Pro/ENGINEER 2001

Mechanism Design and Analysis

Создание и анализ механизма


В этом разделе будет рассмотрено создание сборки с помощью соединений. Будет также показано, как имитировать движение сборки интерактивным перетаскиванием.

 

Цели

СОЗДАНИЕ СБОРКИ МЕХАНИЗМА

Один из первых шагов в разработке механизма - имитация движения компонентов сборки. Собирая компоненты с помощью соединений, Вы можете создать систему, способную совершать движение относительно одного компонента (твёрдого тела).

 

Сравнение соединений и ограничений

Подобно сборочным ограничениям, сборочные соединения используются, чтобы соединить компоненты вместе. Типы соединений определены типом сборочных компонентов, которые Вы должны использовать в практической ситуации. Эти сборочные компоненты включают штифты, подшипники и т.п.

Каждый тип соединения связывается с уникальным комплектом геометрических ограничений, которые базируются на ограничениях используемых в режиме Pro/ENGINEER Assembly. Например, штыревое (pin) соединение содержит два геометрических ограничения: выравнивание (сопряжение) осей и выравнивание плоскости.

 

Степень свободы

Каждый тип соединения имеет определенные поступательные и вращательные степени свободы (degrees of freedom - DOF). В зависимости от того, как компонент должен перемещаться в сборке, Вы должны использовать соединения с соответствующим DOF. Сборка, созданная таким способом, ограничена частично. Она будет двигаться в соответствии с проектными целями, определенными добавленными соединениями.

 

Типы соединений

Приведённая ниже таблица предоставляет восемь доступных в диалоговом окне Component Placement типов соединений, а также их иконки и степени свободы (DOF):

 

Таблица 1: Типы соединений

Тип соединения

Иконка в графическом окне

Иконка в Model Tree

DOF

Pin

1

Cylinder

2

Slider

1

Planar

3

Weld

0

Ball

3

Bearing

4

Rigid

нет

нет

 

 

Note:

Результаты, сохранённые для основной сборки, могут быть воспроизведены на упрощенных представлениях, и наоборот.

 

Соединение типа штырь (палец) - Pin

Тела, соединённые с помощью штыревого соединения, могут вращаться относительно оси.

 

Рис.1: Сборка с помощью штыревого соединения

 

Требуемые ограничения

DOF вращения

1 - Соединённые тела могут вращаться в одном направлении, обозначенном стрелкой на иконке соединения.

DOF смещения

0 - Соединённые тела не могут перемещаться вдоль оси.

 

Соединение типа цилиндр (Cylinder)

Тела, собранные с помощью цилиндрического соединения, могут перемещаться вдоль оси и вращаться относительно оси.

 

Рис.2: Сборка с помощью цилиндрического соединения

 

Требуемые ограничения

DOF вращения

1 - Соединённые тела могут вращаться в одном направлении, обозначенном стрелкой на иконке соединения.

DOF смещения

1 - Соединённые тела могут перемещаться в одном направлении, обозначенном стрелкой на иконке соединения.

 

Соединения типа ползун (Slider)

Тела, собранные с помощью ползункового соединения, могут перемещаться вдоль оси.

 

Рис.3: Сборка с помощью ползункового соединения

 

Требуемые ограничения

DOF вращения

0 - Соединённые тела не могут вращаться относительно оси.

DOF смещения

1 - Соединённые тела могут перемещаться в одном направлении, обозначенном стрелкой на иконке соединения.

 

Плоскостное соединение

Тело, соединенное с помощью плоскостного соединения, может перемещаться по плоскости.

 

Рис.4: Сборка с помощью плоскостного соединения

 

Требуемые ограничения

DOF вращения

1 - Соединённое тело может вращаться в одном направлении, обозначенном стрелкой, перпендикулярной к плоскости.

DOF смещения

2 - Соединённое тело может перемещаться в двух направлениях, обозначенных двумя стрелками на плоскости.

 

Сварное (Weld) соединение

Сварное соединение используется для жесткой фиксации одной детали к другой. Они могут использоваться для определения силы реакции между двумя контактирующим деталями, используемыми в Pro/MECHANICA.

