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UG运动模拟与仿真


运动仿真
本章主要内容: ? ? ? ? ?
运动仿真的工作界面 运动模型管理 连杆特性和运动副 机构载荷 运动分析

9.1 运动仿真的工作界面
本章主要介绍 UG/CAE 模块中运动仿真的功能。运动仿真是 UG/CAE(Computer Aided Engineering)模 块中的主要部分,它能对任何二维或三维机构进行复杂的

运动学分析、动力分析和设计仿真。通过 UG/Modeling 的功能建立一个三维实体模型,利用 UG/Motion 的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的 运动学特性,再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型。UG/Motion 的功能可以对 运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作,诸如干涉检查、轨迹包络等,得到大量运动机构 的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学运动分析就可以验证该运动机构设计的合理性, 并且可以利用图形输出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况,对运动机构进行优化。 运动仿真功能的实现步骤为: 1.建立一个运动分析场景; 2.进行运动模型的构建,包括设置每个零件的连杆特性,设置两个连杆间的运动副和添加机构载荷; 3.进行运动参数的设置,提交运动仿真模型数据,同时进行运动仿真动画的输出和运动过程的控制; 4.运动分析结果的数据输出和表格、变化曲线输出,人为的进行机构运动特性的分析。

9.1.1 打开运动仿真主界面
在进行运动仿真之前,先要打开 UG/Motion(运动仿真)的主界面。在 UG 的主界面中选择菜单命令 【Application】→【Motion】,如图 9-1 所示。

图 9-1 打开 UG/Motion 操作界面

选择该菜单命令后,系统将会自动打开 UG/Motion 的主界面,同时弹出运动仿真的工具栏。

9.1.2 运动仿真工作界面介绍
点击 Application/Motion 后 UG 界面将作一定的变化, 系统将会自动的打开 UG/Motion 的主界面。 该界面 分为三个部分:运动仿真工具栏部分、运动场景导航窗口和绘图区,如图 9-2 所示。

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图 9-2 UG/Motion 主界面

运动仿真工具栏部分主要是 UG/Motion 各项功能的快捷按钮,运动场景导航窗口部分主要是显示当前操 作下处于工作状态的各个运动场景的信息。运动仿真工具栏区又分为四个模块:连杆特性和运动副模块、载 荷模块、运动分析模块以及运动模型管理模块,如图 9-3 所示。

图 9-3 四个运动仿真工具栏区

运动场景导航窗口显示了文件名称,运动场景的名称、类型、状态、环境参数的设置以及运动模型参数 的设置,如图 9-4 所示。运动场景是 UG 运动仿真的框架和入口,它是整个运动模型的载体,储存了运动模 型的所有信息。同一个三维实体模型通过设置不同的运动场景可以建立不同的运动模型,从而实现不同的运 动过程,得到不同的运动参数。

图 9-4 运动场景导航窗口

9.2 运动模型管理
打开 UG/Motion 的主界面之后,将会弹出运动模型管理工具栏,如图 9-5 所示。

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图 9-5 运动模型管理工具栏

本节将对工具栏中的各个选项进行说明。

9.2.1 场景导航窗口
1.运动场景的建立 在进行运动仿真之前必需建立一个运动模型,而运动模型的数据都存贮在运动场景之中,所以运动场景 的建立是整个运动仿真过程的入口。 利用 UG/Modeling 的功能建立了一个三维实体模型时必需将该模型设为一个运动可控模型(Master Model) ,完成几何模型的创建之后,选择【Application】→【Motion】菜单项,弹出运动场景导航窗口,该 模型将自动的显示于运动场景导航窗口中,选种该模型按右键将弹出一快捷菜单,如图 9-6 所示。

图 9-6 弹出快捷菜单

如果在进入运动仿真界面后,运动场景导航窗口没有相应的打开,用户可以在运动模型工具栏中单击按 Scenario Navigator(场景导航) ,系统将会自动打开运动场景导航窗口。 在模型的右键快捷菜单中选择 New Scenario 菜单项,将建立一个新的运动场景,默认名称为 Scenario_1, 类型为 Motion, 运动仿真环境为静态动力学仿真 (Statics & Dynamics) 该信息将显示在运动场景导航窗口中, , 并且运动仿真各运动仿真工具栏项将变为可操作的状态,如图 9-7 所示。 钮

图 9-7 建立一个新场景

运动场景建立后便可以对三维实体模型设置各种运动参数了,在该场景中设立的所有的运动参数都将存 储在该运动场景之中,由这些运动参数所构建的运动模型也将以该运动场景为载体进行运动仿真。重复该操 作可以在同一个 Master Model 下设立各种不同的运动场景,包含不同的运动参数,实现不同的运动。 2.运动场景的编辑 运动场景建立后可以对它进行一定的编辑,包括运动场景的重命名(Rename) 、删除(Delete)和复制 (Clone) 。 1)运动场景的重命名 选种某一运动场景,单击鼠标右键将弹出一快捷菜单,如图 9-8 所示。

