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数字样机的机构设计与运动仿真实例

--《SolidWorks2011中文版数字样机技术及其应用实例(入门与提高)》连载20

发表时间: 2012-7-5 来源: 机械工业出版社
数字样机的机构设计与运动仿真实例一文是《SolidWorks 2011中文版数字样机技术及其应用实例(入门与提高)》连载20,本章讲述的内容包括运动算例综述与动画实例、机构的若干基本知识、连杆机构设计与运动仿真实例、凸轮机构设计与动力学仿真实例、齿轮机构设计与运动仿真实例和其他机构设计与运动仿真实例。本书由机械工业出版社独家授权e-works转载,任何人不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用。如需联系出版相关书籍,请联系机械工业出版社张淑谦先生,电话:010-88379741

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第13章 数字样机的机构设计与运动仿真实例

    SW具有机构设计与运动分析仿真功能,完成这一功能的插件是SolidWorks Motion。本章讲述的内容包括运动算例综述与动画实例、机构的若干基本知识、连杆机构设计与运动仿真实例、凸轮机构设计与动力学仿真实例、齿轮机构设计与运动仿真实例和其他机构设计与运动仿真实例。

13.1 运动算例综述与动画实例

    SW运动算例是装配体模型运动的图形模拟。用户可将诸如光源和相机透视图之类的视觉属性融合到运动算例中。运动算例不更改装配体模型或属性。它们模拟用户给模型规定的运动并将其记录为动画。用户在建模时可使用SW配合,约束零部件在装配体中的运动。

    1.SolidWorks Motion加载及运动算例类型

    启动SW 2011系统并打开某个机构装配体后,单击“工具”/“插件”命令,弹出“插件”对话框,接着选择SolidWorks Motion选项,并单击此对话框下部的“确定”按钮(见图13-1),会出现SolidWorks Motion用户界面(即MotionManager)。SW的MotionManager(运动管理器)是基于时间线的。一个曲柄摇杆机构的MotionManager如图13-2所示。

加载SolidWorks Motion的“插件”对话框

    图13-1 加载SolidWorks Motion的“插件”对话框

SW的MotionManager示例

    图13-2 SW的MotionManager示例

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    由图13-2可看出,SW的运动算例有如下3种类型。

    (1)SolidWorks动画制作

    动画是由键码点或马达驱动,并由装配体配合所约束的运动。用户启动SW系统即可使用。用户可使用动画工具将装配体的运动记录为动画。方法为:

    1)添加马达来驱动装配体(机构)一个或多个构件的运动。

    2)通过在不同时间设定键码点规定装配体构件的位置,利用插值来定义键码点之间装配体(机构)构件的运动。

    (2)基本运动

    基本运动是使用装配体的配合、弹簧、引力和马达的更逼真模拟。用户启动SW系统即可使用。用户可使用基本运动工具在装配体(机构)上模仿马达、弹簧、接触及引力。基本运动工具在计算运动时要考虑质量。基本运动计算相当快,所以可用来生成基于物理模拟的演示性动画。

    (3)Motion(运动)分析:

    Motion(运动)分析是最逼真的模拟,考虑到所有可用的运动对象类型,并提供精确的数字化结果。此项模拟,只有在启动SW系统,并加载了插件SolidWorks Motion后,方可使用。用户可使用运动分析工具精确模拟和分析机构装配体上运动单元(构件)的效果(包括力、弹簧、阻尼及摩擦)。运动分析工具使用计算能力强大的动力求解器,在计算中要考虑到材料属性、质量及惯性。用户还可使用运动分析工具来描绘模拟结果,以供进一步分析。

    用户使用MotionManager还可以更改视点、显示属性和生成描绘装配体运动的可发布的演示性动画。

    用户在使用运动分析选项时应该了解如下术语:

    1)自由度:一个未受到任何约束的零部件(构件、模型)在空间可以自由地沿着3个直角坐标轴往返移动和绕着3个直角坐标轴往返转动。这样的移动和转动就称为“自由度(DOF)”。也就是说,一个未加任何约束的零部件(构件、模型)在空间有6个自由度,在平面则只有3个自由度(限制在平面运动即等于添加了两个转动约束和一个移动约束)。在SW的机构装配中添加某种配合,就是添加某种约束。

