【正文】 《 基于 UG 的運動仿真及高級仿真 》 項目一：機 構(gòu)運動仿真 項目要求 ：熟悉 UG 機構(gòu)運動仿真模塊的內(nèi)容，掌握運動仿真的一般流程和方法，并根據(jù)分析輸出結(jié)果對機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。 任務(wù)一：熟悉掌握運動仿真基礎(chǔ)知識 運動分析模塊（ Scenario for motion）是 UG/CAE 模塊中的主要部分，用于建立運動機構(gòu)模型，分析其運動規(guī)律。通過 UG/Modeling 的功能建立一個三維實體模型，利用UG/Motion 的功能給三維實 體模型的各個部件賦予一定的運動學(xué)特性，再在各個部件之間設(shè)立一定的連接關(guān)系既可建立一個運動仿真模型。 UG/Motion 模塊可以進(jìn)行機構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運動軌跡，分析機構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。運動分析模塊的分析結(jié)果可以指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（加長或縮短構(gòu)件的力臂長度、修改凸輪型線，調(diào)整齒輪比等）或調(diào)整零件的材料（減輕或加重或增加硬度等）。設(shè)計的更改可以反映在裝配主模型的復(fù)制品分析方案中，再重新分析，一旦確定優(yōu)化的設(shè)計方案，設(shè)計更改就可反映在裝配主模型中。 一、 運動方案創(chuàng)建步驟 1． 創(chuàng)建連桿（ Links）； 2．創(chuàng)建兩個連桿間的運動副（ Joints） 3．定義運動驅(qū)動（ Motion Driver） ? 無運動驅(qū)動（ none）：構(gòu)件只受重力作用 ? 運動函數(shù)：用數(shù)學(xué)函數(shù)定義運動方式 ? 恒定驅(qū)動：恒定的速度和加速度 ? 簡諧運動驅(qū)動：振幅、頻率和相位角 ? 關(guān)節(jié)運動驅(qū)動：步長和步數(shù) 二、 創(chuàng)建連桿 創(chuàng)建連桿對話框?qū)@示連桿默認(rèn)的名字，格式為 L00 L002…… .L00n 質(zhì)量屬性選項： 質(zhì)量特性可以用來計算結(jié)構(gòu)中的反作用力。當(dāng)結(jié)構(gòu)中的連桿沒有質(zhì)量特性時，不能進(jìn)行動力學(xué)分析和反作用力的靜力學(xué)分析。根據(jù)連 桿中的實體，可以按默認(rèn)設(shè)置自動計算質(zhì)量特性，在大多數(shù)情況下，這些默認(rèn)計算值可以生成精確的運動分析結(jié)果。但在某些特殊情況下，用戶必須人工輸入這些質(zhì)量特性。 固定連桿： 人工輸入質(zhì)量屬性，需要指定質(zhì)量、慣性矩、初始移動速度和初始轉(zhuǎn)動速度。注：必須選擇好質(zhì)心并且輸入質(zhì)量的數(shù)值，才能定義質(zhì)量屬性。 三、 創(chuàng)建運動副 運動副就是將機構(gòu)中的連桿連接在一起，從而使連桿一起運動。在運動副創(chuàng)建前，機構(gòu)中的連桿是在空間浮動的，沒有任何約束，具有 6 個自由度。運動副創(chuàng)建后，會約束一個或幾個自由度，運動副具有雙重作用：允許所需的運動 和限制不要的運動。 