商用車動力總成工程中心2023年1月15日Pro/E機構運動仿真設計及分析內容機構設計基礎實例：曲柄活塞連桿機構裝配機構動力學分析實例：利用機構運動畫凸輪型線一、機構設計基礎在Pro/E中的[應用程序]機構模塊進行裝配的運動學分析和仿真。結果可以以動畫的形式表示，也可以以參數和數值的形式輸出。可以檢查運動件是否產生干涉，干涉體積，運動件的軌跡等。還可以進行運動的優化設計。機構仿真主要術語。序號名稱含義1主體（body）一個元件或彼止無相對運動的一組元件，主體內自由度=0。2基礎（ground）不移動的主體，其它主體相對于基礎運動。3連接（connections)定義并約束相對運動的主體之間的關系。4自由度（DegreesofFreedom)允許的機械系統運動。連接的作用是約束主體之間的相對運動，減少系統可能的總自由度。5執行電動機（ForceMotor）作用于旋轉軸或平移軸上（引起運動）的力。6機構（Joints）特定的連接類型（例如銷釘機構、滑塊機構和球機構）7齒輪副連接（GearPairConnection)應用到兩連接軸的速度約束。8伺服電動機（ServoMotor)定義一個主體相對于另一個主體運動的方式，可在機構或幾何圖元上放置電動機，并可指定主體間的位置、速度或加速度運動。9LCS與主體相關的局部坐標系。LCS是與主體中定義的第一個零件相關的缺省坐標系10WCS全局坐標系。組件的全局坐標系，它包括用于組件及該組件內所有主體的全局坐標系。Pro/E運動學分析主要的要素是連接、動力和運動。必須采用連接方式建立裝配才可以運動。PRO/E一般的裝配要求零件是0自由度，而連接裝配是根據需求賦予零件相對應的多個自由度，使之成為可以運動的結構。機構連接形式:序號名稱自由度說明旋轉平移100使用一個或多個基本約束，交元件與組件連接在一起，連接后，元件與組件成為一個主體，相互間沒有自由度。210由一個軸對齊約束加一個與軸垂直的平移約束組成。元件可以繞軸旋轉，不能平移。例如，活塞銷，齒輪、曲軸等。301由一個軸對齊約束與一個旋轉約束組成，元件可沿軸平移，但不能旋轉。如活塞。411由一個軸對齊約束組成，元件可繞軸旋轉同時可沿軸向平移。如挺柱、氣門等。512由一個平面約束組成，元件可在平面上移動（可指定偏移量），且能繞垂直于平面的軸旋轉。630由一個點對齊約束組成，元件可繞著對齊點任意旋轉。如挺柱與挺桿的連接。700兩個坐標系對齊，元件自由度完全消除。焊縫連接與剛性連接是有本質區別的。剛性連接帶有“連接設計”的子組件裝配到主組件時，子組件連接將不能運動。831由一個點對齊一條直邊或軸線的約束組成。與機械上的“軸承”不同。933由元件坐標系和組件坐標系重合來使元件和組件發生關聯，但元件可任意旋轉和平移，一般不常用。103由兩個主體間的一個點和一曲線連接，從動件上的一個點，始終在主動件上的一根曲線上運動，不檢查兩個主體是否干涉。實例參考。11XX自定義組合約束，可根據需要指定一個或多個基本約束來形成組合約束。槽連接例子機構特殊連接機構的連接是在機構工作臺中進行定義的，PROE5.0中有4種特殊的連接。序號名稱說明1凸輪連接凸輪連接需指定兩個主體上的各一個（或一組）曲面或曲線，利用凸輪的輪廓控制從動件的運動規律。如發動機凸輪軸控制搖臂的運動。23D接觸元件不作任何約束，只是對3D模型進行空間點重合來使元件與組件發生關聯。