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1、第一章绪论1.1虚拟样机技术简介虚拟样机技术(Virtual Prototyping, VP)是一门综合多学科的技术。该技 术以机械系统运动学，动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技 术和基于图形的用户界面技术，以及广泛应用网络技术、计算机技术、信息技术、 集成技术等，将产品的设计开发和分析过程集成在一起，把虚拟技术与仿真方法 相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法，可以显著的提高设计质量、 降低开发成本，极大地提高企业地创新能力、竞争能力和经济效益。虚拟样机技术是通过一个统一的实体数字化模型并与产品开发技术集成为 三维的，动态的仿真过程。应用虚拟样机技术，可以产品的使设计者
2、、使用者和 制造者在整个系统研制的早期，在虚拟环境中直观形象地对虚拟的产品原型进行 设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，这对启迪设计创新、提高设计质量、 减少设计错误、加快产品开发周期有重要意义。虚拟样机技术在设计的初级阶 段概念设计阶段就可以对产品进行完整的分析，可以观察并试验各组成部 件的相互运动情况。使用仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，它 可以在计算机上方便的修改设计缺陷，仿真实验不同的设计方案，对整个系统不 断改进，直至获得最优设计方案。由于虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映 实际系统的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性，借助于这项 技术，设计师可以在
3、计算机上建立产品的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在 真实环境下系统的运动和运动特性，并根据仿真结果精化和优化系统。1.2虚拟样机技术国内外的现状综述虚拟样机技术是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一 种计算机辅助工程(CAE)技术。其研究和应用迅速得到许多研究机构及软件供应 商的重视。随着近代科学技术的发展，工程设计的理论、方法和手段都发生了巨 大变化。特别是近30年来，工程设计手段的先进与否、数字化程度的高低，在 很大程度上决定了产品设计开发的周期、质量和成本。CAD技术是计算机应用于 工程设计中最早和最成功的典范，它将设计人员从枯燥的重复劳动中解放出来， 为设计人员将更
4、多的时间和精力用于创造性的工作提供了条件。虚拟设计技术在 工程设计过程中的应用，再次极大地改进了产品的设计手段，它可以帮助设计人 员分析机械系统零部件的结构强度、刚度、热特性和动态特性，不但进一步推动 了 CAD技术在各行业的应用，而且解决了许多以前难以处理的工程问题。日前，国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较有影响的有美国机 械动力公司的ADAMS,德国航天局的SIMPACK,美国EDS公司的UG、-Deas等等。 美国VPI公司目前已经开发出了商业性的虚拟样机系统，在国防、航空、航大等 领域得到广泛的应用。虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等 己得到一泛的应用，应用领
5、域从汽车制造业、土程机械、航空航大业、造船业、 机械电子土业、国防土业、通用机械到人机土程学、生物力学、医学以及土程齐 询等很多方面。国内虚拟样机技术的应用研究刚刚开始，一些大学和科研院所正在进行这 一方面的土作，主要是对虚拟样机概念和结构的研究，对虚拟样机要求的相关技 术如数据库技术、CAD/CAM技术、网络技术、分布交互仿真技术等己有一定的基 础。如将虚拟样机技术应用十航空发动机、武器装备、机械系统等方面的研究。 但整体上与国外相比还有很大差距，属于起步阶段。1.3课题研究的目的及意义传统机械设计总是先制定设计方案，然后再采用理论力学的方法计算其运动 学或者动力学特性，而后再进行优化、强度
6、分析及结构设计等。这个过程单就运 动学或者动力学特性分析而言，要经过大量的理论分析及计算。同传统的基于物理样机的设计开发方法相比，虚拟样机技术以全新的设计方 法正逐步取代传统机械设计。1) 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种方 法存在很多弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统级的产品优化，它基于并行 工程(Concurrent Engineering),使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较 多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计一产品、预测 产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。2) 更低的研发成本、更短的研发周期、更
7、高的产品质量。采用虚拟样机设计 方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型（即 虚拟样机），可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验（成本和时间条件不允 许），从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物理样 机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。1.4本课题研究的要求和内容根据基于UG的机构运动创新设计与仿真纲要，设计可完成规定的探宝 机模型一台，可完成课题中所提出的任务和要求，并做出书面机械设计方案，完 成探宝机模型机构的3D虚拟设计与关键机构的运动仿真。具体包括机器装置的 原理方案构思和拟定；原理方案的实现、传动方案的设计；关键技术的分析与
