图3—13 销钉约束

在“元件放置（Component Placement）”操控板中单击“放置（Placement）”上滑面板，单击该上滑面板中的“新设置（New Set）”，然后在对话栏中单击“预定义集（Predefine Set）”列表，在列表中选择“滑动杆（Slider）”选项，设置如图3—14所示的约束。单击（确认）按钮，完成滑块的放置，如图3—15所示。

图3—14 滑动杆约束图 3—15 滑块的放置

3.4 本章小结

本章首先就Pro/E软件进行了简单的介绍，然后又对沟槽凸轮机构进行了简单的分析，最后进行机构部零件的实体建模和装配。

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4 凸轮机构的运动仿真

4.1 计算机仿真概述

4.1.1 计算机仿真的基本概念及特点

计算机仿真(Computer Simulation)是指对于某个待研究的系统模型建立其仿真模型进而在子计算机上对该仿真模型进行模拟实验(仿真实验)研究的过程。所以计算机仿真是通过对系统模型的实验去研究一个真实系统。从20世纪80年代后期开始，计算机仿真在诸多方面都发生了十分重大的转变：仿真研究的对象己由对连续系统转向离散事件系统；由重视实验转向重视建模与结果分析：由强调并重视与人工智能结合转向强调与图形技术和对象技术结合，使仿真的交互性大大增强。就应用领域方面而言，计算机仿真己由航空航天转向制造业，并从研究制造对象(产品)的动力学、运动学特性及加工、装配过程，扩大到研究制造系统的设计和运行，并进一步扩大到后勤供应、库存管理、产品开发过程的组织、产品测试等，涉及到企业制造活动的各个方面。现代制造的分布性也使得计算机仿真与网络技术相结合，出现了分布式仿真技术。计算机仿真技术集成了计算机技术、网络技术、图形图像技术、面向对象技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。计算机仿真技术还有以下几个优点：

（1）模型参数任意调整：模型参数可根据要求通过计算机程序随时进行调整、修改或补充，使人们能掌握各种可能的仿真结果，为进一步完善研究方案提供了极大的方便。这使得计算机仿真与通常的实物实验相比，具有运行费用低、无风险以及方便灵活等优点。

（2）系统模型快速求解：利用计算机，在较短时间内就能知道仿真运算的结果(数据或图像)。

（3）运算结果可靠：只要系统模型、仿真模型和仿真程序是科学合理的，那么计算机的运算结果一定是准确无误的。

正是基于这些优点，计算机仿真方法能优化系统设计，降低实验成本，减少失败风险，提高预测能力。目前，无论在科学研究还是技术开发或工业设计中，计算机仿真方法都显示出强大的威力，已成为人们研究复杂系统时不可或缺的一种手段。

4.1.2 计算机仿真技术在制造业中的应用

计算机仿真技术作为一门新兴的高科技技术，在制造业产品设计和制造，

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尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，一直是不可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大的作用。在从产品的设计、制造至测试维护的整个生命周期中，计算机仿真技术贯穿始终。

（1）虚拟制造(VM)

虚拟制造采用计算机虚拟仿真技术，以新产品及其制造系统的全局最优化为目标，通过仿真模型，在计算机上仿真生产全过程，实现产品的工艺规程、加工制造、装配和调试，预估产品的功能、性能和加工性等方面可能存在的问题，从而更加有效地组织生产，增强决策与控制水平，缩短产品开发周期，提高产品质量。目前虚拟制造技术的研究和应用主要侧重于运动仿真、加工模拟、装配检查、性能评测等方面，其核心技术包括虚拟现实技术、仿真技术、建模技术和可制造性评价。

（2）虚拟产品开发(VPD)

虚拟产品开发是实际产品开发过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验等。

（3）虚拟样机

虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。虚拟样机技术采用了计算机仿真与虚拟技术，在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中，实现产品的仿真、分析。虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程当中，它可以用在概念设计和方案论证中。

