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catia DMU运动机构


DMU 数字样机

CATIA 数字样机仿真机构分析

CATIA 数字样机仿真机构分析 ...................................................................................................... 1 绪论........................................................................................................................................... 2 细节分析................................................................................................................................... 3 运动仿真的流程....................................................................................................................... 4 相关概念................................................................................................................................... 5 重点——理解各运动副的概念和创建要素 ........................................................................... 7 基本运行与位置调整............................................................................................................. 10 基于运动函数的模拟............................................................................................................. 10 综合模拟................................................................................................................................. 11 序列编辑与重放..................................................................................................................... 13 基于运动仿真的数字样机分析 ............................................................................................. 14 运动副运动规律的查看与保存 ..................................................................................... 15 运动参数测量................................................................................................................. 15 机构运动轨迹分析 ......................................................................................................... 16 扫掠包络体..................................................................................................................... 17 空间分析......................................................................................................................... 18

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Shaun

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绪论
相对于物理样机,数字样机的优点不言而喻,在很大程度上可以 代替物理样机的作用,随着数字样机技术的发展和日益成熟,今后会 在更大的程度和更多的方面取代物理样机, 提高产品的研发效率和技 术水平。 学习 Catia 数字样机需要掌握主要几大块内容: 1、工作窗口的构成和功能 2、运动仿真流程的掌握 3、各种运动副的运用 4、基本运动学原理的掌握 5、仿真机构的运行与重放 6、基于运动仿真的数字样机分析技术

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细节分析
该模块位置:CATIA→Digital Mock Up→DMU kinematics

工具栏主要:有 DMU 运动机构

DMU 一般动画

运动机构更新

以及 DMU 空间分析

四大块。

各工具按钮的作用需要在实践操作中一步步掌握和数字, 非一朝一夕 的功夫可以消化,其基本功能都是相对简单的,但是要综合运用,必 须勤加练习细细领悟。

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运动仿真的流程
3D 数字模型→数字样机准备→静态装配(包括全面静态装配后删除 限制运动的约束后自动创建运动副、 全面静态装配后通过对话框利用 相关约束手动创建运动副) 或者直接手动创建运动副→所有必要基础 运动副创建完成→分析是否需要建立关联运动副并创建→定于仿真 过程中的固定件(机械装置自由度 DOF 变为 1)→施加驱动&制定运 动法则(直到机械装置自由度 DOF 为 0)→运动模拟与分析。

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Shaun

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相关概念
1、完整的静态约束:具有装配关系的两个零部件间有 3 个能够限制 或者规定其 3D 空间全部自由度的约束,保证数字样机上每一个零部 件均具有空间中的唯一位置。 2、运动副分类:包括基础运动副和关联运动副,基础运动副分为低 副(面接触)和高副(点线面接触) ,关联运动副是指一个运动副内 包含 3 个以上零部件或者包含两对低副。 3、运动副的创建方法:装配约束转化法(自动创建和手动创建) 、直 接创建法(不根据静态装配约束,直接利用模型的几何要素创建) 、 构建要素创建法(不便于通过前两者创建的) 、关联运动副(将两个 基础运动副关联或者在其对话框内直接建立两个基础运动副后将其 关联即可) ,在实际操作过程中,可以根据实际情况综合运用各种方 法建立运动仿真需要的运动副。 4、构建要素:所谓构建要素,就是在相关零件上建立或点或线或者 面的要素,建立两者间的滑动或滚动关系。 5、固定件定义:用于为各运动提供基准和参考,是机构运动的必要 条件,一般只有 1 个固定件,其余没有相对运动的零部件均要与其建 立刚性联接。固定件可以在第一步创建,也可以在最后创建,为了观 察自由度 DOF 方便,有时在第一步建立。 6、施加驱动:所有运动副(联接)及固定件创建完成之后,机械装 置剩余多少自由度就必须添加多少驱动, 因为只有当整个装置的自由 度 DOF 变为0后,才具有固定的运动方式,也才可以进行模拟,否则
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计算机不可能进行自我选择。 机构的运动模拟有两种方式,一是通过命令进行模拟的方式,一是采 用法则曲线(程序命令)进行模拟的方式,要是只检验一般的运动效 果,采用命令驱动模拟的方式居多。