    2)冗余配合:在运动分析算例中,具有冗余配合相当于过定义SW模型。用户在运动分析中,最好是定义无冗余配合的模型。用户可以使用后面所列方法之一手工移除所有冗余配合:重新定义模型,使之无冗余配合,或者冗余配合尽可能少;识别出所有冗余(过定义)配合并手工将这些配合更改到配合 PropertyManager 的“分析”选项卡中的“套管”中;前面方法无效后,可在运动算例属性的 PropertyManager 中选择以套管替换冗余配合。

    3)套管(Bushings,翻译为弹性衬套更为确切):在一个运动算例中包含“套管”就相当于添加了一个柔性配合(定义两构件间的柔性,即可变性)。它像弹簧减振器一样,允许少量“溢出”,即给机构添加一些约束或补偿,以控制已知的自由度。

    2.MotionManager界面

    (1)时间线

    时间线是动画的时间界面。时间线位于MotionManager 设计树的右方。时间线显示运动算例中动画事件的时间和类型,如图13-3所示。

时间线

    图13-3 时间线

    时间线被竖直网格线均分,而这些网络线对应于表示时间的数字标记。数字标记从00:00:00开始。时标依赖于窗口大小和缩放等级。

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    (2)时间栏

    时间线上的黑灰色竖直线即为时间栏。它代表当前时间。用户若要增加具有更细时间增量的时间栏分辨率,则要单击MotionManager 图形区域右下角的“放大”按钮。用户如果要移动时间栏,则要执行下列两种操作之一:

    1)沿时间线拖动时间栏到任意位置。

    2)单击时间线上除关键点外的任意位置。

    但是要注意,移动时间栏会更改动画的当前时间并更新模型。

    当定位时间栏,在图形区域中移动零部件(构件),添加模拟单元,或更改视像属性时,时间栏会使用键码点和更改栏来显示更改。

    定位时间栏并对运动算例进行更改后,便可以通过拖动键码点来编辑动画。

    (3)更改栏

    更改栏是连接键码点的水平栏。它们表示键码点之间的更改。更改内容包括:动画时间长度、零部件(构件)运动、模拟单元属性、视图定向(如旋转)和视像属性(如颜色或视图)。在更改栏,根据实体的不同,以不同的颜色来直观地识别零部件和类型的更改,见表13-1。

    表13-1 时间线图例

时间线图例

    (4)键码点

    键码点为对应于所定义的装配体(机构)零部件(构件)位置、视觉属性或模拟单元状态的实体。用户可使用键码点代表动画位置更改的开始或结束或者某特定时间的其他特性。注意:无论何时定位一个新的键码点,它都会对应于运动或视像特性的更改。

    (5)关键帧

    所谓关键帧,就是键码点之间可以为任何时间长度的区域。关键帧用于定义分隔键码点的时间线部分,它定义的是装配体(机构)零部件(构件)运动或视觉属性更改所发生的时间。

    (6)MotionManager设计树

    MotionManager设计树包括:视向及相机视图设定、光源、相机与布景文件夹、出现在SolidWorks FeatureManager设计树中的零部件实体以及用户添加的马达、力或弹簧等模拟单元。

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    3.SolidWorks Motion的运动算例单元

    用户在运动算例中使用运动算例单元以创建机构的运动学仿真和动力学仿真模型。这些单元有:

    (1)马达

    马达为通过模拟各种马达类型的效果而在装配体(机构)中移动零部件(构件)的运动算例单元。马达有旋转马达和线性马达两种类型。马达的运动类型有等速、距离、振动和插值4种。

    (2)弹簧(仅限运动分析和基本运动)

    弹簧是一个弹性元件,是通过模拟各种弹簧类型的效果(施加力或扭矩)而让装配体(机构)移动零部件(构件)的模拟单元。弹簧有线性弹簧和扭转弹簧两种类型。弹簧参数包括为弹簧端点选择两个特征;根据弹簧的函数表达式确定弹簧力表达式指数;设定弹簧常数(刚度系数)、自由长度(不受力时的自然长度)、圈数、直径、簧丝直径等;设定阻尼(可选项)。

    1)线性弹簧代表沿特定方向以一定距离在两个零部件之间作用的力:根据两个零部件的位置之间的距离计算弹簧力;将力应用到选取的第一个零部件;沿选取的第二个零部件的视线应用相等且相反的力。

    2)扭转弹簧代表作用于两个零部件之间的扭转力:绕指定轴根据两个零件之间的角度计算弹簧力矩;绕指定的轴将力矩应用到选取的第一个零件;将相等和相反的反作用力矩应用到选取的第二个零件。