Требуемые ограничения

DOF вращения

0 - Соединённое тело не может вращаться.

DOF смещения

0 - Соединённое тело не может перемещаться.

 

Шарнирное (Ball) соединение

Шарнирное соединение позволяет осуществлять вращение в любом направлении.

 

Рис.5: Сборка с помощью шарнирного соединения

 

Требуемые ограничения

DOF вращения

3 - Соединённое тело может вращаться во всех трёх направлениях.

DOF смещения

0 - Соединённое тело не может перемещаться.

 

Подшипниковое (Bearing) соединение

Подшипниковое соединение  представляет из себя комбинацию шарнирного и ползункового соединений.

 

Рис.6: Сборка с помощью подшипникового соединения

 

Требуемые ограничения

DOF вращения

3 - Соединённое тело может вращаться во всех трёх направлениях.

DOF смещения

1 - Соединённое тело может перемещаться вдоль оси или кромки.

 

Жесткое (Rigid) соединение

Жесткое соединение - способ доступа к традиционным соединениям Pro/ENGINEER, когда Вы собираете компонент с использованием соединений. Детали, ограниченные жестким соединением, составляют единое тело.

 

Вычисление степеней свободы механизма

В механических системах, степени свободы (DOF) - число параметров, требуемых для определения положения или движения каждого тела в системе. Не ограниченное тело имеет 6 степеней свободы. Каждое соединение удалит определенные степени свободы из механизма, в зависимости от типа соединения. Результирующий DOF механизма может быть вычислен по следующей формуле:

DOF=6x(#bodies)-5x(#pins)-5x(#sliders)-4x(#cylinders)-3x(#balls)-3x(#planars)-2x(#bearings)

Когда два или больше соединений ограничивают один и тот же DOF может произойти избыточность. В результате DOF, вычисленный по упомянутой выше формуле, будет неточен. Например, четыре соединённые бруска на приведённом ниже рисунке должно иметь 1 DOF. Используя MDX соединение четырёх брусков может быть произведено с использованием 4-х штифтовых соединений. При использовании предложенной выше формулы DOF механизма должен быть следующим:

DOF=6x(3)-5x4(4)=-2

 

Интерпретация отрицательных степеней свободы

DOF этого механизма был бы негативным из-за избыточности в соединениях. Поскольку все тела в MDX рассматриваются совершенно твердыми телами, избыточно ограничивать одно и то же самое движение на двух соседних телах. Например, шатун, в 4-х брусковом механизме, ограничен штифтовым соединением с каждого конца. Оба эти штифтовые соединения ограничивают движение шатуна в направлении перпендикулярном к экрану.

MDX может фиксировать движение моделей с избытком. Так как этот шатун перпендикулярен к твёрдому телу, эта избыточность в соединениях не позволит произвести точное вычисление сил реакций в этих соединениях, при последующем использовании в Pro/ MECHANICA.

 

Рис.7: Степени свободы четырех брускового механизма

 

Работа с телом

Тело - деталь или группа деталей, которые двигаются в механизме как один твердый объект. В пределах тела отсутствуют какие-либо степени свободы (DOF). Другими словами, если тело состоит из нескольких компонентов, то эти компоненты не могут перемещаться один относительно другого.

Если при создании сборки компонент собран с использованием сборочного ограничения, вместо соединений, собранный компонент и компонент/компоненты, с которыми он был собран, должны стать одним телом.

 

Определение тел

Ограничения, использованные при размещении компонента, определяют какие детали принадлежат телу. Mechanism Design определяет тела автоматически, основываясь на заданных ограничениях. При создании механизма следует придерживаться следующих правил:

Note:

Возможно иметь многочисленные тела в компоненте, поскольку компонент может быть узлом, который содержит механизм.

Переопределение сборки в механизм

Сборка, созданная с помощью традиционных ограничений Pro/ENGINEER, может быть переопределена в механизм. Когда Вы сделаете это с помощью диалогового окна размещения компонента, если ограничение соответствует определению соединения, ограничения будут преобразованы в соединения автоматически.

