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运动仿真
本章主要内容：
z 运动仿真的工作界面 z 运动模型管理 z 连杆特性和运动副 z 机构载荷 z
运动分析
9.1 运动仿真的工作界面
本章主要介绍UG/CAE 模块中运动仿真的功能。运动仿真是UG/CAE （Computer Aided Engineering ）模块中的主要部分，它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力分析和设计仿真。通过UG/Modeling 的功能建立一个三维实体模型，利用UG/Motion 的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型。UG/Motion 的功能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如干涉检查、轨迹包络等，得到大量运动机构的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学运动分析就可以验证该运动机构设计的合理性，并且可以利用图形输出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况，对运动机构进行优化。
运动仿真功能的实现步骤为： 1．建立一个运动分析场景；
2．进行运动模型的构建，包括设置每个零件的连杆特性，设置两个连杆间的运动副和添加机构载荷；
3．进行运动参数的设置，提交运动仿真模型数据，同时进行运动仿真动画的输出和运动过程的控制；
4．运动分析结果的数据输出和表格、变化曲线输出，人为的进行机构运动特性的分析。
9.1.1 打开运动仿真主界面
在进行运动仿真之前，先要打开UG/Motion （运动仿真）的主界面。在UG 的主界面中选择菜单命令【Application 】→【Motion 】,如图9-1所示。
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图9-1 打开UG/Motion 操作界面
选择该菜单命令后，系统将会自动打开UG/Motion 的主界面，同时弹出运动仿真的工具栏。
9.1.2 运动仿真工作界面介绍
点击Application/Motion 后UG 界面将作一定的变化，系统将会自动的打开UG/Motion 的主界面。该界面分为三个部分：运动仿真工具栏部分、运动场景导航窗口和绘图区，如图9-2所示。
图9-2 UG/Motion 主界面
运动仿真工具栏部分主要是UG/Motion 各项功能的快捷按钮，运动场景导航窗口部分主要是显示当前操作下处于工作状态的各个运动场景的信息。运动仿真工具栏区又分为四个模块：连杆特性和运动副模块、载荷模块、运动分析模块以及运动模型管理模块，如图9-3所示。
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图9-3 四个运动仿真工具栏区
运动场景导航窗口显示了文件名称，运动场景的名称、类型、状态、环境参数的设置以及运动模型参数的设置，如图9-4所示。运动场景是UG 运动仿真的框架和入口，它是整个运动模型的载体，储存了运动模型的所有信息。同一个三维实体模型通过设置不同的运动场景可以建立不同的运动模型，从而实现不同的运动过程，得到不同的运动参数。
图9-4 运动场景导航窗口
9.2 运动模型管理
打开UG/Motion 的主界面之后，将会弹出运动模型管理工具栏，如图9-5所示。
图9-5 运动模型管理工具栏
本节将对工具栏中的各个选项进行说明。
9.2.1 场景导航窗口
1．运动场景的建立
在进行运动仿真之前必需建立一个运动模型，而运动模型的数据都存贮在运动场景之中，
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所以运动场景的建立是整个运动仿真过程的入口。
利用UG/Modeling 的功能建立了一个三维实体模型时必需将该模型设为一个运动可控模型（Master Model ），完成几何模型的创建之后，选择【Application 】→【Motion 】菜单项，弹出运动场景导航窗口，该模型将自动的显示于运动场景导航窗口中，选种该模型按右键将弹出一快捷菜单，如图9-6所示。
图9-6 弹出快捷菜单
如果在进入运动仿真界面后，运动场景导航窗口没有相应的打开，用户可以在运动模型
工具栏中单击按钮 Scenario Navigator （场景导航），系统将会自动打开运动场景导航窗口。
在模型的右键快捷菜单中选择New Scenario 菜单项，将建立一个新的运动场景，默认名称为Scenario_1，类型为Motion ，运动仿真环境为静态动力学仿真（Statics & Dynamics ），该信息将显示在运动场景导航窗口中，并且运动仿真各运动仿真工具栏项将变为可操作的状态，如图9-7所示。
