1、8.1 概述8.2 运动机构模拟环境 8.3 运动机构创建 8.4 动态仿真8.1 概述 对于产品的数字模型而言，进行准确的运动状态分析，是十分基本且重要的功能。在 数 字 模 型 运 动 机 构 模 拟 中（D M U Kinematics）单元中，用户可以依照运动学原理，通过约束自由度的方式，建立机构，并且分析机构的运动状态与移动轨迹。此单元中提供数种基本的接头（Joint），共用户建立机构，并且可以进行动态仿真，记录运动情形，制作成影片播放。8.2 运动机构模拟环境 运动机构模拟通过DMU模块实现。选择菜单【Start】【Digital Mockup】【DMU Kinematics】进入
2、运动机构模拟环境。如果进入前处于产品（Product）环境下，则自动将模型导入到运动机构模拟环境下，如果进入前处于其它环境（如Part、Draft等），则新建一个CATProduct文件，用户可以将已有的子产品或部件插入到新建的产品中。8.3 运动机构创建 创建运动接头（Joint）是进行数字模型运动分析的首要步骤。本单元共提供17种接头，可以模拟大部分机构的运动方式，这些接头共分成四大类，分别是：实体接头：由实体零件所构成的接头。几何接头：利用几何图形（点、曲线、曲面）间的关系所创建的接头。复合接头：为多自由度的运动接头，可以利用虚拟的约束条件创建接头，不需要实际的几何关系。坐标对齐：利用对
3、其坐标轴方式创建接头。8.3.1 旋转接头（Revolute Joint）通过旋转接头，可以让两个零件绕着一轴转动，这两个零件在结合处必须各有一个轴线及一个与轴线正交的平面。将两零件的轴线重合，设置两平面间的距离后，即成为具有一个旋转自由度的旋转接头。单击图标 ，弹出创建旋转接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Line 1：第一个杆件的轴线；（4）Line 2：第二个杆件的轴线；（5）Plane 1：第一个杆件需对齐的平面；（6）Plane 2：第二个杆件
4、需对齐的平面；（7）Null Offset/Offset：两平面的重合/偏移值；（8）如果选中Centered，则需再选择Plane 3和Plane 4，其中Plane 3为第一个杆件上的平面，Plane 4为第二个杆件上的平面，最终两杆件相对位置确定为Plane 1和Plane 3的中值面和Plane 2和Plane 4的中值面重合的位置；（9）Angle driven：是否为外部驱动接头。8.3.2 滑动接头（Prismatic Joint）通过滑动接头，可以让两个零件沿着平行某平面的一个方向进行平移，这两个零件在结合处必须各有一个平面及一个平行于平面的方向。将两零件的平面与移动方向重合，
5、即成为具有一个平移自由度的滑动接头。单击图标 ，弹出创建滑动接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（2）Line 1：第一个杆件的方向；（4）Line 2：第二个杆件的方向；（5）Plane 1：第一个杆件需对齐的平面；（6）Plane 2：第二个杆件需对齐的平面；（7）Length driven：是否为外部驱动接头。8.3.3 圆柱接头（Cylindrical Joint）通过圆柱接头，可以让两个零件绕一轴转动，并沿此轴向移动，这两个零件在结合处必须各有一个轴线
6、。将两零件的轴线重合，即成为具有两个自由度（旋转与平移）的圆柱接头，这两个自由度各自独立，互不影响。单击图标 ，弹出创建圆柱接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Line 1：第一个杆件的方向；（4）Line 2：第二个杆件的方向；（5）Angle driven：旋转自由度是否为外部驱动；（6）Length driven：平移自由度是否为外部驱动。8.3.4 螺旋接头（Screw Joint）通过螺旋接头，可以让两个零件绕一轴转动，并沿此轴向移动，这两个零件
7、在结合处必须各有一个轴线。将两零件的轴线重合，即成为具有两个自由度（旋转与平移）的螺旋接头，与圆柱接头不同，螺旋接头的移动距离与旋转圈数有一定的关系（即截距，pitch），每转动一圈两零件间的距离会沿着轴方向移动一个截距。单击图标 ，弹出创建螺旋接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Line 1：第一个杆件的轴线；（4）Line 2：第二个杆件的轴线；（5）Angle driven：旋转自由度是否为外部驱动；（6）Length driven：平移自由度是否为
8、外部驱动；（7）Pitch：截距，代表旋转一轴前进的距离，mm。8.3.5 圆球接头（Spherical Joint）通过圆球接头，可以让两个零件绕一圆心转动，这两个零件在结合处必须各有一个圆心。将两零件的圆心重合，即成为具有三个旋转自由度的圆球接头，此三自由度各自独立，互不影响。单击图标 ，弹出创建圆球接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Point 1：第一个杆件的圆心；（4）Point 2：第二个杆件的圆心；此接头不提供外部驱动功能，仅作为杆件的连接！