元件可任意旋轉和平移。3齒輪連接用來控制兩個旋轉軸之間的速度關系。在定義齒輪前，需先定義含有旋轉軸的機構連接（如銷釘）4帶傳動通過兩個帶輪曲面與帶平面重合連接。兩帶輪在裝配中就進行銷釘連接。按CTRL選兩帶輪的曲面二、實例：曲柄活塞連桿機構裝配此機構中基礎件為機體（也可以用機體總成骨架），活塞在氣缸中上下運動，不能旋轉，活塞采用滑動桿連接。關鍵有四組相同的活塞連桿機構，因此活塞連桿可單獨裝配成一個小機構，然后再往曲軸和缸體上連接。活塞連桿機構單獨裝配為一個機構，活塞銷及活塞往連桿合件上裝配，均采用銷釘連接檢查需裝配的每個主體，添加必要的旋轉軸和對齊平面新建裝配，裝配缸體或骨架模型曲軸按銷釘連接裝配到基礎上分別按銷釘連接和滑動桿連接裝配活塞連桿機構的連桿大頭和活塞裝配流程：活塞連桿機構裝配先裝連桿，采用坐標系對齊方式采用銷釘連接裝配活塞銷，對齊中間平面銷釘連接裝配活塞，注意需選擇同一主體的軸和平面技巧：裝配完成后可以按住CTRL+ALT鍵，按鼠標左鍵拖動零件可檢查零件的運動情況。曲軸及活塞連桿機構裝配基礎件機體按坐標系對齊裝配，曲軸按銷釘連接裝配到缸體上，對齊止推軸承中心面。活塞連桿機構的裝配注意需要添加兩個連接。連桿大頭銷釘連接到曲柄銷，活塞在缸孔內滑動桿連接。運動影片三、機構動力學分析在PROE5.0中,運動仿真和動態分析功能集成于機構模塊中,包括機械設計和動態分析兩方面的分析功能.在機構動力學分析中簡單一種的是不涉及重力、彈簧、阻尼、力和力矩等的分析，實現機構的運動模擬，可以觀察并測量記錄如位置、距離、速度、加速度等運動特征，并可以通過圖形直觀地顯示這些測量值。另外一種可以在機構上定義重力、彈簧、阻尼、力和力矩等特征，對機構設置材料、密度等屬性，使其更加接近現實中的機構，達到真實模擬現實的目的。創建模型運動學分析流程檢查模型添加模型化要素準備進行分析分析模型獲取分析結果創建模型：建立模型是設計運動仿真的基礎步驟，只有機構模型建立正確合理，機構的模擬才能夠順利進行。主要包括定義機構中的主體、建立連接、設置連接軸屬性，根據設計需要，添加凸輪、槽輪、齒輪副、帶輪副等特殊連接。檢查模型：在裝配中，拖動可以移動的零部件，觀察裝配連接情況。添加模型化要素：在機構中添加伺服電機等運動分析要素。準備進行分析：定義初始位置，建立測量方式。創建分析模型：對所創建的機構模型進行運動學分析。獲取分析結果：可以使用回放功能對分析結果進行回放，進行零件之間的干涉檢查，觀察測量結果，獲取軌跡曲線和運動包絡線，了解機構的設計合理性，可行性等工程分析。進入機構工作界面在PROE裝配模塊下，點擊應用程序-->機構,進入機構工作臺,快捷菜單如下:模型工具欄動態工具欄運動工具欄結構樹在機構模塊中包含模型樹、機構樹兩種結構樹，分別對機構模型特征和動力學分析特征進行管理。使用右鍵菜單對特征進行更改、查詢等操作。拖動和快照(檢查模型)機構完成連接定義后，可以使用拖動功能，來查看定義是否正確。可以使用快照功能對拖動后結果拍照保存，快照結果也可以應用于動畫模快的設計。菜單視圖---->方向---->拖動元件左鍵點需要拖動的元件,然后進行拖動.定義伺服電動機(添加模型化要素)選取運動軸，曲柄連桿機構選擇曲軸的銷釘連接圖標反向按鈕改變旋向定義輪廓，“規范”為位置時模選項定義為斜坡曲軸旋轉一圈360度，圖形中可以查看定義的輪廓，橫坐標為時間【伺服電機】分為兩種，一種是連接軸伺服電機，用于定義某一旋轉軸的旋轉運動，可用于運動分析，另一種是幾何伺服電機，不能用于運動分析。機構完成連接定義后，需要給機構添加伺服電動機才能驅使機構運動.定義輪廓，“規范”為速度時，定義為常數，表示一秒鐘旋轉的角度。模函數共有九種：常數、斜坡、余弦、SCCA、擺線、拋物線、多項式、表、用戶定義的。以下是六種模的數學表達式：模：SCCA