運動副的創(chuàng)建步驟： 1) 創(chuàng)建運動副要約束的第一個連桿 2) 創(chuàng)建運動副第一個連桿的原點和方向 3) 創(chuàng)建運動副要約束的第二個連桿 4) 創(chuàng)建運動副第二個連桿的原點和方向 連桿選擇技術(shù)： UG 運動分析模塊用首選選中的對象判斷要創(chuàng)建運動副的原點和方向。 如果選中的對象是圓弧或圓，則運動副的原點設(shè)在圓弧或圓的圓心，運動副的 Z 軸垂直于圓的平面。 如果首先選中的對象是直線，則運動副的原點設(shè)定在直線最近的控制點上，且運動副的 Z 軸方向平行于直線。 如果選中的對象不能夠確定運動副的原點和方向，則需手工定義運動副的原點和方 向。 運動副方向決定其自由運動的方向。轉(zhuǎn)動副（旋轉(zhuǎn)副和柱面副）按右手螺旋法則繞運動副的坐標(biāo)系的 Z 軸運動。線性運動副（滑動副）沿 Z 軸移動。 咬合連桿：設(shè)計位置和裝配位置不一致。 運動驅(qū)動：用來定義運動副上的運動驅(qū)動。 常見運動副類型如下： 1. 旋轉(zhuǎn)副 它有兩種形式：一種是兩個連桿繞同一軸作相對的轉(zhuǎn)動，另一種是一個連桿繞固定在機架上的一根軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn) ? 旋轉(zhuǎn)副有一個繞 Z 軸轉(zhuǎn)動的自由度 ，旋轉(zhuǎn)副不允許兩個連桿之間有任何移動。 ? 旋轉(zhuǎn)副可以定義一個運動輸 入，旋轉(zhuǎn)的正向由右手法則確定。 ? 一個旋轉(zhuǎn)副去掉 5 個自由度。 ? 相連的兩桿不在裝配位置（裝配位置和設(shè)計位置不一致），選擇復(fù)選框 Snap Links（咬合連桿） ? 可以規(guī)定旋轉(zhuǎn)副的運動極限： 2. 滑動副 可以實現(xiàn)一個部件相對與另一部件的直線運動，它有兩種形式：一種是滑塊為一個自由滑塊，在另一部件上產(chǎn)生相對滑動；一種為滑塊連接在機架上，在靜止表面上滑動 ? 滑動副連接兩個連桿，有一個自由度，連桿之間不允許有轉(zhuǎn)動。 ? 滑動副可以定義一個運動驅(qū)動， 移動 的正方向是正 Z 軸方向 。 ? 一個滑動副去掉 5 個自由度。 ? 一般來說，滑動副的原點可以位于 Z 軸的任何位置，滑動副都會產(chǎn)生相同的運動。 ? 較好的方法是將運動副的原點放在滑動副模型的中間。 ? 可以規(guī)定滑動副的運動極限 3. 柱面副 實現(xiàn)了一個部件繞另一個部件（或機架）的相對轉(zhuǎn)動 。柱鉸連接也有兩種形式：一種是兩個部件相連，另一種是一個部件連接在機架上 。 ? 柱面副連接兩個連桿，有 2 個自由度， 1 個移動自由度和 1 個轉(zhuǎn)動自由度。 ? 不可以定義運動驅(qū)動 ? 一個柱面副可以由一個旋 轉(zhuǎn)副和一個滑動副替代。 ? 一個 柱面 去掉 4 個自由度。 4. 萬向節(jié) 萬向接頭實現(xiàn)了兩個部件之間可以繞互相垂直的兩根軸作相對的轉(zhuǎn)動，它只有一種形式必需是兩個連桿相連 。 ? 萬向節(jié)可以連接 2 個成一定角度轉(zhuǎn)動連桿，萬向節(jié)有 2 個轉(zhuǎn)動自由度。 ? 萬向節(jié)不能加驅(qū)動，不可規(guī)定萬向節(jié)的運動極限。 ? 萬向節(jié)的原點必須位于 ZY 的交點，要避免產(chǎn)生折疊（小于 90 度的）萬向節(jié)，或在期望的運動范圍內(nèi)會折疊的萬向節(jié)。 ? 如果連桿的裝配位置與設(shè)計位置不一致，則不能采用此運動副。 ? 確定 X1 軸的方 向是確定萬向節(jié)方向最簡單的方法。用這種方法為系統(tǒng)設(shè)定萬向節(jié)的旋轉(zhuǎn)縱軸，可不必關(guān)心 Y 軸和 Z 軸的初始方向，因為 Y 軸和 Z 軸在旋轉(zhuǎn)方向上可自由移動，故明確確定 Y 軸和 Z 軸的初始方向是不可能的。 ? 第一個連桿的 Z 軸方向控制第二個連桿的 Z 軸方向，它們會相互成 90 度。 5. 球面副 實現(xiàn)了一個部件繞另一個部件（或機架）作相對的各個自由度的運動，它只有一種形式必需是兩個連桿相連 。 ? 球面副連接兩個連桿，有三個旋轉(zhuǎn)自由度 ? 球面副不能加驅(qū)動 ，不能規(guī)定其運動極限。 ? 球面副的原點位于 球和鉸套的公共中心點。球面副沒有方向，當(dāng)創(chuàng)建球面副時，只需指定連桿和球面副的原點。 6. 平面副 平面連接可以實現(xiàn)兩個部件之間以平面相接觸，互相約束 ? 平面副連接兩個連桿，有 3 個自由度 2 個移動自由度和 1 個轉(zhuǎn)動自由度。兩個連桿在相互接觸的平面上自由滑動，并可繞平面內(nèi)的法線自由轉(zhuǎn)動。 ? 平面副不能定義運動驅(qū)動 ? 一個平面副去掉 3 個自由度 7. 螺旋副 ? 螺旋副本身不能對兩個連桿進(jìn)行約束。柱面副代表螺紋的一對螺栓和螺母，當(dāng)柱面副和螺旋副結(jié)合后，柱面副提供約束 ，將連桿定位于圓柱 /螺旋副的軸線上。 ? 螺旋副提供螺紋，因此螺旋副和柱面副結(jié)合起來即可模擬螺母在螺桿上的運動。 ? 不能給螺旋副添加驅(qū)動或極限。 8. 線纜副 ? 線纜副定義滑動副之間的相互關(guān)系。當(dāng)一個滑動副移動時，相應(yīng)的另一個滑動副也跟著移動，其運動關(guān)系可以是 1： 1 的等速，同方向的運動關(guān)系，也可以定義其他的運動關(guān)系 一個快、一個慢及兩個滑動副運動方向相反。 ? 該運動副可以用來模擬電纜、滑輪等。 ? 線纜副不能定義驅(qū)動，但可以對其中的一個滑動副加驅(qū)動。 ? 不能定義線纜副的運動范圍。 比率：第一個滑動副和第二個滑動副 的運動速度之比。 比率為正，第二個滑動副的運動方向和第一個滑動副的運動方向相同，反之相反。 比率小于 1，則第二個滑動副的運動速度大于第一個滑動副的運動速度。 線纜副去掉 2 個自由度。 9. 齒輪齒條副 ? 齒輪齒條副模擬齒輪和齒條之間的嚙合運動，選擇現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)副和現(xiàn)有的滑動副，即可創(chuàng)建齒輪齒條副并定義傳動比。 ? 不能定義齒輪齒條副的驅(qū)動和極限，但可以給滑動副和螺旋副定義驅(qū)動。 ? Z 軸平行于齒條的滑動方向，原點是齒輪齒條牙齒的接觸點。 ? 滑動副和移動副須預(yù)先創(chuàng)建 比率參數(shù)等效于齒輪的節(jié)圓半徑，單位為部件文件的單位，它定義 了第二個連桿相對于第一個連桿沿運動副 Z 軸方向的移動比率。 10. 齒輪副 齒輪副模擬一對齒輪，選擇連個現(xiàn)有的螺旋副即可創(chuàng)建齒輪副，并定義齒輪的傳動比。 不能定義齒輪副的驅(qū)動和極限，但可以給螺旋副定義驅(qū)動 齒輪的嚙合點即為齒輪副的原點。 比率參數(shù)即為齒輪傳動比，無量綱。 旋轉(zhuǎn)軸可以不平行，既可以創(chuàng)建錐齒輪。 四、 創(chuàng)建力 作用力使物體產(chǎn)生運動，作用力具有大小和方向，根據(jù)其方向的不同性質(zhì)，在仿真模塊中分為標(biāo)量力和矢量力。 標(biāo)量力是具有一定大小，方向隨運動連桿不斷變化的力。 矢量力是具有一定的大小，其方向保持不變 的力。 五、 創(chuàng)建彈簧和阻尼 彈簧是一個彈性元件，可給物體施加力，施加力的大小由胡克定律確定： kXF? F 為彈簧力， k 為彈簧剛度， x 為彈簧產(chǎn)生的位移。 