用虚拟样机来代替物理样机验证设计时，不但可以提高产品设计质量和效率，而且大幅度地缩短产品研制周期和费用。

4.2 Pro/E运动仿真简介

4.2.1 Pro/E运动仿真的特点

在Pro/E中，我们可以通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来，以实现机构的运动仿真。而机构又是由构件组合而成的，其中每个构件都是以一定的方式至少与另一个构件相连接，这种连接既使两个构件直接接触，又使两个构件产生一定的相对运动。创建机构的过程与零件装配的过程极为相似。与其他的软件相比较，用Pro/E做运动仿真的主要特点如下：

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（1）运动输入

运动输入(Motion Input)是赋给运动副控制运动的运动副参数。当创建或编辑调用一个运动副时，就会弹出运动驱动对话框。使用者可以根据需要选择无运动驱动、运动函数、恒定运动、简谐运动驱动以及关节运动驱动等5种可能的运动驱动中的一种。

（2）关节运动分析

当使用者只需要了解某一关节的运动情况时，可以选择分析工具条中的关节运动分析图标，并输入步长和步数进行分析。

（3）静力学分析

静力学分析(Static Analysis)将模型移动到平衡位置，并输入运动副上的反作用力。当选择静力学分析后，时间和步数的输入项将不可选。

（4）机构运动学/机构动力学分析

机构运动学/机构动力学分析(Kinematic/Dynamci Analysis)按输入的时间和步数进行仿真分析。时间值代表运动分析模型所分析的时间段内的时间，步数值代表在此时间段内分几个瞬态位置进行分析或显示。

（5）设计位置和装配位置

模型的装配位置可能不同于模型的设计位置。装配位置与设计位置的区别是:装配位置是在装配机构时产生的，与使用者装配时所选取的配合面有关；而设计位置是使用者在运动仿真前人为设置的，使用者可以根据需要进行设定或者调节设计位置。

（6）多种形式输出

Pro/E运动仿真的结果可以以多种格式进行输出，这些形式主要有MPEG、Animated GFI以及VRML等。

（7）预测工程和工程判断准则

Pro/E的运动分析模块是用于预测工程的应用软件。就是说，在许多情况下，在机构进行生产前或者说在机构真正生产出来前，用该软件预测机构的运动特性，即它类似于有限元分析Pro/E有限元分析模块)和注塑流动分析(Pro/E塑料零件分析顾问模块)。这些预测都是基于非常复杂的数学理论以及公认的物理和工程原理。

4.2.2 Pro/E运动仿真的基本术语

在机构运动仿真过程中经常会用到以下的基本术语：

（1）放置约束：件中放置元件并限制该元件是否运动的图元。

（2）自由度：构件所具有的独立运动的数目(或是确定构件位置所需要的独立参变量的数目)称为构件的自由度。

（3）主体：元件或相对不动的一组元件。

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（4）连接：成为联接。它是定义并限制相对运动的构件的关系。联接的作用是约束构件之间的相对运动，减少机构的总自由度。

（5）环连接：加到运动环中的最后一个连接。

（6）接头：连接类型，例如:销连接、滑块杆连接等。乃基础:即大地或者机架，它是一个固定不移动的零件。其他构件相对于基础运动。在一个运动仿真机构中，可以定义多个基础。

（7）运动：从驱动器的构件运动方式。 （8）拖动：鼠标点取并在屏幕上移动机构。

（9）驱动器：义一个构件相对于另一个构件的运动方式。可以在接头或几何图元上放置驱动器，并指定构件之间的位置、速度或加速度运动。

（10）回放：录并重新演示机构运动。 4.2.3 Pro/E运动仿真的步骤

Pro/E运动仿真的步骤的流程图：

4.3 凸轮机构的运动仿真

4.3.1 设置机构环境

依次单击主菜单中的“应用程序（Applications）”→“机构（Mechanism）”命令，进入机构运动仿真环境，进行机构环境的设置。

（1）定义凸轮机构连接

单击工具栏中的（凸轮）工具，系统弹出“凸轮从动机构连接定义（Cam-Follower Connection Definition）”对话框，在“凸轮1（Cam1）”选项卡中钩选“自动选取（Auto select）”复选框，如图4—1所示。

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