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图 9-8 弹出运动场景快捷菜单

选择快捷菜单中的 Rename 菜单项后,运动场景导航窗口中的场景名称将自动变为可编辑的状态,如图 9-9 所示。在该对话框中键入新的运动场景名称应用后既可实现运动场景的重命名。

图 9-9 运动场景的重命名

2)运动场景的删除 选择快捷菜单中的 Delete 菜单项既可实现运动场景的删除。 3)运动场景的复制 选择快捷菜单中的 Clone 菜单项既可实现运动场景的复制,复制后的运动场景与原来的运动场景的各个 参数都相同,如图 9-10 所示,通过分别选择【scenario_1】→【Clone,scenario_2】→【Clone,scenario_3】 →【Clone】菜单项新建了三个与 scenario_1 各项参数都相同的运动场景,分别默认为 scenario_2、scenario_3、 scenario_4。

图 9-10 运动场景的复制

3.运动场景参数的设置和信息的输出 1)运动场景环境参数的设置 选种某一运动场景,单击鼠标右键将弹出一快捷菜单,选择 Environment 菜单项将弹出【运动仿真环境 类型设置】对话框,如图 9-11 所示。

图 9-11 运动仿真环境类型设置

该对话框中的各个选项说明如下: ? Kinematics: ? Statics Dynamics: 通过不同的选择可以将运动仿真环境设置为运动学仿真或者是静态动力学仿真。 2)运动场景信息的输出 选种某一运动场景,单击鼠标右键将弹出一快捷菜单,选择【Information】→【Motion Connections】菜 单项将弹出显示运动模型各项参数的设置的图文框,它记载了运动模型所有的参数,如图 9-12 所示。

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图 9-12 选择【Information】→【Motion Connections】菜单项

弹出的运动模型参数设置图文框如图 9-13 所示。

图 9-13 弹出运动模型参数设置图文框

9.2.2 编辑模型几何尺寸
在建立了一个运动场景之后,用户仍然可以对运动场景中几何体的尺寸进行修改。 在 UG/Motion 运动模型管理工具栏中选择图标,系统将会自动打开一个【几何模型尺寸编辑】对话框, 如图 9-14 所示。

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图 9-14 【几何模型尺寸编辑】对话框

在该对话框几何模型特征列表中选中某一特征后,其各种特征参数表达式将在特征参数列表中相应的显 示,而在特征参数列表中选中该特征的某一参数时,其表达式和值将会相应的在下部显示,此时用户可以对 该表达式的值进行编辑。在特征参数数值文本输入框中输入新的特征参数后,按回车键,同时该对话框中的 Apply 按钮被激活,单击 Apply 既可完成该操作,从而改变模型的几何外形。

9.3 连杆特性和运动副
利用 UG/Modeling 的功能建立了一个三维实体模型后,并不能直接将各个部件按一定的连接关系连接起 来,必需给各个部件赋予一定的运动学特性,即让其成为一个可以与别的有着相同的特性的部件之间相连接 的连杆构件(Link) 。 同时,为了组成一个能运动的机构,必需把两个相邻构件(包括机架、原动件、从动件)以一定方式联 接起来,这种联接必需是可动连接,而不能是无相对运动的固接(如焊接或铆接) ,凡是使两个构件接触而又 保持某些相对运动的可动连接即称为运动副。在 UG/Motion 中两个部件被赋予了连杆特性后,就可以用运动 副(Joint)相联接,组成运动机构。

9.3.1 连杆特性的建立

点击运动仿真工具栏区的连杆特性和运动副模块中的图标 对话框,如图 9-15 所示。

(Link),系统将会打开【连杆特性创建】

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图 9-15 连杆特性的建立

该对话框中的各个选项说明如下: 1.Selection Steps(选择步骤) 该选项给用户提供了建立一个连杆特性的操作步骤。共包含五个步骤,其中可根据用户的要求省去几项。 各个步骤说明如下: 1) Link Geometry 该选项用于选择连杆特性的几何模型。激活该图标后,在图形窗口中选择将要赋予该连杆特性的几何模 型。 2) Mass 该选项用于设置连杆的质量特性。选择该图标后, 【连杆创建】对话框的界面将会发生变化,变化后对话 框的选项说明如图 9-16 所示。

图 9-16 【连杆创建】对话框

3) Inertia 该选项用于设置连杆的惯性力。选择该图标后,连杆创建对话框的界面将会发生变化,变化后对话框的 选项说明如图 9-17 所示。

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图 9-17 【连杆创建】对话框

4) Initial Translation Velocity 该选项用于设置连杆的初始平移速度。选择该图标后,连杆创建对话框的界面将会发生变化,变化后对 话框的选项说明如图 9-18 所示。

