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1、实验五产品的装配与运动仿真一、实验目的1. 了解产品及数据组织结构的基本知识；2. 了解产品装配的原理与过程；3. 掌握产品装配的数据保存方法与格式；4. 掌握运动仿真的基本原理；5. 了解常见运动副的类型和要素；6. 掌握运动仿真的必要条件、参数与仿真方法；7. 了解运动仿真的常用用途、在工程分析中的地位。二、实验内容1. 教师讲解产品组成及零件间的约束；2. 通过示例演示产品自零件设计到装配的过程，3. 讲解演示装配约束类型，以及数据保存的方法；4. 分析产品实例，定义零件及其间装配关系；5. 讲解产品仿真的分类、及运动仿真的基本原理；6. 通过示例演示产品的运动副定义及形成运动仿真的过程
2、；7. 通过产品实例分析，定义零件间的运动关系与运动副，构成运动仿真。三、实验设备1. 硬件：海信图形工作站；2. 软件：操作系统 Windows XP 或 Windows 2000；CATIA V5R14四、实验概述1.产品的装配1）产品的装配概述产品通常由多个零件组成，因产品的复杂程度而异，其组成的产品数量和装配关 系都不尽相同。产品的装配是指将零件按照其实际装配中的机械约束关系，定义特定的装配约束 关系，从而将单个的零件组合起来，最终构建完整的产品，表达真实产品的形态，并 为后续的运动仿真、分析、ERP等工作提供数据。如实验图5-1中所示为产品（引擎机构）装配后的状态。实验图5-2中所示
3、为将 产品中的所有零件按爆炸视图绘制后的情况。种:实验图5-1装配后的产品实验图5-2产品爆炸图2）装配约束及类型以CATIA为例，按零件、部件间不同的装配关系，装配约束通常可以分为如下几实验表5-1常用的装配约束类型序号图标约束名称及应用场合1醪重合（Coinciden ce）约束；用于定义孔、轴的同心、工件表面的对齐等场合2贴合（Contact）约束；用于定义工件表面、棱边等的（贴合）接触；3萨偏置（Offset）约束；用于定义工件表面之间有一定特定偏置距离的场合；4角度（Angle）约束；用于定义工件表面之间成一定角度的夹角；5固定（Fix）约束；定义装配机构中的某个零件定义为不可运动；
4、6固定组合（Fix Components Together）约束；用于固定装配中两个零件之间的相对位置；3）实例:现以某机构的装配为例，需要在CATIA中完成从开始装配到定义约束，最终完成 数据保存输出的过程。事先已经完成组成机构的三个零件设计，保存在计算机中，文件名分别为零件一: CRIC_FRAME.CATPart、零件二：CRIC_BRANCH_1.CATPart、零件三： CRIC_BRANCH_2.CATPart。形状与文件名如实验图5-3所示：零件一零件二实验图5-3零件图零件三（1）启动CATIA，进入装配设计模块双击桌面上的CATIA图标待 CATIA 启动完成后，依次点击 S
5、tarts Mechanical Design Assembly Design，进一3 一入装配设计模块(实验图5-4)。实验图5-4启动装配模块(2) 调入零件依次点击Insert Existing Component，在弹出的文件选择对话框中选择第零件 一(CRIC_FRAME.CATPart)。重复上述步骤，将零件二、零件三(CRIC_BRANCH_1.CATPart、CRIC_BRANCH_2.CATPart)也分别调入，结果如实验图5-5所示。实验图5-5调入后的零件(3) 约束分析与添加如实验图5-6所示，根据机械装配关系，零件一与零件三之间应该有如下的约束 关系：a、孔轴同轴；b
6、、侧面面贴合；实验图5-6零件一和零件三之间的约束分析点击碑，然后分别选择零件一的轴，和零件三的孔，以施加同轴约束；再点击，分别点击零件一和零件三相应表面，施加贴合约束。约束定义完成后，零件间的位置不会马上变化，需要点击“Edit3Update”或姓图标，零件才会更新为新的位置。零件二和零件三之间的情况类似。添加完约束后，产品定义完毕，如实验图5-7 所示。图5-7装配结果（4）保存产品数据依次点击FileSave Management.，将所有的文件保存到同一目录中。2.机构的运动仿真1）机构的运动仿真概述本实验中所说的机构的运动与仿真，属于机械系统的运动学分析，主要针对系统 及其各构件的运
