耀唐解讀
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果涉及到一些運(yùn)動(dòng)件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，并且涉及到多個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)，那么對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中就顯得尤為重要。
在很多人看來(lái)，讓設(shè)計(jì)的產(chǎn)品“動(dòng)”起來(lái)，這樣的操作很專(zhuān)業(yè)，門(mén)檻也很高，所以在一些的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)中，都是運(yùn)用草圖，或者用單一的曲線、曲面來(lái)模擬產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)路徑，來(lái)代替產(chǎn)品整個(gè)3D 的運(yùn)動(dòng)，但是此方法并不能很完整、準(zhǔn)確的描述3D 零件在空間中完整的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
其實(shí)，讓我們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品“動(dòng)”起來(lái)，在3DE CATIA中，并不復(fù)雜，通過(guò)一些工程連接定義和運(yùn)動(dòng)參數(shù)賦予，就可以讓我們的產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并輸出運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的空間路徑，零件之前的空間距離，甚至零件的運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)。有了這些輸出結(jié)果后，我們就可以校核設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性，從而反應(yīng)到設(shè)計(jì)中，提高產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量。
機(jī)械裝置是一個(gè)產(chǎn)品，其中部件可根據(jù)某些預(yù)定義約束相對(duì)于彼此移動(dòng)。通常這些約束相互鏈接，因此移動(dòng)一個(gè)零部件將影響其他零部件內(nèi)的受控運(yùn)動(dòng)。飛機(jī)上的起落架即為機(jī)械裝置的一個(gè)常見(jiàn)示例。
在達(dá)索系統(tǒng)新一代3DE CATIA 中，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真大致分為4步，通過(guò)在三個(gè)app中進(jìn)行分步操作，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真：
裝配設(shè)計(jì)(Assembly Design)
搭建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
零件裝配
運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(Mechanical System Design)
創(chuàng)建工程連接
創(chuàng)建機(jī)械裝置展示
運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)體驗(yàn)(Mechanical System Experience)
創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)方案
創(chuàng)建干涉探針
創(chuàng)建距離探針
生成仿真結(jié)果
在整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真中，最關(guān)鍵也是最基礎(chǔ)的操作是定義零件和零件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，也就是產(chǎn)品自由度的定義。自由度是指物理學(xué)當(dāng)中描述一個(gè)物理狀態(tài)，獨(dú)立對(duì)物理狀態(tài)結(jié)果產(chǎn)生影響的變量的數(shù)量。下圖是空間中的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的自由度示意圖，包括3個(gè)方向的移動(dòng)和3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，總共6個(gè)自由度，自由度通常用DOF(degree of freedom)表示。
在CATIA 中，通過(guò)定義零件與零件之前的工程連接關(guān)系來(lái)定義自由度，一般常用的有旋轉(zhuǎn)、圓柱、棱形、剛性和固定這幾種工程連接。以下這張圖可以清楚地看出這幾個(gè)工程連接定義后的零件自由度。
旋轉(zhuǎn)：旋轉(zhuǎn)DOF=1，只可繞著一個(gè)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)由旋轉(zhuǎn)角度控制?？梢院?jiǎn)單理解為某一零件需要圍繞另一零件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最簡(jiǎn)單的例子就是齒輪與齒輪軸的關(guān)系。
圓柱：平移DOF=1,旋轉(zhuǎn)DOF=1，可繞一個(gè)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)由旋轉(zhuǎn)角度和平移長(zhǎng)度控制?？梢岳斫鉃槟骋涣慵瓤梢岳@著另一零件旋轉(zhuǎn)，也可沿著另一零件的軸進(jìn)行平移。
一般復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都是通過(guò)旋轉(zhuǎn)、圓柱和棱柱等工程連接交替使用而創(chuàng)建了，下面通過(guò)飛機(jī)起落架的上半部分的實(shí)例來(lái)進(jìn)行操作演示。特別建議的是，在進(jìn)行產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該把運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方案先簡(jiǎn)化成線進(jìn)行表示，同時(shí)再把結(jié)構(gòu)搭建好，這樣在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)才有據(jù)可循，另外在后續(xù)進(jìn)行工程連接關(guān)系定義時(shí)，運(yùn)動(dòng)關(guān)系才能不遺漏。(下圖中的線框元素即產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)框架)。
01 首先對(duì)飛機(jī)頭部位置進(jìn)行空間固定。
02 對(duì)多個(gè)位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)工程連接，用相合和接觸/偏移約束進(jìn)行定義，因?yàn)榇死胁⒉灰孕D(zhuǎn)角度作為驅(qū)動(dòng)條件，故并不設(shè)定角度的受控約束條件。
03 對(duì)housing 和 actuator 兩個(gè)部件進(jìn)行棱形工程連接定義，并對(duì)兩個(gè)零件進(jìn)行偏移距離約束，使距離成為整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)條件，設(shè)定為900mm-1222mm范圍。
04 創(chuàng)建機(jī)械裝置展示，并在機(jī)械裝置管理器中，將長(zhǎng)度1設(shè)定為驅(qū)動(dòng)條件，同時(shí)可以在管理器中看到整個(gè)機(jī)構(gòu)的DOF，綠色勾選標(biāo)志則代表整個(gè)機(jī)構(gòu)的工程連接關(guān)系定義完整，可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
05 現(xiàn)在即可通過(guò)調(diào)整長(zhǎng)度1的參數(shù)，讓飛機(jī)起落架運(yùn)動(dòng)起來(lái)。
分析設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的干涉情況，主要是研究各個(gè)零件在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)不會(huì)相撞。運(yùn)動(dòng)仿真以后，我們可以對(duì)其中不合適的零件的尺寸進(jìn)行修改，為下一步的設(shè)計(jì)打基礎(chǔ)。
仿真后可以繪制零件的運(yùn)動(dòng)軌跡。也可以是零件上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)想了解某個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以把軌跡繪制出來(lái)，就可以知道零件的運(yùn)動(dòng)范圍以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
可以分析機(jī)構(gòu)中零件運(yùn)動(dòng)的速度，加速度以及位移，還有作用力，反作用力等等這些情況。能讓研發(fā)人員更加深刻地知道這個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
可以把運(yùn)動(dòng)狀態(tài)生成視頻，方便在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)完成以后，把它做成視頻和客戶(hù)進(jìn)行交流。讓客戶(hù)更直觀地看到設(shè)計(jì)的產(chǎn)品方案。
下期精彩：
以飛機(jī)起落架運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)例，借助3DE CATIA 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真角色輸出仿真結(jié)果，從而對(duì)設(shè)計(jì)方案提出優(yōu)化建議，更可以把設(shè)計(jì)方案輸出為視頻，更方便的與客戶(hù)交流，也能讓客戶(hù)更直觀看到設(shè)計(jì)的產(chǎn)品方案。
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