图9-7 建立一个新场景
运动场景建立后便可以对三维实体模型设置各种运动参数了，在该场景中设立的所有的运动参数都将存储在该运动场景之中，由这些运动参数所构建的运动模型也将以该运动场景为载体进行运动仿真。重复该操作可以在同一个Master Model 下设立各种不同的运动场景，包含不同的运动参数，实现不同的运动。
2．运动场景的编辑
运动场景建立后可以对它进行一定的编辑，包括运动场景的重命名（Rename ）、删除（Delete ）和复制（Clone ）。
1）运动场景的重命名
选种某一运动场景，单击鼠标右键将弹出一快捷菜单，如图9-8所示。
图9-8 弹出运动场景快捷菜单
选择快捷菜单中的Rename 菜单项后，运动场景导航窗口中的场景名称将自动变为可编辑的状态，如图9-9所示。在该对话框中键入新的运动场景名称应用后既可实现运动场景的重命名。
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图9-9 运动场景的重命名
2）运动场景的删除
选择快捷菜单中的Delete 菜单项既可实现运动场景的删除。 3）运动场景的复制
选择快捷菜单中的Clone 菜单项既可实现运动场景的复制，复制后的运动场景与原来的运动场景的各个参数都相同，如图9-10所示，通过分别选择【scenario_1】→【Clone ，scenario_2】→【Clone ，scenario_3】→【Clone 】菜单项新建了三个与scenario_1各项参数都相同的运动场景，分别默认为scenario_2、scenario_3、scenario_4。
图9-10 运动场景的复制
3．运动场景参数的设置和信息的输出 1）运动场景环境参数的设置
选种某一运动场景，单击鼠标右键将弹出一快捷菜单，选择Environment 菜单项将弹出【运动仿真环境类型设置】对话框，如图9-11所示。
图9-11 运动仿真环境类型设置
该对话框中的各个选项说明如下： z Kinematics ：
z Statics Dynamics ：
通过不同的选择可以将运动仿真环境设置为运动学仿真或者是静态动力学仿真。 2）运动场景信息的输出
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选种某一运动场景，单击鼠标右键将弹出一快捷菜单，选择【Information 】→【Motion Connections 】菜单项将弹出显示运动模型各项参数的设置的图文框，它记载了运动模型所有的参数，如图9-12所示。
图9-12 选择【Information 】→【Motion Connections 】菜单项
弹出的运动模型参数设置图文框如图9-13所示。
图9-13 弹出运动模型参数设置图文框
9.2.2 编辑模型几何尺寸
在建立了一个运动场景之后，用户仍然可以对运动场景中几何体的尺寸进行修改。 在UG/Motion 运动模型管理工具栏中选择图标，系统将会自动打开一个【几何模型尺寸编辑】对话框，如图9-14所示。
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图9-14 【几何模型尺寸编辑】对话框
在该对话框几何模型特征列表中选中某一特征后，其各种特征参数表达式将在特征参数列表中相应的显示，而在特征参数列表中选中该特征的某一参数时，其表达式和值将会相应的在下部显示，此时用户可以对该表达式的值进行编辑。在特征参数数值文本输入框中输入新的特征参数后，按回车键，同时该对话框中的Apply 按钮被激活，单击Apply 既可完成该操作，从而改变模型的几何外形。
9.3 连杆特性和运动副
利用UG/Modeling 的功能建立了一个三维实体模型后，并不能直接将各个部件按一定的连接关系连接起来，必需给各个部件赋予一定的运动学特性，即让其成为一个可以与别的有着相同的特性的部件之间相连接的连杆构件（Link ）。
同时，为了组成一个能运动的机构，必需把两个相邻构件（包括机架、原动件、从动件）以一定方式联接起来，这种联接必需是可动连接，而不能是无相对运动的固接（如焊接或铆接），凡是使两个构件接触而又保持某些相对运动的可动连接即称为运动副。在UG/Motion 中两个部件被赋予了连杆特性后，就可以用运动副（Joint ）相联接，组成运动机构。
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9.3.1 连杆特性的建立
点击运动仿真工具栏区的连杆特性和运动副模块中的图标 (Link)，系统将会打开
【连杆特性创建】对话框，如图9-15所示。
图9-15 连杆特性的建立
该对话框中的各个选项说明如下： 1．Selection Steps （选择步骤）