 

ИМИТАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ

После сборки механизма Вы можете интерактивно перемещать тела с помощью функции Drag. Это позволяет Вам понять как сборка поведет себя или установить сборку в конкретную позицию.

 

Рис.8: Диалоговое окно Drag

 

Перемещение сборочных компонентов

Перемещение позволяет механизму пройти через допустимую область движения. Используя иконки в диалоговом окне DRAG Вы можете выбрать любое тело, не определённое в качестве земли, и перемещать его с помощью мышки. Вы можете также перемещать или вращать тело относительно осей системы координат.

При перемещении тела следует использовать следующие правила:

Приведённая таблица перечисляет иконки, доступные при операции перетаскивания.

 

Таблица 2: Иконки, используемые при операции перетаскивания

Иконка

Описание
Drag point - перетаскивание точки
Drag body - перетаскивание тела
Translate along the coordinate system axis - перетаскивание вдоль осей системы координат
Rotate about the coordinate system axis - вращение относительно осей системы координат
Select a coordinate system - выбор системы координат

 

Перетаскивание точки

Выберите позицию на теле в пределах текущей модели, в месте выбора появится маленькая окружность. Это - точная локализация на теле, которую Вы будете перетаскивать. Тело будет двигаться в соответствии с перемещением курсора и, в то же самое время, основываясь на определение механизма.

 

Перетаскивание тела

Позиция тела на экране изменяется, но его ориентация остаётся неизменной. Если механизм содержит тело, который будет переориентировано вместе с изменением положения, то тело не будет двигаться вообще, так как механизм не может быть собран в новом положении. Если это произошло, то попробуйте использовать перетаскивание точки.

 

Перетаскивание относительно системы координат

Тело может перемещаться вдоль осей X, Y, Z или вращаться относительно осей X, Y, Z выбранной системы координат. Выбор одного из этих 6 параметров уменьшает перемещение тела в выбранном направлении. Перемещение и вращение в других направлениях заблокировано.

 

Добавление средства управления при перетаскивании

При перетаскивании могут быть определены средства управления. Это делается для достижения предсказуемых результатов и изучения движение или всего механизма, или его части. В приведённой ниже таблице перечислены иконки, используемые для создания и манипулирования ограничениями.

 

Таблица 3: Иконки ограничений

Иконка Описание

Align - сопряжение

Mate - совмещение

Orient two surfaces - ориентация двух поверхностей
Body-body lock - блокировка тела к телу
Enable and disable connections - блокировка и разблокировка соединений
Enable and disable constraints - блокировка и разблокировка ограничений
Assemble the model using the applied constraints - сборка модели с использованием допустимых ограничений
Copy the constraints from the current snapshot - копирование ограничений от текущего снимка
Paste the constraints to the current snapshot - вставка ограничений в текущий снимок
Delete the selected constraints - удаление выбранных ограничений

 

Вы можете при перетаскивании добавить одно из следующих средств управления:

При использование одного из приведённого выше метода, действуют следующие правила:

Ограничения

Установите геометрические ограничения, такие как Align, Mate и Orient для уменьшения DOF.

 

Заблокированное тело

В системе с избыточными DOF, перемещение тела может быть достигнуто более чем одним способом. Для того, чтобы уменьшать число DOF, отдельные тела могут быть заблокированы вместе и перемещаться (вести себя) как одно тело. Блокировка тел может достигнуть предсказуемого результата перемещения, следовательно улучшить характеристику перемещения.

 

Note:

Тела не обязательно должны быть в контакте между собой или в непосредственной близости, чтобы блокироваться вместе.

 

Включение и выключение соединений

Для того, чтобы сделать DOF более пригодным для изучения альтернативы проекту или проверки части системы, соединения могут быть временно отключены.

 

Запись конфигураций с помощью кадров

После перетаскивания тела Вы можете сохранить текущую конфигурацию, то есть позицию и ориентацию компонентов, как кадр. Кадры фиксируют существующие заблокированные тела, отключенные соединения и геометрические ограничения. Кадр может использоваться для следующих целей:

В результате чертёж сборки будет иметь многочисленные виды состояния механизма. Различные конфигурации положения могут быть отображены на одном листе чертежа. При манипулировании кадрами Вы можете выполнить следующие действия:

В приведённой ниже таблице представлены иконки, используемые для создания и манипулирования кадрами.

