第一章緒論1.1虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術(VirtualPrototyping,VP)是一門綜合多學科的技術。該技術以機械系統運動學，動力學和控制理論為核心，加上成熟的三維計算機圖形技術和基于圖形的用戶界面技術，以及廣泛應用網絡技術、計算機技術、信息技術、集成技術等，將產品的設計開發和分析過程集成在一起，把虛擬技術與仿真方法相結合，為產品的研發提供了一個全新的設計方法，可以顯著的提高設計質量、降低開發成本，極大地提高企業地創新能力、競爭能力和經濟效益。虛擬樣機技術是通過一個統一的實體數字化模型并與產品開發技術集成為三維的，動態的仿真過程。應用虛擬樣機技術，可以產品的使設計者、使用者和制造者在整個系統研制的早期，在虛擬環境中直觀形象地對虛擬的產品原型進行設計優化、性能測試、制造仿真和使用仿真，這對啟迪設計創新、提高設計質量、減少設計錯誤、加快產品開發周期有重要意義。虛擬樣機技術在設計的初級階段 概念設計階段就可以對產品進行完整的分析，可以觀察并試驗各組成部件的相互運動情況。使用仿真軟件在各種虛擬環境中真實地模擬系統的運動，它可以在計算機上方便的修改設計缺陷，仿真實驗不同的設計方案，對整個系統不斷改進，直至獲得最優設計方案。由于虛擬樣機是一種計算機模型，它能夠反映實際系統的特性，包括外觀、空間關系以及運動學和動力學的特性，借助于這項技術，設計師可以在計算機上建立產品的模型，伴之以三維可視化處理，模擬在真實環境下系統的運動和運動特性，并根據仿真結果精化和優化系統。1.2虛擬樣機技術國內外的現狀綜述虛擬樣機技術是20世紀80年代隨著計算機技術的發展而迅速發展起來的一種計算機輔助工程(CAE)技術。其研究和應用迅速得到許多研究機構及軟件供應商的重視。隨著近代科學技術的發展，工程設計的理論、方法和手段都發生了巨大變化。特別是近30年來，工程設計手段的先進與否、數字化程度的高低，在很大程度上決定了產品設計開發的周期、質量和成本。CAD技術是計算機應用于工程設計中最早和最成功的典范，它將設計人員從枯燥的重復勞動中解放出來，為設計人員將更多的時間和精力用于創造性的工作提供了條件。虛擬設計技術在工程設計過程中的應用，再次極大地改進了產品的設計手段，它可以幫助設計人員分析機械系統零部件的結構強度、剛度、熱特性和動態特性，不但進一步推動了CAD技術在各行業的應用，而且解決了許多以前難以處理的工程問題。日前，國外虛擬樣機相關技術的軟件化過程已經完成，較有影響的有美國機械動力公司的ADAMS，德國航天局的SIMPACK,美國EDS公司的UG、I-Deas等等。美國VPI公司目前已經開發出了商業性的虛擬樣機系統，在國防、航空、航大等領域得到廣泛的應用。虛擬樣機技術在一些較發達國家，如美國、德國、日本等己得到一泛的應用，應用領域從汽車制造業、土程機械、航空航大業、造船業、機械電子土業、國防土業、通用機械到人機土程學、生物力學、醫學以及土程齊詢等很多方面。國內虛擬樣機技術的應用研究剛剛開始，一些大學和科研院所正在進行這一方面的土作，主要是對虛擬樣機概念和結構的研究，對虛擬樣機要求的相關技術如數據庫技術、CAD/CAM技術、網絡技術、分布交互仿真技術等己有一定的基礎。如將虛擬樣機技術應用十航空發動機、武器裝備、機械系統等方面的研究。但整體上與國外相比還有很大差距，屬于起步階段。1.3課題研究的目的及意義傳統機械設計總是先制定設計方案，然后再采用理論力學的方法計算其運動學或者動力學特性，而后再進行優化、強度分析及結構設計等。這個過程單就運動學或者動力學特性分析而言，要經過大量的理論分析及計算。同傳統的基于物理樣機的設計開發方法相比，虛擬樣機技術以全新的設計方法正逐步取代傳統機械設計。1） 全新的研發模式。傳統的研發方法從設計到生產是一個串行過程，這種方法存在很多弊端。而虛擬樣機技術真正地實現了系統級的產品優化，它基于并行工程（ConcurrentEngineering），使產品在概念設計階段就可以迅速地分析、比較多種設計方案，確定影響性能的敏感參數，并通過可視化技術設計一產品、預測產品在真實工況下的特征以及所具有的響應，直至獲得最優工作性能。2） 更低的研發成本、更短的研發周期、更高的產品質量。采用虛擬樣機設計方法有助于擺脫對物理樣機的依賴。通過計算機技術建立產品的數字化模型（即虛擬樣機），可以完成無數次物理樣機無法進行的虛擬試驗（成本和時間條件不允許），從而無需制造及試驗物理樣機就可獲得最優方案，因此不但減少了物理樣機的數量，而且縮短了研發周期、提高了產品質量。1.4本課題研究的要求和內容根據《基于UG的機構運動創新設計與仿真》綱要，設計可完成規定的探寶機模型一臺，可完成課題中所提出的任務和要求，并做出書面機械設計方案，完成探寶機模型機構的3D虛擬設計與關鍵機構的運動仿真。