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计算机对于进行机械机构运动的探析
摘要：随着运动模拟和分析软件取得稳步发展，将其作为完全集成的设计验证要素，在产品开发流程中进行运用的条件已经成熟。而且运用设计软件进行运动分析和模拟在成功开发产品过程中起着重要作用，所以掌握用计算机进行机械机构运动分析方法非常必要。本文系统的分析了运动模拟的内容、求解方法和实施步骤。
关键词：机构运动分析；计算机辅助分析；运动仿真
[Abstract]
As the steady development of motion simulation and analysis softwares, terms for application of the motion simulation and analysis as a complete integration design and verification element during the product development flow are matured. And that the utilization of the design softwares in motion analysis and simulation plays an important role in sucessful product development, so it is of great importance to master the ways to do mechanism motion analysis by computer. This paper gives a systematic analysis on the motion simulation content, solving methods and actualizing approaches.
Key words:
mechanism motion analysis computer-aided analysis, (CAA); motion simulation
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1672—545X（2007）02— —
随着计算机技术的发展，高质量运动模拟和分析软件目前的价格已经很低，操作也很方便，使得计算机辅助分析得到广泛应用。而运用计算机及分析软件对机械运动机构进行机构运动分析、模拟是产品设计开发的重要环节。
1. 运动分析的内容
在三维设计环境中为了进行产品的模拟装配以获得整机或部件的三维实体，必须建立充分而完整的设计数据库，设计数据库的数据来源于产品质量特性、各种载荷等因素的运动分析，因此我们需做如下工作：
1.1 进行自由度检查，确定机构自由度，检查机构是否存在过约束等问题。
1.2 进行干涉检查，确定机构在运动过程中是否会发生碰撞，以及碰撞发生的位置和时间。
1.3 确定各部件的运动参数：我们可以得到机构中任意点的位置、速度和加速度及其与时间的关系。
1.4 提取数据以供其它软件作进一步分析。例如：我们可以将某一时刻机构的受力情况、运动速度和加速度输入到有限元分析软件中作强度校核。
1.5 生成准确的机构动画以供演示。与一般动画工具做出的结果比较，运动分析产生的结果真实的反映了机构的速度和加速度。
值得一提的是，运动分析是可参数化的。这意味着设计人员可随时调整设计参数以达到预期的设计要求。
2. 运动分析的方法和步骤
2.1 利用通用的模拟和分析软件进行分析
大型的三维设计软件（如PTC、Solidworks、Inventor等）都带有运动分析模块，一般都可以满足运动分析的要求，其分析步骤也基本相同，现以Inventor为例讲述它的一般分析步骤：
2.1.1 创建模型
a) 建立机构各零件的三维模型，设定零件的质量特性以便得到正确的分析结果。
b) 如图1装配各零件。
图 1
如图装配一个双气缸推举重物的机构
c) 定义零件之间的连接，加载力，并设置相关物理量。
图 2
定义好各部件之间的连接。
为使模型简化以加快计算速度，可去除与运动无关的零件，没有相对运动的零件可合并成一个零件。
2.1.2 检查模型
检查构件的自由度，拖动组件，检验所定义的连接是否能产生预期的运动。多余的自由度和过渡约束，都是不合理的。
图 3
在Inventor中可快速修复自由度冗余。
2.1.3 "}%li'\m5t加入运动分析要素
这一步中需设定机构所受的力和力矩等因素。在多数软件中，力和力矩可以是一个常量，也可以是一个随时间变化的函数。
图 4 图 5
定义重力，气缸推力。
还可设置气缸行程末端的接触阻尼，各件之间的磨擦。
2.1.4 准备分析：
a) 定义初始位置。
b) 创建测量点。
c) 指定干涉检查的零件集。
2.1.5 分析模型：
确定一切设置无误，运行。
2.1.6 0S'\(T ?'Vf,] CAD/CAM/CAE综合资讯网站论坛结果获得：
结果回放，干涉检查，查看测量结果，创建轨迹曲线，创建运动包络。
图 6 图 7
由于重物中心位置靠近右边的气缸，所以左边气缸速度较快。重物倾斜开始滑动。
图 8 图 9
最后两面三刀气缸均到达最高位置，重物在磨擦力作用下停止。从生成的重物加速度图上可以清楚的看出这一过程。
2.2 通过编程实现运动分析
虽然目前的运动分析功能已经很强，完全能满足大部分运动分析的要求，但它不是万能的。对于一些特殊情况，它就起不了作用。比如，它不支持与运动速度相关的阻力，不支持零件在运动中的变形。有时通过结合有限元分析也能解决，但更好的方法则是针对一类特殊的机构设计一个程序做专门的分析。
2.2.1 建立机构的数学模型
a) 收集机构中各零件的数据（如质量、质心、转动惯量等）和载荷。
b) 做出机构运动简图，确定几何关系和运动关系。
c) 依据几何关系和力学关系建立求解方程。
d) 简化方程。
2.2.2 转化数学模型
将简化后的方程转化为计算机可以求解的算法。这一过程应充分考虑算法的精度和复杂度，并使得其具有一定的通用性。
2.2.3 加入程序界面以够成一个完整的系统，确保其能方便的操作。
3. 结论
根据以上阐述可以看出
3.1 对于一般的运动分析问题利用已有的通用软件就能满足设计要求，并且它直观、形象、易于操作、同期短。
3.2 针对一类特定的运动分析问题，为了更准确的反映运动的实际情况，专门设计一个软件进行分析也是可行的。由于在程序设计过程中，排除了一些无关因素，只针对我们关心的问题进行求解，可以使程序开发周期大大缩短。对于长线产品不失为一种好方法。
参考文献
1胡小康《UG NX2运动分析培训教程》[M]，清华大学出版社 出版时间：2005年1月
2二代龙震工作室《Pro/MECHANICA Wildfire2.0机构/运动/结构/热力分析》[M] 电子工业出版社 出版时间：2006年1月
关键词：机构运动分析；计算机辅助分析；运动仿真
[Abstract]
As the steady development of motion simulation and analysis softwares, terms for application of the motion simulation and analysis as a complete integration design and verification element during the product development flow are matured. And that the utilization of the design softwares in motion analysis and simulation plays an important role in sucessful product development, so it is of great importance to master the ways to do mechanism motion analysis by computer. This paper gives a systematic analysis on the motion simulation content, solving methods and actualizing approaches.