7、动分析，一般不考虑驱动力的影响。根据已知构件之间的运动关系， 通过定义机架、运动副定义零件间的传动关系，通过求解位置的非线性方程组和速度、 加速度的非线性方程组，分析整体机构运动的可能性，空间运动范围，求解其余构件 的位置、速度和加速度与时间的关系。以在设计阶段观察产品机构的运动及空间干涉 等情况，并校验设计过程中的机构、运动副是否合理。2）机械传动中自由度及运动副类型（1）自由度单个零件的自由度，为在笛卡儿坐标系中沿X、Y、Z三轴的移动和绕三轴的旋 转；而对于机构，机械系统的自由度表示机械系统中各构件相对于地面机架所具有的 独立运动数量。机械系统的自由度与构成机械的构件数量、运动副的类型和数
8、量、原动机的类型 和数量、以及其他约束条件有关。机械系统的自由度（DOF）可以用下式计算：DOF = 6n _&. q. 一&*其中：n：活动构件总数；P，m：第i个运动副的约束条件数，运动副总数；qj，X：第j个原动机的驱动约束条件数，原动机总数；R其他的约束条件数如果将系统中的驱动输入（如电机轴）作为对某个自由度的约束，当系统中自由 度DOF为0时，系统属于本实验所讨论的运动学分析。（2）运动副类型、输入条件及约束自由度数量下面以对常见的运动副类型、输入条件及运动副定义后剩余的自由度数量进行说 明（试验表5-2）：试验表5-2常见的运动副类型及剩余自由度数量序 号装配（运动副）类型剩余自由
9、度1带止推端面 的旋转副1旋转2滑槽滑轨1平移序 号装配（运动副）类型剩余自由度3孔轴配合1旋转1移动4球头连接3个旋转序 号装配（运动副）类型剩余自由度5平面接触廖2移动1旋转6刚性连接3无7滚动啮合曲 线1旋转1移动8滑动曲线2旋转1移动9点对曲线3旋转1移动10点对曲面.拓2移动3旋转序 号装配（运动副）类型剩余自由度11U形连接（万 向节）1旋转12齿轮啮合1旋转13齿轮齿条盥1旋转或1移动14系索传动1移动15螺旋传动1旋转或1移动16CV连接无3）实例:在此以上完成装配的机构定义运动仿真来说明:（1）进入工作模块双击桌面上的CATIA图标待 CATIA 启动完成后，依次点击 Sta
10、rts Digital Mockup3DMU Kinematics，进 入运动仿真模块（实验图5-8）。实验图5-8启动运动仿真模块（2）调入产品文件调入方法和产品装配中相同，零件数据文件在上述装配例子中，增加了零件四、 零件五及零件六。（实验图5-9）实验图5-8调入的产品模型零件一和零件二:零件二和零件三:零件三和零件六:零件二和零件五:零件三和零件五:（3）机构分析、定义机构和运动副a、机构分析该机构为一可伸缩支架。零件四和零件五之间为丝杠螺母传动，零件四的轴向位 置固定，当零件四（螺杆）旋转时，驱动零件五（螺母）沿零件四移动，从而使得零 件二和零件三组成的曲臂伸展或屈曲，最终转化为支架
11、上方零件六的上下运动。b、定义机构整个机构中只有一个动力源输入（零件四的转动）和一个输出（零件六）的上下 运动，故机构只有一个，下属为若干个运动副；c、运动副定义由零件之间的机械装配关系，以及自由度的限定，可以判定各零件之间的主要的 运动副列表： 带止推端面的旋转副凰； 带止推端面的旋转副建 带止推端面的旋转副建 孔轴配合带止推端面的旋转副建零件四和零件五：螺旋传动:最终，定义结果如实验图5-9。实验图5-9运动副定义结果（4）定义驱动源和机架并定义零件一为固定的机架；定义驱动来源为零件四螺杆的旋转，且零件四螺杆与机架的轴向位置为定值；（5）分析与运动仿真点击Analysis3Mechanis
12、m3Analysis，分析结果如下，当前系统中共有10个机构，一个驱动源，在驱动状态下的系统自由度为1，可以进行运动仿真（实验图5-10）。实验图5-10机构运动副分析结果随后点击Simulation With Commands奇 图标，即可实现产品的机构的运动仿真（实验图5-11）。a）初始位置b）中间状态c）最终状态实验图5-11仿真运动结果五、实验操作步骤：1. 试分析C形夹（实验图5-12）机构中零件之间的装配关系，分析零件之间的 装配关系，定义必要的装配约束，完成装配，并保存数据文件：实验图5-12 C形夹机构2. 有机构如上实验图所示，试分析零件之间的运动副及运动关系，对产品添加 必要的运动副，实现运动仿真：六、思考题：1. CAD产品的装配相对于传统的图板平面绘图设计有什么优点？CAD产品装配对 于实际工程应用，可以有什么用处？2. 产品的运动仿真在实际工程产品设计中，有什么作用和实际意义？七、实验报告实验名称班级 姓名 学号1. 实验目的2. 实验内容3. 产品的装配的用途与基本原理4. 产品的运动仿真基本原理与用途5. 工件图纸、分析结果6. 实验步骤7. 思考题