9、8.3.6 平面接头（Planar Joint）通过平面接头，可以让两个零件沿某平面相互移动，这两个零件各有一个平面相结合，成为具有两个平移自由度的平面接头。单击图标 ，弹出创建平面接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Plane 1：第一个杆件的平面；（4）Plane 2：第二个杆件的平面。此接头不提供外部驱动功能，仅作为杆件的连接。8.3.7 刚体接头（Planar Joint）通过刚体接头，可以使两个零件成为一个刚体，成为刚体后，两零件彼此间相对位置将
10、不改变。单击图标 ，弹出创建刚体接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Part 1：第一个杆件；（4）Part 2：第二个杆件。此接头不提供外部驱动功能，仅作为杆件的连接。8.3.8 点-曲线接头（Point Curve Joint）通过点-曲线接头，可以让一个点沿着某曲线移动，点与曲线分别位于不同的零件上，如此零件（点）即可沿着曲线路径移动。设置此接头时，点必须位于曲线上，因此需要先进行好组装，再使用此接头。单击图标 ，弹出创建点-曲线接头对话框，内容如下
11、：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Curve 1：第一个杆件上的曲线；（4）Point 1：第二个杆件上的点；（5）Length driven：是否为外部驱动。8.3.9 滑动曲线接头（Slide Curve Joint）通过滑动曲线接头，可以让两个相切的曲线相互滑动，两曲线分别位于不同的零件上，如此零件即可沿着曲线路径移动。使用此接头时，两曲线必须相切，因此需要先进行好组装，再使用此接头。单击图标 ，弹出创建滑动曲线接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属
12、于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Curve 1：第一个杆件上的曲线；（4）Curve 2：第二个杆件上的曲线。此接头不提供外部驱动功能，仅作为杆件的连接。8.3.10 滚动曲线接头（Roll Curve Joint）通过滚动曲线接头，可以让两个相切的曲线相互滚动，两曲线分别位于不同的零件上，如此零件即可沿着曲线路径滚动。使用此接头时，两曲线必须相切，因此需要先进行好组装，再使用此接头。单击图标 ，弹出创建滚动曲线接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mec
13、hanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Curve 1：第一个杆件上的曲线；（4）Curve 2：第二个杆件上的曲线；（5）Length driven：是否为外部驱动。8.3.11 点-曲面接头（Point Surface Joint）通过点-曲面接头，可以让让一个点在曲面上移动，点与曲面分别位于不同的零件上，如此零件（点）即可沿着曲面移动。使用此接头时，点必须位于曲面上，因此需要先进行好组装，再使用此接头。单击图标 ，弹出创建点-曲面接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一
14、个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Surface 1：第一个杆件上的曲面；（4）Point 1：第二个杆件上的点。此接头不提供外部驱动功能，仅作为杆件的连接。8.3.12 万向接头（Universal Joint）万向接头使用一个虚拟的销连接两杆件，可以传递旋转运动，与旋转接头的区别是两杆件的轴心可以不重合。单击图标 ，弹出创建万向接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Spin 1：第一个杆件上的轴线；（4）Spin 2：第二个杆件上的
15、轴线；（5）Cross-pin axis direction：连接销轴心位置，可设置与某个旋转轴正交或自定义。此接头不提供外部驱动功能，仅作为杆件的连接。8.3.13 CV接头（CV Joint）CV接头由两个万向接头所构成，可以传递旋转运动，且输入的转轴需与输出转轴平行。单击图标 ，弹出创建CV接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Spin 1：第一个杆件上的轴线；（4）Spin 2：第二个杆件上的轴线；（5）Spin 3：第三个杆件上的轴线。此接头不提供
16、外部驱动功能，仅作为杆件的连接。8.3.14 齿轮接头（Gear Joint）齿轮接头是以虚拟方式，利用圆盘代表齿轮，手动设置减速比、旋转方向。不需要绘制齿轮模型即可进行仿真。齿轮接头由两个旋转接头构成，每个旋转接头皆有一个固定转轴与转动圆盘，圆盘间不一定需要相接触，两圆盘大小与齿轮减速比亦无关系。单击图标 ，弹出创建齿轮接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Revolute Joint 1：第一个转动接头，可通过“Create”按钮新建；（4）Revolu