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重点——理解各运动副的概念和创建要素
1、旋转运动副:两构建间相对运动为转动,创建要素为两条相合轴 线及两个轴向限制面; 2、棱形副:两构件相对运动为沿着某一条公共直线滑动,创建要素 为分属两个零部件的两条相合直线及与直线平行或者重合的两条相 合平面; 3、圆柱运动副:两个零部件之间既可沿着公共轴线转动,又能像棱 形副一样沿着这一轴线滑动的运动副, 基本要素是分属两零部件的相 合轴线; 4、螺钉副:两零部件之间沿着公共轴线转动,以及沿着这一轴线的 滑动以“螺距”为约束联动的运动副,基本创建要素与圆柱副一样, 为两条分属两零部件的相合轴线; 5、球面副:两零部件之间仅被一公共点或一公共球面约束的多自由 度运动副,可以实现多方向的摆动与转动,创建要素是分属两零部件 的两个相合的点(不能单独驱动) ; 6、平面副:两零部件之间以一个公共的平面为约束,具有除沿平面 法向移动及绕平面坐标轴转动外的 3 个运动自由度, 创建要素是分属 两构建的相合平面(不能单独驱动) 。 以上 6 个运动副属于低副的范畴,构件之间通过面接触。有的运动副 不能单独驱动,必须配合其他运动副一起发挥作用。 以下几个属于点线面接触运动副,属于高副的范畴(不能直接构成驱 动,需配合其他运动副使用) 。
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1、点曲线:两构建之间通过点与曲线的相合而构成的运动副,创建 要素是一个零部件上的一条线及另一运动副构件上与该线相合的一 个点(不能单独驱动) ; 2、滑动曲线:两构件间通过一对相切的曲线,实现互为约束的、切 点速度不为零的运动, 创建要素是分属不同零部件上相切的两条曲线 或者直线与曲线(不能单独驱动) 3、滚动曲线:两构件通过一对相切的曲线,实现互为约束、切点速 度为零的运动, 创建要素是分属不同零部件商的两条曲线或者直线与 曲线(不能单独驱动) ; 4、点曲面:两构件之间通过点与曲面的相合而构成的运动副,创建 要素是运动副一个零部件上的曲面与另一构件上与该曲面处于相合 状态的一个点(不能单独驱动,本身也没有驱动命令) 。 关联运动副包括 U 型接合,CV 接合,齿轮接合,齿轮齿条接合,电 缆接合及刚性结合,除了刚性结合,其他的都是用特定的方式关联旋 转副或者棱形副。 1、U 型接合用于同步关联两条轴线相交的旋转,不依赖相关零部件 的物理连接, 用在不易传动过程为重点的运动机构创建过程中能够简 化结构并减少操作, 创建要素是分属于不同零件上的两条相交轴线或 者已经建立的两个旋转副。 2、CV 接合用于通过中间轴同步关联两个特定位置的两个旋转副。可 以不依赖相关部件的物理连接, 用在不以传动为重点过程的运动机构 建立过程中能够简化结构和操作过程, 创建要素是分属于不同零部件
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上的三轴线,或已建立的三个旋转,基本条件是三条轴线相交并处于 同一平面,且起始端轴线与中间轴线夹角相同。 3、齿轮传动用于以一定比率关联两个旋转运动副, 可以创建平行轴、 交叉轴和相交轴的各种齿轮运动机构, 以正比率关联还可以模拟带传 动和链传动, 创建要素是建立在同一零件或者建立在刚性连接体上的 两旋转运动副。 4、齿轮齿条传动用于以一定比率关联一个旋转和一个棱形运动副, 创建要素是建立在同一零部件上的旋转和棱形运动副或者建立在刚 性连接体上的也可。 5、缆绳接合用于以一定比率关联两个棱形运动副,实现具有一定配 合关系的两个直线运动, 创建要素是统一运动机构中的任意两个棱形 运动副。 基于轴系的运动副其基本原理同以上运动副是一样的, 只是以轴系的 形式定义而已,只要明白其本质,形式只是表面现象而已,在这里关 键是如何创建轴系以及轴系在运动过程中担当的作用。 仿真机构的运行与重放