8、实 现、主要零部件结构的3D设计及虚拟装配；基于UG软件的关键机构运动仿真。1. 4.1探险车械设计要求1. 探险车在折叠状态时，其长度小于等于300mm、宽度小于等于300mm、高 度小于等于300mm。2. 探险车的驱动可采用各种形式的原动机，不允许使用人力直接驱动。3. 动力设备采用原动机。4. 探险车行进方式不限，拾取（放置）圆环的方式和每次拾取（放置）圆环 的数量不限。5. 探险车的控制可采用有线或无线遥控方式。1.4.2模拟工作场地及用品规格本场地采用木工板制作，表面铺设喷绘广告布，场地详见图1-1,图中海底 宝藏的九个圆环（05Ox046xh3O）由PVC材料制作。A i411一
9、I1。三区。图1-1模拟工作场地T7Crt400.己 4ld40001.4.3探险车包括下列动作：动作1：成功从“一区”到达“二区”。动作2：探险车在“二区”内通过机械臂抓取“三区”内的圆环放到“二区”。动作3：成功从“二区”到达“四区”。动作4：将圆环套置到“五区”的圆柱上。针对于课题的要求，本文主要的研究内容有以下一些方面；1）部件的设计造型及几个关键部件的功能实现；2）用UG三维设计软件建立虚拟数字模型；3）用UG/Motion模块做对主要零部件做运动仿真分析；4）用UG/Assembly模块进行虚拟数字模型的虚拟装配。第二章虚拟设计2. 1引言虚拟设计是以计算机辅助设计(CAD)为基础
10、，利用现行的CAD系统进行建 模。目前，使用较普遍的三维造型软件，如UG, Pro/E, SolidWorks, CATAI,都是 功能强大的工业设计软件。美国UGS公司开发的Unigaphics (UG)软件是个集CAD/ CAM/ CAE于一体 的大型CAD软件使用该软件进行产品设计，能直观、准确地反映零、组件的形状 和装配关系，可完全实现产品设计、土艺制造的无纸化开发，并可与产品设计、 工装设计、工装制造等土作同步进行，从而大大缩短了产品开发周期。UG具有 一个灵活的复合建模模块。复合建模包括了几种建模方法:实体建模(Solid )、 曲面建模(Surfaoe) 线框建模(Wirefra
11、me)及基于特征的参数化建模。利用UG 的复合建模模块，可以很方便的建立起产品零件的实体模型。2. 2 UG/Modeling模块的简介UG建模技术是一种基于特征和约束的建模技术，具有交互建立和编辑复杂 实体模型的能力。应用UG的建模功能，设计工程师可快速进行概念设计和详细 设计。与传统的基于线框和实体的CAD系统相比，设计人员在建模和编辑的过程 中花费的精力和时间会更少。UG三维建模(Modeling)应用是新一代建模技术, 它结合了传统建模和参数化建模的优点，具有全相关的参数化功能，是一种“复 合建模”工具。UG建模充分发挥了传统的实体、表面、线框造型优势，能够很方便地建立 二维和三维线框
12、模型及扫描、旋转实体，并可进行布尔操作和参数化编辑。其草 图工具可供用户定义二维截面的轮廓线。特征建模模块提高了表达式设计的层 次，使实际信息可以用工程特征来定义。例如，模块中提供了各种标准设计特征, 如孔、槽、型腔、凸台、方形凸台、圆柱、块、圆锥、球、管道、圆角和倒角等; 同时，还可薄壳实体创建薄壁件，并对实体进行拔模以及从实体中抽取需要的几 何体等。在UG中建立的模型，可直接被引用到UG的二维工程图、装配、加工、机构 分析和有限元分析中，并保持关联性。如在工程图中，利用Drafting中的相应 选项，可从实体模型提取尺寸、公差等信息标注在工程图中，实体模型编辑后， 工程图尺寸自动更新。在U
13、G中建立的三维模型，可进行着色、消隐和干涉检查，并可从实体中提 取几何特性和物理特性，进行几何计算和物理特性分析。2. 3探险车的整个模型的虚拟设计经过反复讨论和假设最后确定了探险车的设计方案，模仿月球车的基本功能 和设计思路，根据给定的规定动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和 相关的机械设计专业知识，对探险车整体车架和实现各个功能的机构进行了设 计。设计了一种行星越障轮和链轮的探险车，该车主要有4大部件组成：行星越 障轮，链轮，机械抓手，多关节机械臂，四杆液压式翻转机构以及车架。探险车的整体设计类似施工现场的挖掘机，不过比挖掘机多了一对行星轮和 液压四杆机构。如图2-1所示：2、链轮
14、3、行星轮4、齿轮箱体5、托盘固定盖6、四杆提升机构1、机械臂手由上图可以看出，整车模型的造型并不是很复杂，大部分零件都能用UG的 实体建模，基于特征（如孔、凸台、型腔、沟槽、倒角等）的建模和编辑方法进 行实体造型，既形象又直观。整车模型中的一些连接件，紧固件（如螺栓，螺母, 轴承，链条等）都采用了标准件，这样使整个模型更加标准化，也提高了工作效 率，减轻了设计者的工作量。在整车模型的建模过程中，某些零件的造型设计，如齿轮，箱体类零件，都 还是比较麻烦的，齿轮渐开线的绘制，轮胎的曲面造型等。2.4探险车中圆柱齿轮的参数化建模行星轮中采用的是渐开线直齿圆柱齿轮，而精确的绘制齿轮件渐开线则是参 数
15、化设计的难点所在。在UG中可以采用表达式方法来绘制渐开线。首先，需要确定齿轮的一些基本参数，包括齿数，模数，压力角，齿顶高系 数等。在UG/Modeling模块中，选择工具表达式选项，将弹出对话框，即可以在其中输入变量和表达式。首先必须输入有明确赋值的基本参数，也可以在 以后进行任意修改。然后输入必要的变量，必要的变量所采用的参数必须在它之 前就已经定义，否则会出现错误。另外，UG自身的一些约定，所以必须进行一 定的变量转换。例如，UG采用的三角函数是角度而不是弧度，直接变量t在0 1之间变化等。在对话框中输入表达式，如图2-2所示：图2-2表达式对话框完成后，选择插入曲线规律曲线菜单选项，使用 根据方程 方式，以t为系统变量，分别用xt,yt来表示坐标x,y变量，将z定义为常量0即可， 以坐标原点为基点绘制的渐开线如图2-3所示：然后绘制出齿顶圆，齿根圆，分度圆，绘制出渐开线镜像旋转的参考曲线, 所有的长度，角度等值都以表示式输入。接着对渐开线进行裁减，用裁减曲线命 令对渐开线依次选择基圆和齿顶圆作为修剪边界， 最后再选择两条渐开线，获得渐开线轮廓， 然后阵列就可以获得齿轮轮廓线。如图24, 2_5 所不 o图2-3渐开线图2-4单齿渐开线图2-5渐开线齿轮2. 5箱体的造型设计行星轮机构中的箱