17、te Joint 2：第二个转动接头；（5）Ratio：齿轮减速比，可通过“Define”按钮弹出的对话框分别选择两齿轮的旋转圆自动设定减速比；（6）Rotation directions：旋转方向，为同向和反向；（7）Angle driven for Revolute 1：是否为外部驱动；（8）Angle driven for Revolute 2：是否为外部驱动。两旋转接头的轴心必须是同一个零件（Part），才能使用在齿轮接头上。8.3.15 齿条接头（Rack Joint）齿条接头是以虚拟方式，利用圆盘代表齿轮，长方块代表齿条，手动设置减速比，即可进行模拟。齿条接头由一个旋转接头和一个滑
18、动接头构成，圆盘大小与齿条减速比无关。单击图标 ，弹出创建齿条接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Prismatic Joint：滑动接头，可通过“Create”按钮新建；（4）Revolute Joint：转动接头；（5）Ratio：减速比，即齿轮圆盘旋转一圈，齿条移动的距离。可通过“Define”按钮弹出的对话框齿轮的旋转圆自动设定减速比；（6）Length driven for Prismatic：是否为外部驱动；（7）Angle driven fo
19、r Revolute：是否为外部驱动。滑动接头和转动接头的基座必须是同一个零件（Part），才能使用在齿条接头上。8.3.16 缆线接头（Cable Joint）此接头以虚拟的缆线将两个滑动接头相连接，使两者间的运动有关联性（类似滑轮运动）。当某一个滑动接头移动时，另一个滑动接头可以依照某种比例往特定方向同步运动。单击图标 ，弹出创建缆线接头对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Prismatic Joint 1：滑动接头1，可通过“Create”按钮新建；（4
20、）Prismatic Joint 2：滑动接头2；（5）Ratio：两者移动比例，滑动接头1移动一个单位，则滑动接头2移动1Ratio个单位；（6）Length driven for Prismatic 1：是否为外部驱动；（7）Length driven for Prismatic 2：是否为外部驱动。两滑动接头的基座必须是同一个零件（Part），才能使用在缆线接头上。8.3.17 坐标对齐（Joint from axis）利用坐标轴对齐方式创建接头，可创建的接头类型有万向接头、滑动接头、旋转接头、圆柱接头和圆球接头。单击图标 ，弹出创建以坐标对齐创建接头对话框，内容如下：（1）Mechan
21、ism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Joint Name：接头名称；（3）Joint Type：接头类型；（4）Axis 1：坐标系1；（5）Axis 2：坐标系2。其他条件与具体接头类型有关。8.3.18 固定件 运动机构创建好后，需要指定参考固定件（Fix Part），机构运动是相对固定件进行的，因此正确的指定机构的固定件才能得到正确的运动结果。单击图标 ，弹出创建固定件对话框，若尚未创建机构，则单击“New Mechanism”创建新机构，接着直接单击欲作为固定件的零件即可。（注：只能有一个零件为固定件）8.3.19 装配约束
22、转换 若某机构已经在装配设计单元中，指定了正确的装配约束，则可以利用这些约束条件自动转换成对应的接头。单击图标 ，弹出装配约束转换对话框，内容如下：（1）Mechanism：接头隶属于哪一个运动机构，可通过”New Mechanism“按钮新建一个运动机构；（2）Auto Create：根据约束条件自动创建接头；（3）Product 1：欲创建接头的第一个零件；（4）Product 2：欲创建接头的第二个零件；（5）Constraints list：现有两个零件间的约束列表；（6）Joints list：现有两个零件间的接头列表；（7）Resulting type：根据约束列表中的选择，可以建
23、立的接头类型；（8）Create Joint：手动创建接头；（9）Add Command：增加驱动方式；（10）Delete Joint：删除选定的接头；（11）Fix Constraints list：固定约束列表；（12）Current Fixed Part：当前固定件；（12）Create Fix：创建固定件。（14）Delete Fix：删除固定件。8.3.20 速度与加速度 此命令用于增加分析机构运动速度与加速度的测量点，用于机构运动分析。单击图标 ，弹出速度与加速度对话框，内容如下：（1）Mechanism：测量点隶属于哪一个运动机构；（2）Name：测量点名称；（3）Refere