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基本运行与位置调整
如果数字样机仿真机构中具有多个机械装置(可以具有多个) ,可以 在“机械装置”选项栏中选择不同的机械装置进行模拟。使用命令进 行模拟适用于运动机构完成后对运动情况的基本测试, 不适于作进一 步的运动分析。 位置调整时,单击“运动机构更新”中的
,根据需要选择重置的

方式, 如果要将当前位置设置为初始位置, 可编辑相应命令, “重 选择 置为零” ,则当前位置被设置为初始位置。

基于运动函数的模拟
即将命令以函数的形式表现出来,重点是函数的编制,函数对话框的 操作方法。可以在结构树上编辑命令,引出公式编辑对话框,也可以 直接应用知识工程工具栏中的函数工具, 设定相应命令后引出公式编 辑器。这里,要关注一下,常用命令的编辑格式,熟练后才可编制成 熟的运动公式。

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综合模拟
综合模拟中, 运动模拟对话框中使用命令模拟和使用曲线模拟两种选 项是如何出现的?为什么有的模拟没有? 此部分包括基本模拟以及模拟过程的记录,可以手动亦可以自动,插 入越多图片,则记录越精细。 3.1 教程中出现了一个多驱动手动控制的机械手夹持工件的运动

机构,第一种方法为手动控制,对多个动作命令分别添加相应的命令 控制指令,在综合模拟模块,设置好相应动作后,在编辑模拟对话框 中插入该动作步骤,所有动作完成后点击“OK” ,添加重放功能即 可观看机构的运动模拟动画。

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当然,除了手动输入动作外,还可用程序控制机械手的运行。设置关 联运动的时候,可以编辑一个命令的公式,使其与需要关联的运动命 令相等即可。 编制程序: start→knowledge advisor→工 具栏中的rule→命名确定,在规则编辑器文本框中输入程序即 可,这里对程序的格式要有一定的要求。编辑完成后单击确定,则l aws下生成rule1。程序控制与运动函数一样,通过“使用法 则曲线进行模拟” 。 模拟记录查看:可以在结构树中选择查看,也可以在工具栏中综合模 拟中查看,不过在结构树中选择时编辑模拟对话框是激活的。若选择 “动画视点”复选框,除播放机构的运动过程外,还附带有模拟记录 过程时对机构的视点操作,此时鼠标对机构的控制就无效了。 3.2 模拟编辑与重放 “重放 replay” 是在已有模拟的基础上, catia 环境中转换为 在

视频段的形式并记录在结构树上,可简化查看程序,在运动分析时可 代替模拟成为分析目标,提高计算机运算速度。在制作时如选中动画 视点复选框,则会记录动画视点,重放事也会显示出来。生成重放或 者动画文件的操作很简单,这里就不再赘述。

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序列编辑与重放
对于结构树上有多个“模拟”的运动机构,使用序列设置可以编排模 拟的播放顺序,用于多种运动状态的连续观察与功能展示。在一般动 画工具栏中选中 ,即可打开序列编辑对话框,对照相应的顺序,

根据需要对号入座即可,完成后点击确定“OK” ,在结构树上生成 sequence 节点。需要播放时,双击该选项或者用一般播放器均可。

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基于运动仿真的数字样机分析 机械装置分析
,对话框会显示运动机构相关信息,如下图