 

Таблица 4: Иконки для работы с кадрами

Иконка Описание

Snapshot the current configuration - кадр текущей конфигурации

Display the selected snapshot - отображение выбранного кадра
Update a snapshot using the current configuration - обновление кадра под текущую конфигурацию
Borrow part positions from other snapshots - заимствование позиции детали из другого кадра
Make the selected snapshot available in drawings - делает выбранный кадр доступным для использования на чертеже
Delete the selected snapshot - удаляет выбранный кадр

 

Другие команды

Вы можете получить доступ к функциональному назначению перемещения в диалоговом окне Drag. Вы можете переключиться среди последовательных конфигураций. Следующая таблица содержит описание иконок, используемых для выполнения упомянутых выше действий.

 

Иконка Описание
Previous model configuration - предыдущая конфигурация модели
Next model configuration - следующая конфигурация модели
Package move - пакетное перемещение

 

ЛАБОРАТОРНАЯ ПРАКТИКА

Цель

Создание механизма с использованием различных соединений.

 

Методика

1. В первом упражнении Вы создадите сборку с использованием соединений типа slider, pin и cylinder.

2. Во втором упражнении Вы создадите сборку с использованием соединений типа slider, pin и bearing.

 

Упражнение 1: Создание сборки крана

Задача 1. Создание сборки поршня.

1. Измените рабочий каталог на CREATING_CRANE_ASSY в папке MECHANISMS.

2. Создайте новую сборку. Выберите из опускающегося меню File > New > Assembly, в качестве названия введите [piston].

3. Добавьте в сборку первый компонент - F_CYLINDER.PRT, применив ограничение по умолчанию.

Assemble component at default location

 

Задача 2. Добавьте в сборку M_CYLINDER.PRT используя ползунковое соединение.

1. Выберте Component > Assemble.

2. Выберите M_CYLINDER.PRT и затем Open.

3. Щелкните по Connections для раскрытия данной части окна.

4. Напечатайте [piston] в качестве названия соединения, нажмите клавишу <Enter>.

5. Из опускающегося списка TYPE выберите Slider.

6. Ползунковое соединение формирует два ограничения -  Axis alignment и Rotation. Выберите на обоих деталях цилиндрические поверхности в качестве ссылок для ограничения Axis alignment.

7. Выберите плоские поверхности на рымах обоих деталей в качестве ссылок для ограничения Rotation. Вы можете использовать кнопку Flip для изменения ориентации компонента в пространстве.

8. В зоне окна Placement Status появляется сообщение, что соединение полностью определено, а в графическом окне появляется иконка соединения.

9. Нажмите OK.

10. Сохраните сборку и закройте окно.

 

Задача 3. Создание сборки.

Создайте новую сборку. Выберите из опускающегося меню File > New > Assembly, в качестве названия введите [crane].

2. Введите в сборку первый компонент CRANE_PLATFORM.PRT, используя ограничение по умолчанию.

Assemble component at default location

 

Задача 4. Сборка LOWER_ARM.PRT с использованием штырькового соединения.

1. Выберите из правого меню Component > Assemble.

2. Выберите LOWER_ARM.PRT и нажмите кнопку Open.

3. Щелкните по Connections для раскрытия данной части окна.

4. Напечатайте [arm_joint] в качестве названия соединения, нажмите клавишу <Enter>.

5. Из опускающегося списка TYPE выберите Pin.

6. Штырьковое соединение формирует два ограничения - Axis alignment и Translation. Выберите ось A-1 на LOWER_ARM.PRT и ось A-5 на CRANE_PLATFORM.PRT в качестве ограничения Axis alignment.

7. Выберите базовые плоскости FRONT на обоих деталях в качестве ссылок для ограничения Translation.