图 9-18 【连杆创建】对话框

5) Initial Rotation Velocity 该选项用于设置连杆的初始旋转速度。选择该图标后,连杆创建对话框的界面将会发生变化,变化后对 话框的选项说明如图 9-19 所示。

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图 9-19 【连杆创建】对话框

2.Mass Properties(质量特性) 该选项用于设置连杆的质量特性创建的方式,包含三个选项: 1)Automatic:由系统自动生成连杆的质量特性。 2)User Define:由用户定义质量特性,选择该选项后,选择步骤中的图标 Mass 和 Inertia 将被 自动激活。 3.Name(连杆名称) 该选项用于设置连杆的名称。 设置完了这些连杆特性参数后,该部件就具有了一定的运动学特性,可以与别的连杆以一定的连接方式 相连接了,构成运动机构。同时也可以对运动模型进行简化,将连杆的质量特性设置为默认值 0,按 OK 键 后该部件也将成为连杆。

9.3.2 连杆特性参数的编辑
当连杆特性参数设置有误时,就必需对各项参数进行修改,UG/Motion 该项功能的实现是通过运动仿真 工具栏区运动模型管理模块中的运动模型部件编辑的功能来实现的。点击运动模型管理模块中的图标 (Edit Motion Object)将弹出一个【类选择】对话框,要求选择将要进行编辑的部件,这与 UG/Modeling 中 的类选择方法类似。将【类选择】对话框的选择类型设为 Link,选择了某一连杆后将弹出连杆特性参数设置 的对话框,如图 9-20 所示,对各项参数的编辑与连杆建立时的参数设置操作完全相同。

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图 9-20 连杆特性参数的编辑

9.3.3 运动副的类型
在 UG/Motion 中给用户提供了 12 种运动副的类型,在连杆与运动副工具栏中列出了其中的几种运动副, 如图 9-21 所示。

图 9-21 运动副类型工具栏

下面分别来介绍各种运动副类型。 1.Joint(铰链连接) 选择该选项后将会弹出铰链连接对话框,在该对话框中列出了七种铰链连接的类型,如图 9-22 所示。

图 9-22 【铰链连接】对话框

该对话框中的各种铰链连接类型说明如下: 10

1)合页连接 (Revolute) 铰链连接可以实现两个相连件绕同一轴作相对的转动,如图 9-23 所示。

图 9-23 铰链连接

它有两种形式:一种是两个连杆绕同一轴作相对的转动,另一种是一个连杆绕固定在机架上的一根轴进 行旋转,如图 9-24 所示。

图 9-24 铰链连接的两种形式

2)滑块连接(Slider) 滑块连接是两个相连件互相接触并保持着相对的滑动,如图 9-25 所示。

图 9-25 滑块连接

可以实现一个部件相对与另一部件的直线运动,它有两种形式:一种是滑块为一个自由滑块,在另一部 件上产生相对滑动;一种为滑块连接在机架上,在静止表面上滑动,如图 9-26 所示。

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图 9-26 滑块连接的两种形式

3)柱铰连接(Cylindrical) 柱铰连接实现了一个部件绕另一个部件(或机架)的相对转动,如图 9-27 所示。

图 9-27 柱铰连接

柱铰连接也有两种形式:一种是两个部件相连,另一种是一个部件连接在机架上,如图 9-28 所示。

图 528 柱铰连接的两种形式

4)螺杆连接(Screw) 螺杆连接实现了一个部件绕另一个部件(或机架)作相对的螺旋运动,如图 9-29 所示。

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图 9-29 螺杆连接

5)万向接头(Universal) 万向接头实现了两个部件之间可以绕互相垂直的两根轴作相对的转动,它只有一种形式必需是两个连杆 相连,如图 9-30 所示。

图 9-30 万向接头

6)球铰连接(Spherical) 球铰连接实现了一个部件绕另一个部件(或机架)作相对的各个自由度的运动,它只有一种形式必需是 两个连杆相连,如图 9-31 所示。

图 9-31 球铰连接

7)平面连接(Planar) 平面连接可以实现两个部件之间以平面相接触,互相约束,如图 9-32 所示。

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图 9-32 平面连接

2.齿轮齿条连接(Rack and Pinion) 齿轮齿条连接可以实现两个部件或者是部件与机架之间以齿轮与齿条啮合的运动形式进行铰接,如图 9-33 所示。

图 9-33 齿轮齿条连接

3.齿轮连接(Gear) 齿轮连接可以实现两个部件或者是部件与机架之间以齿轮啮合的运动形式进行相对运动的约束,如图 9-34 所示。

图 9-34 齿轮连接

4.皮带连接(Cable) 皮带连接可以使两个部件之间实现以皮带轮带动皮带进行运动的相对运动形式。 5.点线连接(Point on Curve) 点线连接可以实现一个部件始终以其上的一点与另一个部件或者是机架进行接触, 实现相对运动的约束, 14

