燥的工作交給計(jì)算機(jī)去做。這樣設(shè)計(jì)師就有額外的精力關(guān)注設(shè)計(jì)的正確和優(yōu)化問(wèn)題。其次，三維造型技術(shù)使虛擬模型技術(shù)中的機(jī)械系統(tǒng)描述問(wèn)題變得簡(jiǎn)單。（2）虛擬模型技術(shù)的應(yīng)用。

虛擬模型技術(shù)應(yīng)當(dāng)屬于計(jì)算機(jī)輔助工程的一個(gè)分支。隸屬于CAE的其它分支有有限元技術(shù)等。虛擬模型技術(shù)區(qū)別于其它分支之處在于它是從系統(tǒng)的層面來(lái)分析系統(tǒng)，而與有

限元有關(guān)的技術(shù)分支所進(jìn)行的是部件的分析。

6.3Pro/E軟件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真

采用運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)的理論和方法，通過(guò)CAD模塊繪制出三維實(shí)體模型且設(shè)計(jì)出會(huì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，然后對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)仿真，得出如位置、速度、加速度、作用力等

關(guān)系結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)參數(shù)的物理依據(jù)。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是在計(jì)算機(jī)上虛擬設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)，以在虛擬環(huán)境中模擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

1.Pro/E機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)例

凸輪是一種相當(dāng)重要的連桿件。因?yàn)槠鋺?yīng)用簡(jiǎn)單，又容易達(dá)到所需的運(yùn)動(dòng)目的，所以在很多機(jī)械加工、印刷機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等自動(dòng)化機(jī)械或玩具設(shè)計(jì)中，凸輪機(jī)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。下面以圖6-1所示的凸輪機(jī)構(gòu)為例，講解凸輪機(jī)構(gòu)仿真的步驟。圖6-1凸輪示意圖

1）組裝凸輪機(jī)構(gòu)

通過(guò)“工程特征”工具欄上的【裝配】工具按鈕，或選擇菜單欄中的【插入】→【元件】→【裝配】命令，選中【將約束轉(zhuǎn)化為機(jī)構(gòu)連接】右側(cè)下拉列表框中的“銷釘”、“滑動(dòng)

桿”等選項(xiàng)，完成凸輪、滑桿的裝配約束。

2）機(jī)構(gòu)設(shè)置

（1）選擇菜單欄中的【應(yīng)用程序】→【機(jī)構(gòu)】命令，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入機(jī)構(gòu)平臺(tái)。

（2）單擊【模型】工具欄上的【凸輪】工具按鈕，或選擇菜單欄中的【插入】→【凸輪】命令，系統(tǒng)彈出【凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)連接定義】對(duì)話框。

（3）單擊【凸輪1】選項(xiàng)卡中【曲面/曲線】選項(xiàng)組中的【選取】按鈕，在3D模型中選擇凸輪的工作面，如圖6-2所示。圖6-2凸輪1工作面（4）單擊【凸輪2】選項(xiàng)卡中【曲面/曲線】選項(xiàng)組中的【選取】按鈕，在3D模型中選擇凸輪的工作面，如圖6-3

所示。圖6-3凸輪2工作面（5）其它選項(xiàng)為系統(tǒng)默認(rèn)值，單擊【確定】按鈕，完成凸輪的定義。

（6）單擊“視圖”工具欄上的【拖動(dòng)元件】工具按鈕，或選擇菜單欄中的【視圖（V）】→【方向】→【拖動(dòng)元件】命令，系統(tǒng)彈出【拖動(dòng)】對(duì)話框和【選取】對(duì)話框。

（7）在3D模型中，選擇拖動(dòng)點(diǎn)，如圖6-4所示。圖6-4拖動(dòng)點(diǎn)（8）在“選取”對(duì)話框中，單擊【確定】按鈕，移動(dòng)鼠標(biāo)，模型運(yùn)動(dòng)如圖6-5所示。圖6-5運(yùn)動(dòng)圖（9）單擊“拖動(dòng)”對(duì)話框中的【關(guān)閉】按鈕，完成模型的拖動(dòng)。

（10）單擊【模型】工具欄上的【伺服電動(dòng)機(jī)】工具按鈕，系統(tǒng)彈出“伺服電動(dòng)機(jī)定義”對(duì)話框，選擇【從動(dòng)圖元】選項(xiàng)組中【運(yùn)動(dòng)軸】單選按鈕，單擊【選取】按鈕，在3D模

型中選擇伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸，如圖6-6所示。圖6-6伺服電機(jī)軸線（11）在“伺服電動(dòng)機(jī)定義”對(duì)話框中，單擊【輪廓】按鈕，選擇【規(guī)范】下拉列表框中的【速度】選項(xiàng)，選擇【?！肯吕斜砜蛑械摹境?shù)】選項(xiàng)，在【A】文本框中鍵入36，

單擊【確定】按鈕，完成伺服電動(dòng)機(jī)的創(chuàng)建。

3）運(yùn)動(dòng)分析

（1）自由度分析。單擊“運(yùn)動(dòng)”工具欄上的【機(jī)構(gòu)分析】工具按鈕，系統(tǒng)彈出“分析定義”對(duì)話框，如圖6-7所示，選擇【類型】下拉列表框中的【力平衡】選項(xiàng)，單擊【自由

度】選項(xiàng)組中【DOF】右側(cè)的【評(píng)估】按鈕，在【DOF】文本框中顯示為1，表示模型系統(tǒng)的自由度為1。圖6-7“分析定義”對(duì)話框（2）運(yùn)動(dòng)仿真。單擊【運(yùn)動(dòng)】工具欄上的【機(jī)構(gòu)分析】工具按鈕，系統(tǒng)彈出“分析定義”對(duì)話框，選擇【類型】下拉列表框中的【運(yùn)動(dòng)學(xué)】選項(xiàng)，在【終止時(shí)間】文本框中鍵入10；其它選項(xiàng)為系統(tǒng)默認(rèn)值，單擊【運(yùn)行】按鈕，模型產(chǎn)生仿真運(yùn)動(dòng)，效果參見(jiàn)目錄下的tulun.avi。（3）包絡(luò)分析。單擊【運(yùn)動(dòng)】工具欄上的【回放】工具按鈕，系統(tǒng)彈出“回放”對(duì)話框；單擊【創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)包絡(luò)】工具按鈕，系統(tǒng)彈出“創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)包絡(luò)”對(duì)話框，單擊【選取元件】選項(xiàng)組中【選取】按鈕，在3D模型中選擇凸輪，然后單擊【預(yù)覽】按鈕，效果如圖6-8所示；單擊【關(guān)閉】按鈕，返回“回放”對(duì)話框，單擊【關(guān)閉】按鈕，完成包絡(luò)分析。圖6-8窗口的凸輪包絡(luò)（4）分析測(cè)量結(jié)果。單擊“運(yùn)動(dòng)”工具欄上的【測(cè)量】工具按鈕，系統(tǒng)彈出“測(cè)量結(jié)果”對(duì)話框，單擊【創(chuàng)建新測(cè)量】工具按鈕，系統(tǒng)彈出“測(cè)量定義”對(duì)話框，如圖6-9所示。圖6-9測(cè)量定義對(duì)話框在“測(cè)量定義”對(duì)話框中，選擇【類型】下拉列表框中的【速度】選項(xiàng)，單擊【點(diǎn)或運(yùn)動(dòng)軸】選項(xiàng)組中的【選取】按鈕，在3D模型中選擇滑桿滾輪一點(diǎn)，如圖6-10所示。圖6