该选项给用户提供了建立一个连杆特性的操作步骤。共包含五个步骤，其中可根据用户的要求省去几项。各个步骤说明如下：
1） Link Geometry
该选项用于选择连杆特性的几何模型。激活该图标后，在图形窗口中选择将要赋予该连杆特性的几何模型。
2） Mass
该选项用于设置连杆的质量特性。选择该图标后，【连杆创建】对话框的界面将会发生变化，变化后对话框的选项说明如图9-16所示。
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图9-16 【连杆创建】对话框
3） Inertia
该选项用于设置连杆的惯性力。选择该图标后，连杆创建对话框的界面将会发生变化，变化后对话框的选项说明如图9-17所示。
图9-17 【连杆创建】对话框
4） Initial Translation V elocity
该选项用于设置连杆的初始平移速度。选择该图标后，连杆创建对话框的界面将会发生变化，变化后对话框的选项说明如图9-18所示。
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图9-18 【连杆创建】对话框
5） Initial Rotation V elocity
该选项用于设置连杆的初始旋转速度。选择该图标后，连杆创建对话框的界面将会发生变化，变化后对话框的选项说明如图9-19所示。
图9-19 【连杆创建】对话框
2．Mass Properties （质量特性）
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该选项用于设置连杆的质量特性创建的方式，包含三个选项： 1）Automatic ：由系统自动生成连杆的质量特性。
2）User Define ：由用户定义质量特性，选择该选项后，选择步骤中的图标 Mass 和 Inertia 将被自动激活。
3．Name （连杆名称）
该选项用于设置连杆的名称。
设置完了这些连杆特性参数后，该部件就具有了一定的运动学特性，可以与别的连杆以一定的连接方式相连接了，构成运动机构。同时也可以对运动模型进行简化，将连杆的质量特性设置为默认值0，按OK 键后该部件也将成为连杆。
9.3.2 连杆特性参数的编辑
当连杆特性参数设置有误时，就必需对各项参数进行修改，UG/Motion 该项功能的实现是通过运动仿真工具栏区运动模型管理模块中的运动模型部件编辑的功能来实现的。点击运
动模型管理模块中的图标（Edit Motion Object ）将弹出一个【类选择】对话框，要求选择将要进行编辑的部件，这与UG/Modeling 中的类选择方法类似。将【类选择】对话框的选择类型设为Link ，选择了某一连杆后将弹出连杆特性参数设置的对话框，如图9-20所示，对各项参数的编辑与连杆建立时的参数设置操作完全相同。
图9-20 连杆特性参数的编辑
9.3.3 运动副的类型
在UG/Motion 中给用户提供了12种运动副的类型，在连杆与运动副工具栏中列出了其
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中的几种运动副，如图9-21所示。
图9-21 运动副类型工具栏
下面分别来介绍各种运动副类型。
1．Joint （铰链连接）
选择该选项后将会弹出铰链连接对话框，在该对话框中列出了七种铰链连接的类型，如图9-22所示。
图9-22 【铰链连接】对话框
该对话框中的各种铰链连接类型说明如下：
1）合页连接 (Revolute)
铰链连接可以实现两个相连件绕同一轴作相对的转动，如图9-23所示。
图9-23 铰链连接
它有两种形式：一种是两个连杆绕同一轴作相对的转动，另一种是一个连杆绕固定在机架上的一根轴进行旋转，如图9-24所示。
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图9-24 铰链连接的两种形式
2）滑块连接（Slider ）
滑块连接是两个相连件互相接触并保持着相对的滑动，如图9-25所示。
图9-25 滑块连接
可以实现一个部件相对与另一部件的直线运动，它有两种形式：一种是滑块为一个自由滑块，在另一部件上产生相对滑动；一种为滑块连接在机架上，在静止表面上滑动，如图9-26所示。
图9-26 滑块连接的两种形式
3）柱铰连接（Cylindrical ）
柱铰连接实现了一个部件绕另一个部件（或机架）的相对转动，如图9-27所示。
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图9-27 柱铰连接
柱铰连接也有两种形式：一种是两个部件相连，另一种是一个部件连接在机架上，如图9-28所示。
图528 柱铰连接的两种形式
4）螺杆连接（Screw ）
螺杆连接实现了一个部件绕另一个部件（或机架）作相对的螺旋运动，如图9-29所示。
图9-29 螺杆连接
5）万向接头（Universal ）