如图 9-35 所示。

图 9-35 点线连接

6.线线连接(Curve on Curve) 该约束是强迫两个部件上的两条曲线相互接触,实现两个部件的连接和运动约束,如图 9-36 所示。

图 9-36 线线连接

9.3.4 运动副的建立
UG/Motion 中各种运动副(Joint)的建立方法都是类似的,下面以铰链连接中的合页连接(Revolute) 为例介绍运动副建立的整个过程。 在建立了一个运动场景和设置了连杆特性后,可以开始进行运动副创建的操作。点击连杆特性和运动副 模块中的铰链连接(Joint) 按钮后,将弹出一个对话框要求用户选择铰链连接的类型,如图 9-37 所示。

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图 9-37 选择铰链连接的类型

当用户选择不同的铰链连接的类型后,该对话框将会发生变化。在该对话框中选择铰链连接的类型为合 页连接 (Revolute) ,对话框中将会显示创建合页连接运动副的各个选项,这些选项功能的说明如下所述: 1.Snap Links 选种这个单选项后,用户所设置的运动副为两个连杆之间的连接,则在该对话框中要求设置运动副在各 个连杆上的相关参数;空置该单选项时,用户所设置的运动副为连杆与假象的机架之间的连接,只需设置运 动副在这个连杆上的参数既可。 2.Selection Steps 该选项给用户提供了建立一个运动副的操作步骤。共包含四个步骤,其中可根据用户的要求省去几项, 通过完成各个步骤,可以引导用户完成运动副参数的设置。各个步骤说明如下: 1) First Link 该步骤要求用户选择将要进行连接的第一个连杆,如果在 Snap Links 单选项中空置则该连杆将要与机架 连接在一起。 2) Orientation On First Link 在图形窗口中选择那将要进行连接的第一个连杆后,第二步图标将会被自动的激活,同时在【创建运动 副】对话框中的 Edit Orientation 选项被激活,系统在该对话框中自动显示点创建的方式,如图 9-38 所示。

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图 9-38 设置运动副在第一个连杆上的位置和方向

在该步骤中要求用户设置运动副在第一个连杆上的位置和方向。 运动副的位置是指两个连杆连接或者连杆与机架连接时关节点的所在,连杆将在此点与机架或者连杆相 连接。 而不同的运动副其方向的定义是不同的,转动副的方向指的是连杆转动的旋转轴,而移动副的方向指的 是连杆平移的方向。 用户可以选择一定的点创建方式在第一个连杆上创建选择一点,作为运动副在第一个连杆上的位置;同 时,用户可以选择选项 Edit Orientation(编辑方向) ,系统将会自动打开一个坐标系创建对话框,如图 9-39 所 示, 在该对话框中用户可以以一定的方式创建一个坐标系, 该坐标系的 Zc 方向即为运动副在第一个连杆上的 方向。

图 9-39 设置方向

3) Second Link 当 Snap Links 单选项被选中时,在设置完了运动副在第一个连杆上的相关参数后,第三步图标将会被自 动激活,此时要求用户在图形窗口中选择与第一个连杆以合页运动副连接的第二个连杆。 4) Orientation On Second Link 在图形窗口中选择那将要进行连接的第二个连杆后,第四步图标将会被自动的激活,同时在创建运动副 对话框中的 Edit Orientation 选项被激活,系统在该对话框中自动显示点创建的方式。与运动副在第一个连杆 上参数的设置方法类似,用户可以完成运动副在第二个连杆上参数的设置。 3.运动副的驱动力 运动副的驱动力是给运动副设置的初始的外在驱动,是该连杆运动的原动力。在该选项的下拉菜单中列 出了 UG/Motion 给用户提供的五种驱动力的类型,如图 9-40 所示。

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图 9-40 【驱动力选择】对话框

选择不同的驱动力类型,对话框中将显示不同的驱动力设置选项。下拉菜单中的各个选项说明如下: 1)None 选择该菜单项后,该运动副将没有原始的驱动力,其将在其他零件的作用力下进行运动。 2)Constant 该选项用于给运动副添加一个不变的原始驱动力。选择该菜单项后,在对话框中将会显示设置不变的原 始驱动力的各个选项,如图 9-41 所示。