具體包括機器裝置的原理方案構思和擬定；原理方案的實現、傳動方案的設計；關鍵技術的分析與實現、主要零部件結構的3D設計及虛擬裝配；基于UG軟件的關鍵機構運動仿真。1.4.1探險車械設計要求探險車在折疊狀態時，其長度小于等于300mm、寬度小于等于300mm、高度小于等于300mm。探險車的驅動可采用各種形式的原動機，不允許使用人力直接驅動。動力設備采用原動機。探險車行進方式不限，拾取（放置）圓環的方式和每次拾取（放置）圓環的數量不限。探險車的控制可米用有線或無線遙控方式。1.4.2 模擬工作場地及用品規格本場地采用木工板制作，表面鋪設噴繪廣告布，場地詳見圖1T,圖中海底寶藏的九個圓環（5046h30）由PVC材料制作。圖1-1模擬工作場地1.4.3探險車包括下列動作：動作1：成功從“一區”到達“二區”。動作2：探險車在“二區”內通過機械臂抓取“三區”內的圓環放到“二區”。動作3：成功從“二區”到達“四區”。動作4：將圓環套置到“五區”的圓柱上。針對于課題的要求，本文主要的研究內容有以下一些方面；部件的設計造型及幾個關鍵部件的功能實現；用UG三維設計軟件建立虛擬數字模型；用UG/Motion模塊做對主要零部件做運動仿真分析；用UG/Assembly模塊進行虛擬數字模型的虛擬裝配。第二章虛擬設計2.1引言虛擬設計是以計算機輔助設計(CAD)為基礎，利用現行的CAD系統進行建模。目前，使用較普遍的三維造型軟件，如UG,Pro/E,SolidWorks,CATAI，都是功能強大的工業設計軟件。美國UGS公司開發的Unigaphics (UG)軟件是個集CAD/CAM/CAE于一體的大型CAD軟件使用該軟件進行產品設計，能直觀、準確地反映零、組件的形狀和裝配關系，可完全實現產品設計、土藝制造的無紙化開發，并可與產品設計、工裝設計、工裝制造等土作同步進行，從而大大縮短了產品開發周期。UG具有一個靈活的復合建模模塊。復合建模包括了幾種建模方法:實體建模(Solid)、曲面建模(Surfaoe)、線框建模(Wireframe)及基于特征的參數化建模。利用UG的復合建模模塊，可以很方便的建立起產品零件的實體模型。2.2UG/Modeling模塊的簡介UG建模技術是一種基于特征和約束的建模技術，具有交互建立和編輯復雜實體模型的能力。應用UG的建模功能，設計工程師可快速進行概念設計和詳細設計。與傳統的基于線框和實體的CAD系統相比，設計人員在建模和編輯的過程中花費的精力和時間會更少。UG三維建模（Modeling）應用是新一代建模技術，它結合了傳統建模和參數化建模的優點，具有全相關的參數化功能，是一種“復合建模”工具。UG建模充分發揮了傳統的實體、表面、線框造型優勢，能夠很方便地建立二維和三維線框模型及掃描、旋轉實體，并可進行布爾操作和參數化編輯。其草圖工具可供用戶定義二維截面的輪廓線。特征建模模塊提高了表達式設計的層次，使實際信息可以用工程特征來定義。例如，模塊中提供了各種標準設計特征，如孔、槽、型腔、凸臺、方形凸臺、圓柱、塊、圓錐、球、管道、圓角和倒角等；同時，還可薄殼實體創建薄壁件，并對實體進行拔模以及從實體中抽取需要的幾何體等。在UG中建立的模型，可直接被引用到UG的二維工程圖、裝配、加工、機構分析和有限元分析中，并保持關聯性。如在工程圖中，利用Drafting中的相應選項，可從實體模型提取尺寸、公差等信息標注在工程圖中，實體模型編輯后，工程圖尺寸自動更新。在UG中建立的三維模型，可進行著色、消隱和干涉檢查，并可從實體中提取幾何特性和物理特性，進行幾何計算和物理特性分析。2.3探險車的整個模型的虛擬設計經過反復討論和假設最后確定了探險車的設計方案，模仿月球車的基本功能和設計思路，根據給定的規定動作順序，綜合運用所學的基本理論、基本知識和相關的機械設計專業知識，對探險車整體車架和實現各個功能的機構進行了設計。設計了一種行星越障輪和鏈輪的探險車，該車主要有4大部件組成：行星越障輪，鏈輪，機械抓手，多關節機械臂，四桿液壓式翻轉機構以及車架。探險車的整體設計類似施工現場的挖掘機，不過比挖掘機多了一對行星輪和液壓四桿機構。如圖2T所示：1、機械臂手2、鏈輪3、行星輪4、齒輪箱體5、托盤固定蓋6、四桿提升機構圖2-1整車模型圖由上圖可以看出，整車模型的造型并不是很復雜，大部分零件都能用UG的實體建模，基于特征（如孔、凸臺、型腔、溝槽、倒角等）的建模和編輯方法進行實體造型，既形象又直觀。整車模型中的一些連接件，緊固件（如螺栓，螺母，軸承，鏈條等）都采用了標準件，這樣使整個模型更加標準化，也提高了工作效率，減輕了設計者的工作量。在整車模型的建模過程中，某些零件的造型設計，如齒輪，箱體類零件，都還是比較麻煩的，齒輪漸開線的繪制，輪胎的曲面造型等。2.4探險車中圓柱齒輪的參數化建模行星輪中采用的是漸開線直齒圓柱齒輪，而精確的繪制齒輪件漸開線則是參數化設計的難點所在。在UG中可以采用表達式方法來繪制漸開線。首先，需要確定齒輪的一些基本參數，包括齒數，模數，壓力