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万向接头实现了两个部件之间可以绕互相垂直的两根轴作相对的转动，它只有一种形式必需是两个连杆相连，如图9-30所示。
图9-30 万向接头
6）球铰连接（Spherical ）
球铰连接实现了一个部件绕另一个部件（或机架）作相对的各个自由度的运动，它只有一种形式必需是两个连杆相连，如图9-31所示。
图9-31 球铰连接
7）平面连接（Planar ）
平面连接可以实现两个部件之间以平面相接触，互相约束，如图9-32所示。
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图9-32 平面连接
2．齿轮齿条连接（Rack and Pinion ）
齿轮齿条连接可以实现两个部件或者是部件与机架之间以齿轮与齿条啮合的运动形式进行铰接，如图9-33所示。
图9-33 齿轮齿条连接
3．齿轮连接（Gear ）
齿轮连接可以实现两个部件或者是部件与机架之间以齿轮啮合的运动形式进行相对运动的约束，如图9-34所示。
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图9-34 齿轮连接
4．皮带连接（Cable ）
皮带连接可以使两个部件之间实现以皮带轮带动皮带进行运动的相对运动形式。
5．点线连接（Point on Curve ）
点线连接可以实现一个部件始终以其上的一点与另一个部件或者是机架进行接触，实现相对运动的约束，如图9-35所示。
图9-35 点线连接
6．线线连接（Curve on Curve ）
该约束是强迫两个部件上的两条曲线相互接触，实现两个部件的连接和运动约束，如图9-36所示。
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图9-36 线线连接
9.3.4 运动副的建立
UG/Motion 中各种运动副（Joint ）的建立方法都是类似的，下面以铰链连接中的合页连接（Revolute ）为例介绍运动副建立的整个过程。
在建立了一个运动场景和设置了连杆特性后，可以开始进行运动副创建的操作。点击连
杆特性和运动副模块中的铰链连接（Joint ）按钮后，将弹出一个对话框要求用户选择铰
链连接的类型，如图9-37所示。
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图9-37 选择铰链连接的类型
当用户选择不同的铰链连接的类型后，该对话框将会发生变化。在该对话框中选择铰链
连接的类型为合页连接 (Revolute) ，对话框中将会显示创建合页连接运动副的各个选项，这些选项功能的说明如下所述：
1．Snap Links
选种这个单选项后，用户所设置的运动副为两个连杆之间的连接，则在该对话框中要求设置运动副在各个连杆上的相关参数；空置该单选项时，用户所设置的运动副为连杆与假象的机架之间的连接，只需设置运动副在这个连杆上的参数既可。
2．Selection Steps
该选项给用户提供了建立一个运动副的操作步骤。共包含四个步骤，其中可根据用户的要求省去几项，通过完成各个步骤，可以引导用户完成运动副参数的设置。各个步骤说明如下：
1） First Link
该步骤要求用户选择将要进行连接的第一个连杆，如果在Snap Links 单选项中空置则该连杆将要与机架连接在一起。
2） Orientation On First Link
在图形窗口中选择那将要进行连接的第一个连杆后，第二步图标将会被自动的激活，同时在【创建运动副】对话框中的Edit Orientation 选项被激活，系统在该对话框中自动显示点创建的方式，如图9-38所示。
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图9-38 设置运动副在第一个连杆上的位置和方向
在该步骤中要求用户设置运动副在第一个连杆上的位置和方向。
运动副的位置是指两个连杆连接或者连杆与机架连接时关节点的所在，连杆将在此点与机架或者连杆相连接。
而不同的运动副其方向的定义是不同的，转动副的方向指的是连杆转动的旋转轴，而移动副的方向指的是连杆平移的方向。
用户可以选择一定的点创建方式在第一个连杆上创建选择一点，作为运动副在第一个连杆上的位置；同时，用户可以选择选项Edit Orientation （编辑方向），系统将会自动打开一个坐标系创建对话框，如图9-39所示，在该对话框中用户可以以一定的方式创建一个坐标系，该坐标系的Zc 方向即为运动副在第一个连杆上的方向。
图9-39 设置方向
3） Second Link
当Snap Links 单选项被选中时，在设置完了运动副在第一个连杆上的相关参数后，第三步图标将会被自动激活，此时要求用户在图形窗口中选择与第一个连杆以合页运动副连接的第二个连杆。