Key words:
mechanism motion analysis computer-aided analysis, (CAA); motion simulation
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1672—545X（2007）02— —
随着计算机技术的发展，高质量运动模拟和分析软件目前的价格已经很低，操作也很方便，使得计算机辅助分析得到广泛应用。而运用计算机及分析软件对机械运动机构进行机构运动分析、模拟是产品设计开发的重要环节。
1. 运动分析的内容
在三维设计环境中为了进行产品的模拟装配以获得整机或部件的三维实体，必须建立充分而完整的设计数据库，设计数据库的数据来源于产品质量特性、各种载荷等因素的运动分析，因此我们需做如下工作：
1.1 进行自由度检查，确定机构自由度，检查机构是否存在过约束等问题。
1.2 进行干涉检查，确定机构在运动过程中是否会发生碰撞，以及碰撞发生的位置和时间。
1.3 确定各部件的运动参数：我们可以得到机构中任意点的位置、速度和加速度及其与时间的关系。
1.4 提取数据以供其它软件作进一步分析。例如：我们可以将某一时刻机构的受力情况、运动速度和加速度输入到有限元分析软件中作强度校核。
1.5 生成准确的机构动画以供演示。与一般动画工具做出的结果比较，运动分析产生的结果真实的反映了机构的速度和加速度。
值得一提的是，运动分析是可参数化的。这意味着设计人员可随时调整设计参数以达到预期的设计要求。
2. 运动分析的方法和步骤
2.1 利用通用的模拟和分析软件进行分析
大型的三维设计软件（如PTC、Solidworks、Inventor等）都带有运动分析模块，一般都可以满足运动分析的要求，其分析步骤也基本相同，现以Inventor为例讲述它的一般分析步骤：
2.1.1 创建模型
a) 建立机构各零件的三维模型，设定零件的质量特性以便得到正确的分析结果。
b) 如图1装配各零件。
图 1
如图装配一个双气缸推举重物的机构
c) 定义零件之间的连接，加载力，并设置相关物理量。
图 2
定义好各部件之间的连接。
为使模型简化以加快计算速度，可去除与运动无关的零件，没有相对运动的零件可合并成一个零件。
2.1.2 检查模型
检查构件的自由度，拖动组件，检验所定义的连接是否能产生预期的运动。多余的自由度和过渡约束，都是不合理的。
图 3
在Inventor中可快速修复自由度冗余。
2.1.3 "}%li'\m5t加入运动分析要素
这一步中需设定机构所受的力和力矩等因素。在多数软件中，力和力矩可以是一个常量，也可以是一个随时间变化的函数。
图 4 图 5
定义重力，气缸推力。
还可设置气缸行程末端的接触阻尼，各件之间的磨擦。
2.1.4 准备分析：
a) 定义初始位置。
b) 创建测量点。
c) 指定干涉检查的零件集。
2.1.5 分析模型：
确定一切设置无误，运行。
2.1.6 0S'\(T ?'Vf,] CAD/CAM/CAE综合资讯网站论坛结果获得：
结果回放，干涉检查，查看测量结果，创建轨迹曲线，创建运动包络。
图 6 图 7
由于重物中心位置靠近右边的气缸，所以左边气缸速度较快。重物倾斜开始滑动。
图 8 图 9
最后两面三刀气缸均到达最高位置，重物在磨擦力作用下停止。从生成的重物加速度图上可以清楚的看出这一过程。
2.2 通过编程实现运动分析
虽然目前的运动分析功能已经很强，完全能满足大部分运动分析的要求，但它不是万能的。对于一些特殊情况，它就起不了作用。比如，它不支持与运动速度相关的阻力，不支持零件在运动中的变形。有时通过结合有限元分析也能解决，但更好的方法则是针对一类特殊的机构设计一个程序做专门的分析。
2.2.1 建立机构的数学模型
a) 收集机构中各零件的数据（如质量、质心、转动惯量等）和载荷。
b) 做出机构运动简图，确定几何关系和运动关系。
c) 依据几何关系和力学关系建立求解方程。
d) 简化方程。
2.2.2 转化数学模型
将简化后的方程转化为计算机可以求解的算法。这一过程应充分考虑算法的精度和复杂度，并使得其具有一定的通用性。
2.2.3 加入程序界面以够成一个完整的系统，确保其能方便的操作。
3. 结论
根据以上阐述可以看出
3.1 对于一般的运动分析问题利用已有的通用软件就能满足设计要求，并且它直观、形象、易于操作、同期短。
3.2 针对一类特定的运动分析问题，为了更准确的反映运动的实际情况，专门设计一个软件进行分析也是可行的。由于在程序设计过程中，排除了一些无关因素，只针对我们关心的问题进行求解，可以使程序开发周期大大缩短。对于长线产品不失为一种好方法。
参考文献
1胡小康《UG NX2运动分析培训教程》[M]，清华大学出版社 出版时间：2005年1月
2二代龙震工作室《Pro/MECHANICA Wildfire2.0机构/运动/结构/热力分析》[M] 电子工业出版社 出版时间：2006年1月
