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...................................................................................................................................................................................... 1 细节分析 .............................................................................................................................................................................. 2 运动仿真的流程 .................................................................................................................................................................. 2 相关概念 .............................................................................................................................................................................. 3 重点——理解各运动副的概念和创建要素 ...................................................................................................................... 4 基本运行与位置调整 .......................................................................................................................................................... 6 基于运动函数的模拟 .......................................................................................................................................................... 7 综合模拟 .............................................................................................................................................................................. 7 序列编辑与重放 .................................................................................................................................................................. 9 基于运动仿真的数字样机分析 .......................................................................................................................................... 9
机械装置分析 .............................................................................................................................................................. 9 运动副运动规律的查看与保存 ................................................................................................................................ 10 运动参数测量 ............................................................................................................................................................ 11 机构运动轨迹分析 .................................................................................................................................................... 12 扫掠包络体 ................................................................................................................................................................ 13 空间分析 .................................................................................................................................................................... 14
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
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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
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。
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
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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。
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。
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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。
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）。
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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）。
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。
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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
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
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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，选择“重置为零”，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。
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ｌａｗｓ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。
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3.2 模拟编辑与重放
“重放replay”是在已有模拟的基础上，在catia环境中转换为视频段的形式并
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。
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。
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
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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。
运动副运动规律的查看与保存
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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对话框，如下图所示
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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，都可以自行选择。设置过滤精度后
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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
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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；
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
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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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