图 9-41 不变的原始驱动力

3)Harmonic 该选项用于给运动副添加一个谐振变化的原始驱动力。选择该菜单项后,在对话框中将会显示设置不变 的原始驱动力的各个选项,如图 9-42 所示。

图 9-42 谐振变化的原始驱动力

4)General 该选项用于给运动副添加一个一般的原始驱动力。选择该菜单项后,在对话框中将会显示设置不变的原 始驱动力的各个选项,如图 9-43 所示。 18

图 9-43 一般的原始驱动力

其中可以给运动副外加根据方程变化的驱动力,在上图中单击运动方程编辑按钮就会弹出运动方程编辑 对话框,如图 9-44 所示。

图 9-44 【运动方程】编辑对话框

5)Articulation 该选项用于给运动副添加一个铰接的原始驱动力。 4.运动副显示比例 该选项用于设置运动副在图形窗口中象征符号显示的大小,设置合适的显示比例可以使用户更好的查看 两个零件之间的连接关系。 5.运动副名称 该选项用于设置运动副的名称,用户可以直接在文本输入框中输入将要创建的运动副的名称,缺省值为 J001、J002……。 设置完这些参数后,在运动副参数设置对话框中单击 OK 按钮就可以将连杆按一定的连接方式机架连接 起来了。具体操作如下例所述。 6.运动副创建实例 在本例中将要将两个连杆铰接在一起,首先点击连杆特性和运动副模块中的铰链连接(Joint) 系统将会自动打开一个对话框要求用户选择铰链连接的类型,在该对话框中选择图标 按钮,

Revolute (合页连

First Link 将自动被激 接),对话框中将会显示创建合页连接运动副的各个选项,同时选择步骤中的图标 活。 在该对话框中选中 Snap Links 单选项, 同时在图形窗口中选择将要进行连接的第一个连杆 L001, 如图 9-45 所示。 19

图 9-45 选择第一个连杆

在图形窗口中选择完成将要进行连接的第一个连杆后,第二步图标 Orientation On First Link 将会被 自动的激活,同时在创建运动副对话框中的 Edit Orientation 选项被激活,系统在该对话框中自动显示点创建 的方式。在点创建方式中选择下拉菜单中的图标 所示。 ,同时在图形窗口中选择 L001 端面的圆心,如图 9-46

图 9-46 设置关节点

后,选择选项 Edit Orientation(编辑方向) ,系统将会自动打开一个【坐标系创建】对话框,如图 9-47 所 示,在该对话框中选择图标,以三点方式创建一个坐标系,该坐标系的 Zc 方向即为运动副在第一个连杆上的 方向。同时在图形窗口中选择上一步选择的圆环的中心和两个象限点,则该孔特征的轴线方向即为运动副在 L001 上的方向。

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图 9-47 设置运动副方向

在设置完了运动副在第一个连杆上的相关参数后,第三步图标 Second Link 将会被自动激活,此时 要求用户在图形窗口中选择与第一个连杆以合页运动副连接的第二个连杆,如图 9-48 所示,在图形窗口中选 择 L002 为与 L001 相连接的连杆。

图 9-48 选择第二个连杆

在图形窗口中选择完成将要进行连接的第二个连杆后,第四步图标 Orientation On Second Link 将会 被自动的激活,同时在创建运动副对话框中的 Edit Orientation 选项被激活,系统在该对话框中自动显示点创 建的方式。在点创建方式中选择下拉菜单中的图标 9-49 所示。 ,同时在图形窗口中选择 L002 内端面的圆心,如图

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图 9-49 设置关节点

设置完了关节点后,选择选项 Edit Orientation(编辑方向) ,系统将会自动打开一个【坐标系创建】对话 框,如图 9-50 所示,在该对话框中选择图标,以三点方式创建一个坐标系,该坐标系的 Zc 方向即为运动副 在第一个连杆上的方向。同时在图形窗口中选择上一步选择的圆环的中心和两个象限点,则该孔特征的轴线 方向即为运动副在 L002 上的方向。

图 9-50 设置运动副方向

最后给该运动副添加一定的原始驱动力,选择 Motion Driver 下拉菜单中的 Constant 项,在相应显示的不 变驱动力设置选项中输入 Velocity 为 2, 同时在该对话框中单击 Apply 键, 系统将会自动的将这两个连杆以合 页连接的方式铰接在一起,并在图形窗口中显示该运动副的象征符合,如图 9-51 所示。

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图 9-51 完成运动副的创建

9.3.5 运动副参数的编辑
当运动副 (Joint) 的参数设置有误时, 就必需对各项参数进行修改。 与连杆特性 (Link) 相类似, UG/Motion 该项功能的实现也是通过运动仿真工具栏区运动模型管理模块中的运动模型部件编辑的功能来实现的。点击 运动模型管理模块中的图标 (Edit Motion Object)将弹出一个类选择对话框,要求选择将要进行编辑的部 件,这与 UG/Modeling 中的类选择方法类似。将【类选择】对话框的选择类型设为 Joint,选择了某一运动副 后将弹出运动副参数设置的对话框,如图 9-52 所示,对各项参数的编辑与运动副建立时的参数设置操作完全 相同。