24、nce Product：测量参考部件（固定）；（4）Point Selection：测量点（Point）；（5）Main axis：默认世界坐标系；（6）Other axis：其他参考坐标系。注：只能使用法则模拟运动方式进行测量。8.3.20 运动模拟 在运动分析中，提供了两种模拟方式，一种是使用命令模拟运动（Simulation with Command），仅单纯进行机构几何操作，不考虑时间问题，没有速度、加速度等分析。另一种是使用法则模拟运动（Simulation with Law），用户需自定义公式（Formula）或法则（Law），设置驱动杆件的运动速度，可记录杆件位置、速度与加速度。
25、1）使用命令的运动模拟 单击图标 ，弹出使用命令方式的运动模拟对话框，内容如下：（1）Mechanism：模拟哪一个运动机构；（2）Command.1：命令列表，命令1；（3）Active Sensors：打开测量传感器，选中后弹出传感器窗口，如下图；（4）Simulation：模拟方式Immediate：通过鼠标拖动进行模拟；On Request：选择后，通过修改命令列表中的范 围，然后单击下面的开始按钮进行模拟；（5）Number of steps：模拟的步数。传感器窗口：（1）Selection：选择模拟运动过程中感应的参数，可在传感器列表中通过鼠标单击切换是否测量此参数；（2）Inst
26、antaneous Values：各传感参数当前值；（3）History：各传感参数历史值（与模拟步数有关）；（4）Display Options：每个传感器参数历史值保存深度，全部保存还是仅保存n行；（5）Detect Clashes：碰撞检测开关，需要首先通过添加碰撞命令按钮 添加待检测的碰撞，如果选中 ，则不检测碰撞，选中 ，则检测碰撞，选中 ，则检测到碰撞时暂停模拟；（6）Check Limits：是否检测接头的极限；（7）Graphics：显示模拟运动后测量的参数；（8）Options：设置显示的曲线是以模拟步数为横轴还是以其他的参数为横轴；（9）File：将结果保存为EXCEL文件
27、。1）使用法则的运动模拟 使用此方式进行运动模拟前，需要通过添加公式命令将驱动约束（如转动接头的接头角度）与时间关联起来，如Mechanism.1CommandsCommand.1Angle=(Mechanism.1KINTime/1s)*36deg 其中等式左边为驱动约束的命令，两杆件的夹角，单位为度（deg），KINTime为模拟时间，为内定关键字，单位为秒（s），此公式令此接头每秒钟转动36度。单击图标 ，弹出使用法则方式的运动模拟对话框，内容如下：（1）Mechanism：模拟哪一个运动机构；（2）Start：模拟时间范围，可通过“”按钮进行调节；（3）Analysis：是否分析干涉情
28、况；（4）Activate sensors：是否分析运动情况。8.3.21 机构分析 此功能可分析某机构的相关属性与信息。单击图标 ，弹出机构分析窗口，显示相关项目：（1）机构名称；（2）机构是否可以模拟；（3）接头数目；（4）驱动命令数目；（5）缺少驱动命令时的自由度；（6）有驱动命令是的自由度；（7）固定件名称；（8）接头种类列表。单击“Show joints”，列表中的接头会显示在模型窗口中。单击“Law”，会显示此机构所包含的法则。8.4 动态仿真 机构可通过上节的运动模拟功能进行各种分析，还可以通过本节的仿真、回放、生成动画等功能将运动过程记录下来用于演示。8.4.1 仿真 单击图标
29、 ，弹出选择仿真对象对话框，在列表中选择欲仿真的对象，如上节建立的Mechanism.1，点击“OK”按钮后，弹出编辑仿真对话框，共包含两个窗口，一个是编辑仿真窗口，另一个是仿真对象调节窗口，内容如下：（1）名称：仿真的名称；（2）调节按钮：用于实时编辑和播放用；（3）动画视点：是否记录模型窗口中视点的变化；（4）插入、修改、删除、跳过：编辑关键帧；（5）自动插入：按照一定的时间间隔自动插入关键帧；仿真对象调节窗口：（1）Use 1 Command：使用命令方式调节对象；（2）Use Laws：使用（如果存在）法则方式调节对象。编辑好确定后，在目录树中仿真节点下出现了相应名字的仿真。8.4.2
30、 编译仿真 编译仿真命令用来产生回放（Replay），回放类似于视频动画，只不过只能在CATIA环境中进行播放。单击图标 ，弹出编译仿真对话框，内容如下：（1）名称：回放的名称；（2）生成动画文件：在生产回放的同时生成视频动画文件，可用通用的播放器进行播放；（3）仿真名称：用于产生回放的仿真；（4）产生回放时的时间步长；（5）回放中是否考虑视点的变化。8.4.3 回放播放器 此命令用来直接播放前面生成的回放。单击图标 ，弹出播放回放对话框，内容如下：（1）名称：选择播放回放的名称；（2）调节按钮：用于播放控制；（3）动画视点：是否考虑视点的变化。8.4.4 仿真播放器 此命令用来直接播放前面生成的仿真和回放。单击图标 ，弹出播放仿真对话框，鼠标选择预播放的仿真或回放节点，即可进行播放控制。8.4.5 生成视频 点击【Tool】【Simulation】【Generate Vedio】鼠标点击欲生成视频的仿真或回放，弹出生成视频对话框，在播放器窗口中可以设置生成视频时的采样步骤，在视频生成窗口中科选择生成文件格式，在”设置“按钮中设置压缩选项，点击”文件名“按钮选择生成文件的目录及名称，点击”确定“按钮生成视频动画文件。