在列表中选中任意运动副时,相关的零件均会高亮显示,当选中复选 框接合可视化时,在图形中会以箭头形式显示运动状况,便于分析与 观察复杂运动机构运动副的构成情况;点击 save 按钮,信息会以表 格的形式记录下来;点击 Laws,可以显示出运动函数规定的驱动命 令以时间为变量的变化规律。

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运动副运动规律的查看与保存

各功能在视图窗口可以选择。

运动参数测量
运动参数测量,这里主要是速度与加速度 的测量,首先要设置需

测量要素上的参考点,而后在相对运动部件上设置参考轴系,放置传 感器后通过模拟运动,激活传感器,在传感器对话框中选择需要观察 的参数,查看完成后也可以保存数据。如下图所示:

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机构运动轨迹分析
运动轨迹分析基于运动机构驱动命令的运动函数、 动作程序或者结构 树上生成的重放。 设置好模拟运动的参数(时间和步骤)后,点开轨迹 trace 框,如下图所示 对话

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目标可以是基于运动机构的重放,也可以是机械机构。需要描绘轨迹 的元素可以是单一元素 (单一轨迹) 也可以是多个元素 , (合成轨迹) , 然后选择参考体(测量元素相对于某个部件需要作出轨迹) ,设置步 骤数(一般是固定的) ,最后是轨迹目标,即轨迹的几何图形集是生 成在参考部件下还是以新的零件名称单独生成。

扫掠包络体
扫掠包络体功能可描绘机构运动部件几何体在整个运动过程中所扫 掠的空间范围,用于运动区域观察、外壳设计或干涉的检查,基本要 求是结构树上具有有效的运动函数、程序或重放。

选择项中可以选择机械装置或者重放作为扫掠基础,默认情况下,系 统将除固定件外所有部件作为扫掠体, 参考元素默认为固定件, 当然,

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都可以自行选择。设置过滤精度后单击预览,即可生成相应的扫掠描 述,由于计算机配置、扫掠精度、扫描件数量,结果出来的速度会有 所不同。若勾选简化结果复选框,则扫掠结果的显示会有区别。

空间分析
1、干涉与碰撞 动态检测 在 DMU 一般动画模式下,选择使用法则;在 DMU 一般动画碰撞模式工 具栏中选择检测模式,如“碰撞检测停止” ,然后进行模拟,当

两部件接触时,机构运动会停止,且碰撞区域的轮廓线突出显示,若 只设置“碰撞检测打开” ,机构运动不会停止,仅仅显示碰撞轮廓线。 此工具也可以在传感器对话框中激活。 静态检测 检测设置

类型下拉框中包含 4 种类型 1、接触+碰撞(contact+clash) :检查干涉和接触; 2、间隙+接触+碰撞(clearance+contact+clash) :检查干涉和接触 的同时检测两对象间的最小距离是否超过规定值;

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3、已授权的贯通(authorized penetration) :允许产生用户给定的 渗透深度而不报告为干涉; 4、碰撞规则(clash rules) :基于知识工程而编制的规则进行干涉 检查。 在选择范围内也有几种选项,用户可以根据自己需要进行选择,确定 需要检测的零部件的范围,然后查看结果即可。 2、距离与区域分析 类型对话框中有 4 种选择,分别是 1、最小值(Minimum) :测量两零部件间的最小距离 2、沿 X(along X) :沿罗盘 X 轴方向测量间距 3、沿 Y(along Y) :沿罗盘 Y 轴方向测量间距 4、沿 Z(along Z) :沿罗盘 Z 轴方向测量间距 5、区域分析(band analysis) :根据设定的距离范围和精度测量零 部件间的位置, 并以不同的颜色显示用户规定的最短距离和处于规定 范围内的区域。 同样选择范围内也有不同的选项可供用户自由选择。 距离可随着机构运动不同位置而更新, 但是必须在机构运动停止后才 会自动更新。注意:预览区域仅显示被选中零部件及它们之间的分析 结果,对于复杂的运动机构来说,这无疑更加清晰明了地显示了要分 析部件的关系。

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