彈簧創(chuàng)建步驟為： ? 選擇彈簧的第一個連桿 ? 選擇彈簧的初始點 ? 選擇彈簧的第二個連桿或單擊 “ 確定 ” 按鈕，彈簧固定到地 ? 選擇彈簧的終點 ? 輸入彈簧的剛度，默認(rèn)值是 1 ? 輸入彈簧的自由長度，默認(rèn)值是 0 阻尼對物體的運動起反作用，消耗能量，逐漸降低運動響應(yīng)，常和彈簧一起使用，控制彈簧的反作用力， 使彈簧的運動比較緩和。 阻尼力是物體運動速度的函數(shù)，其作用方向與物體的運動方向相反，表示為： cVF? 其中 F 為阻尼力， c 為阻尼系數(shù)， V 為物體運動速度 阻尼創(chuàng)建過程為： ? 選擇阻尼的第一個連桿 ? 選擇第一個連桿的阻尼附著點 ? 選擇阻尼的第二個連桿，或單擊 “ 確定 ” 按鈕，阻尼附著到地。 ? 選擇第二個連桿的阻尼附著點 ? 輸入阻尼系數(shù)，默認(rèn)值是 1 六、 3D 接觸與碰撞 3D 接觸可以用來建立實體之間的碰撞模型，當(dāng)兩個實 體建立接觸關(guān)系后，系統(tǒng)在每一步分析中檢查兩者之間的距離關(guān)系，一旦判斷出有接觸發(fā)生，求解器就計算出接觸力和接觸運動響應(yīng)。接觸力計算公式為： ekxF? 其中， F 為接觸力， k 為剛度， x 為穿透深度， e 為力指數(shù)。 七、圖 表 與電子表格 運動仿真模塊提供圖表與 Excel 電子表格功能，運動仿真結(jié)果可以在 UG 環(huán)境下繪制曲線圖形或進(jìn)行表格形式的顯示。 圖表功能生成電子表格數(shù)據(jù)庫并繪出下列仿真結(jié)果：位移、速度、加速度和力。圖標(biāo)功能是從運動分析中提取這些信息的唯一方法。 請求 ： 位移、速度、加速度、力、電動機驅(qū)動 組件 ： 幅值（總值）：只考慮線性運動。該選項給出一個合值或總值而不考慮沿各個特定方向的分量。以位移為例，該選項會給出從 A 點到 B 點的最小距離，而不考慮沿 X、 Y、 Z 軸方向的分量。 X、 Y、 Z：分別繪出沿 X、 Y、 Z 軸的線型運動值。這些選項允許將每個軸隔離開來單獨研究。 角度幅值：只考慮旋轉(zhuǎn)運動，給出一個總值或合值，而不考慮繞各個軸的角度分量。 歐拉角 ：用來描述剛體的定點轉(zhuǎn)動，用動坐標(biāo)系相對于固定坐標(biāo)系的三個角度來表達(dá)，動坐標(biāo)系固連于剛體，并且隨剛體一起繞定點轉(zhuǎn)動，開始時兩坐標(biāo)系 重合。 歐拉角度 1： 動坐標(biāo)系繞固定坐標(biāo)系 Z 軸轉(zhuǎn)動的角度。 歐拉角度 2： 動坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到新位置后，繞其 X1 軸轉(zhuǎn)動的角度。 歐拉角度 3： 動坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到新位置后，繞其 Z1 軸轉(zhuǎn)動的角度。 相對和絕對 絕對：圖標(biāo)顯示的數(shù)值是按絕對坐標(biāo)系測量獲得的。 相對：圖標(biāo)顯示的數(shù)值是按所選的運動副或標(biāo)記的坐標(biāo)系測量獲得的，當(dāng)所選的運動副或標(biāo)記的方向與絕對坐標(biāo)系不一致時，就應(yīng)選用相對參考坐標(biāo)系。 運動函數(shù) ：顯示結(jié)構(gòu)中運動副所定義的運動驅(qū)動函數(shù)。 Y 軸定義： 選擇了“運動對象”設(shè)置了“請求”和“組件”后，就可以將該曲線繪制出來。Y 軸將顯示這 些曲線各自的值。 X 軸定義： 以時間作為 X 軸，默認(rèn)值。也可以由用戶自定義。 任務(wù)二： 滑塊聯(lián)軸器