8. При необходимости нажмите кнопку Flip для изменения ориентации детали. Маленький рым на LOWER_ARM.PRT должен быть ориентирован так, как показано на рисунке.

9. Нажмите и удерживайте клавиши <Ctrl>+<Alt> и среднюю кнопку мыши. Перетащите LOWER_ARM.PRT в позицию, показанную на рисунке.

10. В зоне окна Placement Status появляется сообщение, что соединение полностью определено, а в графическом окне появляется иконка соединения. Нажмите OK для завершения.

 

Рис.9: Сборка нижнего рычага с основанием

 

Задача 5. Добавление в сборку сборочного узла цилиндр с помощью штырькового соединения.

1. Выберите из правого меню Component > Assemble.

2. Выберите PISTON.ASM и нажмите кнопку Open.

3. Щелкните по Connections для раскрытия данной части окна.

4. Одобрите предлагаемое системой название соединения.

5. Из опускающегося списка TYPE выберите Pin.

6. Выберите A-3 на F_CYLINDER.PRT и A-11 на CRANE_PLATFORM.PRT в качестве ссылок для ограничения Axis alignment.

7. Выберите плоскости FRONT на F_CYLINDER.PRT и CRANE_PLATFORM.PRT в качестве ссылок для ограничения Translation.

 

Note:

Вы не можете использовать базовую плоскость FRONT на LOWER_ARM.PRT в качестве ссылки для ограничения, потому что ссылки для ограничения в пределах одного соединения должны принадлежать одному и тому же телу.

 

8. В зоне окна Placement Status появляется сообщение, что соединение полностью определено, а в графическом окне появляется иконка соединения. Не нажимайте кнопку OK.

 

Задача 6. Добавление соединения к цилиндру.

1. Нажмите иконку Specify a new constraint.

Specify a new constraint

2. Одобрите предлагаемое системой название соединения. Из опускающегося списка TYPE выберите Cylinder.

 

Note:

Добавление штырькового (pin) соединения приведёт к излишним ограничениям.

 

3. Выберите A-3 на M_CYLINDER.PRT и A-3 на LOWER_ARM.PRT в качестве ссылок для ограничения Axis alignment.

4. Сборка может перейти в нежелательную конфигурацию. Вы измените её позже. Нажмите кнопку OK для завершения.

5. Выберите Done/Return.

 

Задача 7. Перемещение компонентов механизма.

1. Выберите Mechanism из меню ASSEMBLY, затем Drag.

2. Нажмите иконку Point Drag.

Point Drag

3. Выберите любую точку на LOWER_ARM.PRT.

4. Перемещайте курсор для перемещения LOWER_ARM.PRT. Обратите внимание, как сборочный узел поршня меняет свою конфигурацию. Две детали сборочного узла поршня могут принять недействительную конфигурацию. Установить пределы перемещения Вы можете установить позже.

5. Установите механизм в показанную на рисунке конфигурацию.

 

Рис.10: Движение сборки крана

 

6. Закройте диалоговое окно и выберите из правого меню Done/Return.

7. Сохраните сборку и удалите её из сессии.

 

УПРАЖНЕНИЕ 2: Создание компонентов автоматической ручной пилы

 

Рис.11: Сборка автоматической ручной пилы

 

Задача 1. Создание новой сборки и ввод первого компонента.

1. Измените рабочий каталог на CREATING_RECIP_SAW в папке MECHANISMS.

2. Создайте новую сборку. Выберите File > New > Assembly и напечатайте [saw] в качестве названия.

3. Введите в сборку первый компонент, MOTOR_ENDPLATE.PRT, используя ограничение по умолчанию.

Assemble component at default location

 

Задача 2. Сборка SHAFT1_W_CLIPS.ASM с помощью штырькового соединения.

1. Выберите Component > Assemble.

2. Выберите SHAFT1_W_CLIPS.ASM и нажмите кнопку Open.

3. Щёлкните по Connections, чтобы раскрыть эту часть окна.

4. Напечатайте [shaft1] в качестве названия соединения и нажмите клавишу <Enter>.

5. Выберите Pin из опускающегося списка TYPE.