    (3)阻尼(仅限运动分析)

    阻尼(Damper)是一个能够消耗能量,逐步降低运动的响应,对物体的运动起反作用的模拟单元。它用于控制弹簧反作用力的行为。阻尼有线性阻尼和扭转阻尼两种类型。阻尼参数包括为阻尼端点选择两个特征;根据阻尼的函数表达式选取阻尼力表达式指数;根据阻尼的函数表达式设定阻尼常数。

    1)线性阻尼代表沿特定方向以一定距离在两个零件之间作用的力:用户可在两个零件上指定阻尼的位置;根据两个零件上的位置之间的相对速度计算阻尼力;给选取的第一个零件(作用实体)应用作用力;沿选取的第二个零件(反作用实体)的视线应用相等且相反的反作用力。

    2)扭转阻尼是绕一特定轴在两个零部件之间应用的旋转阻尼:绕指定轴根据两个零件之间的角速度计算弹簧力矩;绕指定的轴将作用力矩应用到选取的第一个零件;将相等和相反的作用力矩应用到选取的第二个零件。

    (4)力(仅限运动分析)

    用户可以使用力在装配体中为运动零部件的运动录制动画。在MotionManager 工具栏中单击“力”工具按钮,以显示力的PropertyManager。力有线性力和扭转力(扭矩)两种类型。对于单作用力,为力作用位置和方向选取面、边线或顶点,然后设定力的方向。对于作用力与反作用力,为力作用位置和方向选取面、边线或顶点,并为力反作用位置选取一边线或顶点。力函数有恒定值、步长、谐波、表达式和插值5种。

    (5)引力(仅限运动分析和基本运动)

    引力即重力,是一个通过插入模拟引力而让装配体(机构)移动零部件(构件)的模拟单元。引力参数包括为引力设定方向参考和数字引力值(默认为标准引力)。

    (6)接触(仅限运动分析和基本运动)

    在运动算例中定义接触,以防零部件(构件)在运动过程中彼此穿刺。接触类型有实体和曲线两种。实体接触用于定义两组共面实体(如球、圆柱及其他旋转体)之间的接触力。它是一种三维接触。曲线接触是共面两曲线的二维接触,用于控制二维平面中的接触运动响应(如凸轮副接触、齿轮副接触)。

    在运动分析中可以在“接触”属性管理器中为每个接触面组或相对两个接触面组选择材料。用户所选定的材料属性在实际接触过程中适用于相接触的面。它将覆盖指定给每个零件的材质属性。用户选取材料的顺序无关紧要。例如,选取橡胶、钢与选取钢、橡胶相同。

    在运动分析中可以通过“接触”属性管理器来设定运动副中的摩擦和弹性属性。摩擦分为动摩擦和静摩擦,摩擦参数有速度和摩擦系数两项。根据机械原理知识,考虑摩擦影响时,移动副中会有摩擦角存在,转动副中会有摩擦圆存在。用户从实验或模拟数据获得弹性属性后,应该清除选择材料以输入此数据。

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    4.创建运动算例的一般步骤

    1)创建或打开要生成新的运动算例的机构装配体。

    2)按前述方法加载SolidWorks Motion插件。

    3)为装配体(机构)开始新的运动算例。

    单击“插入”/“新建运动算例”命令,或单击“装配体”工具栏中的“新建运动算例”按钮,即在MotionManager下方出现“运动算例1”。

    4)参照图13-2,选择运动算例的类型为动画,或是基本运动,或是Motion分析。

    5)按所选择的运动算例类型完成运动算例的创建,参见实例13.1.1。

    5.创建动画算例的例子

    实例13.1.1:试为如图13-4所示的油泵爆炸视图创建“爆炸”动画。

油泵爆炸视图

    图13-4 油泵爆炸视图

    该油泵由外壳、盖、外转子、内转子、轴、销和定位环,共8种9个零件装配而成。为了看清楚此装配体构造,特制作了油泵装配的爆炸分解视图。此处的“爆炸”相当于装配的逆向操作,即分解。将爆炸分解的过程创建为动画,则可以直观、形象地再现装配与分解的过程。

    1)打开油泵的装配体爆炸视图模型,如图13-4所示。

    2)单击“工具”/“插件”命令→在弹出的“插件”对话框中选择插件SolidWorks Motion→单击“确定”按钮,即完成插件SolidWorks Motion的加载。