图 9-52 编辑运动副参数

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9.4 机构载荷
UG/Motion 的功能许用户给运动机构添加一定的外载荷,使整个运动模型工作在真实的工程状态下,尽 可能的使其运动状态与真实的情况相吻合。一个被应用的力只能设置在运动机构的两个连杆之间,运动副上 或是连杆与机架之间,它可以被用来模拟两个零件之间的弹性连接,模拟弹簧和阻尼的状态,以及传动力与 原动力等多种零件之间的相互作用。

9.4.1 机构载荷的类型
UG/Motion 给用户提供了 9 种机构载荷, 涵盖了大部分实际工程状态中机构的受力形式, 如图 9-53 所示。

图 9-53 受力形式工具栏

下面来具体介绍各种载荷类型的特点。 1.弹簧力(Spring) 弹簧力显示为两个零件之间在特定的方向上一定距离的状态下相互之间的载荷作用,相当于在两个连杆 之间或运动副上添加了一个弹簧。 2.缓冲力(Damper) 缓冲力是一种粘滞的缓冲作用,可以被添加在两个连杆之间,连杆与机架之间以及平动的运动副和转动 的运动副上。 3.标量力(Scalar Force) 标量力是两个连杆之间的直接作用力,只需设置力的大小,力的施加点和作用点分别在两个相互作用的 连杆上。 4.标量力矩(Scalar Torque) 外加的力矩,只能应用于转动副上。正的标量力矩表示添加在转动副上绕 Z 轴顺时针旋转的力矩。 5.矢量力(Vector Force) 矢量力是作用在连杆上设定了一定的方向和大小的力。 6.矢量力矩(Vector Torque) 矢量力矩是作用在连杆上设定了一定的方向和大小的力矩。 7.套筒力(Bushing) 套筒力是作用在有一定距离的两个零件之间的力,它同时起到力和力矩的效果。 8.三维碰撞(3D Contact) 利用三维碰撞(3D contact)的功能可以实现一个球与连杆或是机架上选定的一个面之间碰撞的效果。 9.二维碰撞(2D Contact) 二维碰撞结合了线线运动副类型的特点和碰撞载荷类型的特点。根本上二维碰撞允许用户设置作用在连 杆上的两条平面曲线之间的碰撞载荷。

9.4.2 机构载荷的创建
本节主要通过讲解几种常用的机构载荷的创建过程来说明运动机构载荷添加的方法。 24

1. 弹簧力的创建 在机构载荷工具栏中点击图标 (Spring) ,系统将打开【创建弹簧力】对话框,在该对话框中要求用 户设置弹簧力的类型,各选项说明如图 9-54 所示。

图 9-54 【创建弹簧力】对话框

选择选项 Torsional(扭转的弹簧力) ,用户可以设置作用于转动副上的扭转弹簧力。系统同时将会显示弹 簧力各项参数设置的对话框,在该对话框中输入 Free Angle(弹簧自由伸长时的旋转角度)值和 Rate(弹簧 的弹性系数)值。紧接着将会弹出选择转动副的对话框,利用选择球选取转动副或是在该对话框的文本输入 框中输入转动副的名称,点击 OK 键,该载荷就添加完毕,系统将在屏幕上显示该载荷,如图 9-55 所示。

图 9-55 完成扭转弹簧力的创建

选择选项 Translational(平移的弹簧力) ,用户可以设置作用于两个连杆之间连杆与机架之间或是运动副上平 动的弹簧设加的力。系统同时会打开弹簧参数设置对话框,在该对话框中输入 Free Length(弹簧自由伸长时 的长度)值和 Rate(弹簧的弹性系数)值,单击 OK 将会打开一个选择对话框要求用户选择弹簧连接的对象, 如图 9-56 所示。

图 9-56 选择弹簧连接的对象

以两个连杆连接为例,选择选项 Link(连杆) ,在弹出的对话框中选择第一个连杆,系统将同时打开一个 点创建对话框,按照一定的方式选取一点作为弹簧在第一个连杆上的作用点,如图 9-57 所示。

图 9-57 选取力的作用点

接着将会弹出第二个连接对象选择对话框,选择 Link(连杆)选项,在弹出的对话框中选择第二个连杆, 系统将打开点创建对话框,以一定的点创建方式选取一点作为弹簧在第二个连杆上的作用点。设置完后单击 OK 键,系统将在屏幕上自动显示所设置的弹簧力即完成了两个连杆之间的平移弹簧力的创建,如图 9-58 所 25

示。

图 9-58 完成两个连杆之间的平移弹簧力的创建

2.标量力的创建 标量力只能设置在两个连杆上,单击机构载荷工具栏中的图标 (Scalar Force) ,系统将打开标量力参 数设置对话框,在该对话框中要求用户输入标量力的大小,该对话框各个选项的说明如图 9-59 所示。它给用 户提供了两种设置大小的方式, 一种是在文本输入框中输入力的大小, 另一种是选择 Enter Force Function(输 入力的方程)选项,在弹出的【方程编辑】对话框中设置力的方程。