6. Выберите A-1 на SHAFT1_W_CLIPS.ASM и A-9 на MOTOR_ENDPLATE.PRT в качестве ссылок для ограничения Axis alignment.

7. При необходимости нажмите и удерживайте клавиши <Ctrl>+<Alt> и с помощью средней и правой точек мыши отрегулируйте положение вала.

8. Выберите поверхности на вале и на MOTOR_ENDPLATE.PRT, как показано на рисунке, в качестве ссылок для ограничения Translation.

 

Рис.12 Определение ссылок для ограничения Translation

 

8. При необходимости изменить ориентацию детали нажмите кнопку Flip.

9. В зоне окна Placement Status появляется сообщение, что соединение полностью определено, а в графическом окне появляется иконка соединения. Нажмите кнопку OK.

 

Задача 3. Сборка CON_ROD.PRT с помощью штырькового соединения.

1. Выберите Component > Assemble.

2. Выберите CON_ROD.PRT и нажмите кнопку Open.

3. Щёлкните по Connections, чтобы раскрыть эту часть окна.

4. Напечатайте [rod] в качестве названия соединения и нажмите клавишу <Enter>.

5. Выберите Pin из раскрывающегося списка TYPE.

6. Выберите A-1 на CON_ROD.PRT и A-2 на валу в качестве ссылок для ограничения Axis alignment. В качестве альтернативы можете выбрать соответствующие поверхности.

7. При необходимости можете подкорректировать расположение компонента с помощью клавиш <Ctrl>+<Alt> и кнопок мыши.

8. Выберите поверхность стопорного кольца и поверхность на CON_ROD.PRT, как показано на рисунке, чтобы определить ссылки для ограничения Translation.

 

Рис.13 Определения ссылок для ограничения смещения

 

9. При необходимости поменять ориентацию нажмите кнопку Flip.

10. В зоне окна Placement Status появляется сообщение, что соединение полностью определено, а в графическом окне появляется иконка соединения. Нажимайте кнопку OK.

 

Задача 4. Сборка SHAFT_2.PRT с помощью ползункового соединения.

1. Выберите Component > Assemble.

2. Выберите SHAFT_2.PRT и потом Open.

3. Щёлкните по Connections, чтобы раскрыть эту часть окна.

4. Напечатайте [shaft2] в качестве названия соединения и нажмите клавишу <Enter>.

5. Выберите Slider из раскрывающегося списка TYPE.

6. Измените позицию и ориентацию SHAFT_2.PRT с помощью клавиш <Ctrl>+<Alt> и кнопок мыши так, чтобы сборка напоминала приведённый ниже рисунок. Обратите внимание на расположение большого выреза вала.

 

 

7. Выберите A-1 на SHAFT_2.PRT и A-14 на MOTOR_ENDPLATE.PRT в качестве ссылок для ограничения Axis alignment.

8. Для ограничения Rotation выберите поверхности, как показано на приведённом ниже рисунке.

 

Рис.14 Выбор ссылок для ограничения вращения

 

9. При необходимости изменить ориентацию детали используйте кнопку Flip. Сборка должна напоминать приведённый ниже рисунок

 

Рис.15 Сборка SHAFT_2.PRT с помощью ползункового соединения

 

10. В зоне окна Placement Status появляется сообщение, что соединение полностью определено, а в графическом окне появляется иконка соединения. Не нажимайте кнопку OK.

 

Задача 5. Добавление подшипникового соединения.

1. Нажмите иконку Specify a new constraint.

2. Примите предлагаемое название соединения. Выберите Bearing из раскрывающегося списка TYPE.

3. Выберите базовую точку A2BE на CON_ROD.PRT в качестве ссылки на сборке (ASSEMBLY REFERENCE) и ось A-2 на SHAFT_2.PRT в качестве ссылки на компоненте (COMPONENT REFERENCE).

4. В зоне окна Placement Status появляется сообщение, что соединение полностью определено, а в графическом окне появляется иконка соединения. Нажмите кнопку OK.

5. Сохраните и удалите сборку из сессии.


Оглавление

Главная страница