    3)在弹出的“运动算例1”选项卡(默认为展开状态,即MotionManager,见图13-2)的运动算例类型中,选择“动画”类型。

    4)选择与油泵装配体根目录对应的位于“0秒”下的键码点,并按住鼠标左键将其拖动到时间线“20秒”下面松开,完成“爆炸”动画总的持续时间的定义,如图13-5所示。

定义动画总的持续时间

    图13-5 定义动画总的持续时间

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    5)在MotionManager上方的工具栏中单击“动画向导”按钮(见图13-6)→弹出“选择动画类型”对话框(见图13-7)→选择动画类型为“爆炸”→单击“下一步”按钮→在弹出的“动画控制选项”对话框中设定整个动画的时间长度和开始时间(见图13-8)→单击“完成”按钮,即完成“爆炸”动画的设置,并产生如图13-9所示的画面。

“动画向导”按钮

    图13-6 “动画向导”按钮

选择动画类型为“爆炸”

    图13-7 选择动画类型为“爆炸”

设定整个动画的时间长度和开始时间

    图13-8 设定整个动画的时间长度和开始时间

8个零件对应的分解时间

    图13-9 8个零件对应的分解时间

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    6)单击图13-2中的“计算”按钮,进行“爆炸”动画计算。

    7)单击“计算”按钮右边的“从头播放”按钮,即可从头播放生成的“爆炸”动画。

    8)单击“动画向导”按钮左边的“保存动画”按钮,即可保存“爆炸”动画的电影文件“油泵.avi”。

    9)单击主工具栏中的“保存”按钮,保存生成了“爆炸”动画的油泵装配体模型。

    实例13.1.2:试为图13-4所示的爆炸视图创建“解除爆炸”动画。

    SW提供了“解除爆炸”的动画类型(见图13-7),选择此类型则可以把零件进行装配。

    1)打开油泵的装配体爆炸视图模型,如图13-4所示。

    2)单击“工具”/“插件”命令→在弹出的“插件”对话框中选择插件SolidWorks Motion→单击“确定”按钮,即完成插件SolidWorks Motion的加载。

    3)在弹出的“运动算例1”选项卡(默认为展开状态,即MotionManager,见图13-2)的运动算例类型中,选择“动画”类型。

    4)选择与油泵装配体根目录对应的位于“20秒”下的键码点,并按住鼠标左键将其拖动到时间线“40秒”下面松开,完成“解除爆炸”动画总的持续时间的定义。

    5)在MotionManager上方的工具栏中单击“动画向导”按钮(见图13-6)→弹出“选择动画类型”对话框(见图13-7)→选择动画类型为“解除爆炸”→单击“下一步”按钮→在弹出的“动画控制选项”对话框中设定整个动画的时间长度和开始时间(见图13-10)→单击“完成”按钮,即完成“解除爆炸”动画的设置,并产生如图13-11所示的画面。

设定整个动画的时间长度和开始时间

    图13-10 设定整个动画的时间长度和开始时间

 8个零件对应的取消分解时间

    图13-11 8个零件对应的取消分解时间

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    6)单击图13-2中的“计算”按钮,进行“解除爆炸”动画计算。

    7)单击“计算”按钮右边的“从头播放”按钮,即可从头播放生成的“爆炸”和“解除爆炸”动画。如果把时间滑块拖动到时间20秒处再单击“播放”按钮,则只播放“解除爆炸”动画。

    8)单击“动画向导”按钮左边的“保存动画”按钮,即可保存“爆炸”动画和“解除爆炸”动画的电影文件“油泵.avi”。为了区分,可以把只含“爆炸”动画的电影文件改为“油泵1.avi”,而把包含了“爆炸”动画和“解除爆炸”动画的电影文件名称取为“油泵2.avi”。

    9)单击主工具栏中的“保存”按钮,保存生成了“爆炸”动画和“解除爆炸”动画的油泵装配体模型。

    6.运动算例属性

    在MotionManager上方的工具栏中单击“运动算例属性”工具按钮,即弹出“运动算例属性”对话框。在该对话框中,用户可以分别设定动画、基本运动和Motion分析的运动算例属性,如图13-12所示。

运动算例属性及其设定

    图13-12 运动算例属性及其设定



责任编辑:刘谊萍