只能用于加速度伺服電機，不能用于執行電機。它用來模擬凸輪輪廓輸出。它稱為“正弦-常數-余弦-加速度”運動，縮寫為SCCA。共有五個參數：七種電動機模的函數圖例各函數的參數值設定如下：下圖給出了七種函數的模所代表的電機輪廓。電動機的模：表

也就是指定N個點，以這些點為節點，按線性或樣條插值方式構建一條通過所有點的曲線。這條曲線就是電動機的輪廓。樣條擬合構建的曲線比線性擬合構建的曲線平滑一點。創建并執行運動分析：定義時間及幀，根據前面伺服電機的定義，2秒鐘曲軸轉角720度加入前面定義的伺服電動機點運行，可以查看運行情況并產生一個結果集回放：干涉與動畫利用回放來查看機構中零件的干涉情況、輸出影片、顯示力和扭矩對機構的影響，以及在分析期間跟蹤測量的值。動畫演示，輸出影片界面測量：創建測量，用來分析機構在整個運動過程中的各種具體參數，如位置、速度、力等，為改進設計提供資料。查看測量的結果必須有一個分析的結果集。（只有運動學分析才能對速度、加速度進行測量）活塞速度的測量結果，也可導出為EXCEL和文本格式測量特征也可加入到運動分析中，進行結果查看，圖形輸出，如測量連桿大頭最外邊與缸體裙部的距離。應將測量保存為一個特征,然后才能進行測量分析回放：軌跡曲線菜單：插入--->軌跡曲線“軌跡曲線”可選2D或3D，“凸輪合成曲線”只能是2D。軌跡曲線用來表示機構中某一元素相對于另一零件的運動。分為“軌跡曲線”與“凸輪合成曲線”兩種：“軌跡曲線”表示機構中某一點或頂點相對于另一零件的運動。“凸輪合成曲線”表示機構中某曲線或邊相對于另一零件的運動。連桿螺栓上一個頂點的軌跡曲線。四、實例：利用機構運動畫凸輪型線問題:已知的氣門的升程表，怎樣把畫出正確的凸輪型線?1.模型準備:設計運動主體,包括凸輪、挺柱和基礎件。a.凸輪軸只畫出軸頸即可,軸頸大小不要過凸輪基圓大小;b.挺柱要在底面畫出一條曲線,此曲線為挺柱底面的輪廓,始終與凸輪面相接觸,即凸輪面在此線上滑動.C.基礎件，需創建凸輪旋轉軸、挺柱滑動軸及對齊平面。這就需要利用Pro/E機構分析中的“凸輪合成曲線”功能。詳細步聚如下：2.組裝模型:裝配各主體并設置連接

a.新建一組件，裝配基礎零件，按坐標系對齊方式裝配到組件中。b.裝配凸輪零件，按銷釘連接。c.裝配挺柱零件,按滑動桿連接。注意要使挺柱底面的曲線與凸輪旋轉軸垂直。3.設置機構分析要素：需要分別定義凸輪和挺柱的伺服電機，也就是此機構中有兩個伺服電機。a.添加并定義凸輪的伺服電機，凸輪定義按勻角速度旋轉運動，根據時間定義角速度，可設定凸輪的模為0-500度，旋轉一周為0.72秒。b.添加并定義挺柱伺服電機,連接軸為滑動軸,模選擇表,表文件為.tab的文本文件,是時間和升程的函數,來自凸輪軸圖紙中的升程表.此處簡化為0.01秒既5度一個點.在輪廓中位置插值采用線性擬合.在輪廓位置中填入基圓半徑生成零點.4.建立分析新建一個機構分析,類型運動學,終