图 9-59 打开【标量力参数设置】对话框

按照一定的方式设置了力的大小后,将弹出力的作用对象选择对话框,利用选择球选取第一个连杆作为 力的施加者。系统同时将打开一个【点创建】对话框,按一定的点创建方式选取一点作为力的起始点,如图 9-60 所示。

图 9-60 选取作为力的起始点

紧接着将再次弹出一个【力的作用对象选择】对话框,利用选择球选取第二个连杆作为受力体。系统同 时将打开一个【点创建】对话框,按一定的点创建方式选取一点作为力的作用点,系统将自动在屏幕上显示 所设置的标量力即完成了两个连杆之间标量力的创建,如图 9-61 所示。

图 9-61 完成两个连杆之间标量力的创建

3.矢量力的创建 单击机构载荷工具栏中的图标 Vector Force,系统将会打开【矢量力创建】对话框。当在该对话框中 26

选择 Force CSYS(力的坐标系)为 Absolute(绝对坐标系)选项时,该对话框及其各个选项的说明如图 9-62 所示。

图 9-62 【矢量力创建】对话框

在矢量力的创建过程中,用户只需要根据 Selection Steps(矢量力设置步骤)的提示,在图形窗口中选择 施力连杆和受力连杆,以一定的点创建方式在该连杆上选择力的作用点,同时在各个文本框中分别输入力的 名称,力图标的显示大小和 X、Y、Z 方向力的大小,系统将会自动的 如果在矢量力创建对话框中选择 Force CSYS(力的坐标系)为 User Defined(用户定义)选项时,该对 话框及其各个选项的说明如图 9-63 所示。而此时矢量力的创建过程只是将由根据 X、Y、Z 方向力的大小合 成一个有一定方向和大小的矢量力的方法,转变为由用户定义力的方向,同时在对话框的文本输入框中定义 力的绝对大小的方法。

图 9-63 【矢量力创建】对话框

9.4.3 机构载荷参数的编辑
当载荷参数设置有误时,就必需对各项参数进行修改,UG/Motion 该项功能的实现是通过运动仿真工 具栏区运动模型管理模块中的运动模型部件编辑的功能来实现的。 27

点击运动模型管理模块中的图标 (Edit Motion Object)将弹出一个类选择对话框,要求选择将要进 行编辑的部件,这与 UG/Modeling 中的类选择方法类似。在图形窗口中选择某一个机构载荷后,单击 OK 键,既可打开该类型机构载荷参数编辑对话框,例如当在图形窗口中选择一个标量力后,系统将会自动打 开【标量力名称,大小或方程以及标量力作用点的编辑】对话框,如图 9-64 所示。

图 9-64 编辑机构载荷参数

9.5 运动分析
对原来的三维实体模型完成了连杆特性的设置,运动副的建立和外载荷的添加的前置处理后,就完成了 运动模型的构建。此时可以利用 UG/Motion 运动分析工具栏,对创建的运动模型进行运动仿真,如图 9-65 所 示。

图 9-65 运动分析工具栏

UG/Motion 模块嵌入了 Mechanical Dynamics 公司(MDI)的求解器 ADAMS/Kinematics,在建立运动模 型的同时 UG/Motion 已经为该求解器建立了初始数据或输入文件,只有运行 UG/Motion 的运动分析模块既可 自动的将初始数据和输入文件输入到求解器中,从而得出运动模型运动后的各种数据,完成运动模型合理性 的检查。

9.5.1 运动仿真过程的实现
UG/Motion 的运动分析模块可以设置运动分析的类型,并通过对运动分析过程的控制,可以直观的以动 画的形式输出运动模型不同的运动状况,便于用户比较准确了解所设计的运动机构实现的运动形式。 1.设置运动仿真的参数 1)运动分析类型的设定 UG/Motion 的运动分析类型有两类:静态分析和动力学分析。点击功能菜单区运动分析模块中的运动 (Animation)按钮 ,将弹出一个【运动分析选项】 (Analysis Options)对话框,该对话框的第一个选择 区域就要求用户选择运动分析的类型,各选项的功能如图 9-66 所示。

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图 9-66 【运动分析选项】对话框

2)运动控制参数的设定 在上述的运动分析选项(Analysis Options)对话框中,第二个区域即要求用户输入运动控制参数:运动 时间和运动步骤。整个运动模型运动的快慢就是由这两个参数决定的。 2.运动仿真过程的动画输出及控制 1)运动仿真过程的控制 设置完了运动分析的参数后,若选择的运动分析类型为静态分析点击 OK 键,将弹出一个【静态平衡】 (Static Equilibrium)对话框,如图 9-67 所示。

图 9-67 【静态平衡】对话框

若选择的运动分析类型为动力学分析点击 OK 键,将弹出一个【运动过程】 (Animation)对话框,对话 框各选项的功能如图 9-68 所示。

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图 9-68 【运动过程】对话框

对运动过程控制的功能主要是由运动控制选项来实现的,下面来介绍一下运动控制选项区域各个按钮的 功能。 ? 全程控制按钮(Full Range) 单击该按钮可以查看运动模型在设定的时间和步骤内的整个连续的运动过程,在绘图区以动画的形式输 出。 ? 前进控制按钮(Step Forward) 单击该按钮可以使运动模型在设定的时间和步骤限制范围内向前运动一步,方便用户查看运动模型下一 个运动步骤的状态。 ? 后退控制按钮(Step Forward) 单击该按钮可以使运动模型在设定的时间和步骤限制范围内向后运动一步,方便用户查看运动模型上一 个运动步骤的状态。 ? 设计位置按钮(Design Position) 单击该按钮后可以使运动模型回到未进行运动仿真前置处理的初始三维实体设计状态。 ? 装配位置按钮(Assembly Position) 单击该按钮后可以使运动模型回到进行了运动仿真前置处理后的 ADAMS 运动分析模型的状态。 3.运动仿真过程的跟踪记录 在运动分析中用户可以很精确的得到运功模型在运动的各个场景中的数据,但是同时运动分析模块还给 用户提供了一个更为直观的观察运动模型在运动过程中前后变化的工具。在 Animation(运动过程控制)对话 框中点击图标 Trace Entire Mechanism 可以实现该功能,如图 9-69 所示。

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图 9-69 【运动过程】对话框

通过多次单击前进控制按钮(Step Forward) ,使运动模型向前一步一步的运动,用户想查看运动模型某 一个运动步骤的状态与原始状态的相对变化时,就可以在运动模型一步一步的运动该步骤时,在该对话框中 选择选项 Update Design Position,系统将会自动显示该运动步骤下模型的状态,同时保留模型的原始状态。 如图 9-70 所示,单击该控制按钮使运动模型从第 0 步运动到第 27 步,系统将在屏幕上静态的显示第 1 步和 第 27 步时运动模型各零部件的状态。

图 9-70 完成运动过程的跟踪记录

4.运动仿真动画文件输出 在运动场景导航窗口中选中一个场景,单击鼠标右键之后将会弹出一个右键快捷菜单,在该菜单中选择 菜单项 Export,将会显示 UG/Motion 给用户提供的几种动画输出的格式,如图 9-71 所示。

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图 9-71 选择输出动画文件格式

在各种动画输出格式中选择 MPEG 将可以输出一个 mpg 文件, 选择 Animated GIF 格式将会输出一个 gif 文件。 不论选择那一种格式,系统都将弹出动画文件设置对话框,如图 9-72 所示。

图 9-72 动画文件设置对话框

在该对话框中用户可以看到该文件的默认名称,动画的帧数,如果用户要自定义文件名,则可选择选项 Specify File Name; 如果用户要查看动画, 可选择选项 Preview Animation, 系统将会自动打开 【预览动画控制】 对话框,如图 9-73 所示。单击该对话框中的图标 可实现对输出动画的连续播放。

图 9-73 【预览动画控制】对话框

9.5.2 运动分析结果的图表输出
ADAMS 求解器根据运动模型的各项参数计算出运动模型在各个步骤的数据,不但可以以动画的形式输 出运动分析的结果, 还可以直接以图表的形式输出各个数据。 UG/Motion 该项功能主要是利用外挂的 Microsoft Excel 软件的功能实现的。 点击功能菜单区运动分析模块中的图表 (Graphing) 按钮 Options)对话框,如图 9-74 所示。 , 将弹出一个 【运动时间和步骤设置】Analysis (

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图 9-74 运动时间和步骤设置对话框

与运动控制参数的设置相同,输入一定的运动时间和运动步骤后,ADAMS 求解器将自动根据运动模型 的参数和运动控制参数来计算运动模型在各步运动状态下的数据。求解器计算完成后将弹出一个【图表设置】 (Define Graph)对话框,用户可以在该对话框中根据需要设置所要显示数据的属性和类型,该对话框各选项 的功能说明如图 9-75 所示。

图 9-75 【图表设置】对话框

用户可以在运动模型所设立的运动副和载荷列表框中选择所要考察的对象,然后设定所需输出的数据的 属性,参考类型(工作坐标系下的值 Relative 或绝对坐标系下的值 Absolute) ,单击加入(Add)键后即已将 其加入到了已定义待输出的图表列表框中了。按照相同的方法可以加入一系列数据属性不同的考察对象,应 用后 UG 将自动调用 Microsoft Exceed 将这些数据以图表的形式在 Exceed 中输出,如图 9-76 所示。

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图 9-76 数据表格

同时,外挂软件 Microsoft Exceed 将会根据这个数据表格,自动绘制出一条变化曲线,如图 9-77 所示。

图 9-77 变化曲线

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