运动分析基础练习：转转轮解法分析

这个题目是要轮子在平面上滚动，从中间开始向左侧滚，到头后反向（同时轮子转动也反向）向右滚，滚到头后再反向向左滚，如此往复。效果如下图。认真做做这个题目，可以很好的理解机构仿真之运动分析，它可以用到运动分析中用到的几乎全部设置。下面我大致分析一下这个题目。分析只针对运动分析这一块，有的兄弟用动态分析做了，当然也能实现，不过过程也大致和运动分析差不多，这里就不讲它了。

原题：https://www.icax.org/viewthread. ... &extra=page%3D1
运动分析基础教程：https://www.icax.org/viewthread. ... page%3D2#pid3876116

[ 本帖最后由 袖珍天使 于 2005-12-2 15:47 编辑 ]

首先，从题目动画图片上看，轮子的运动有两个，一个是水平方向上的平移运动，一个是绕轮子轴线的回转运动。要实现这两个运动，需要一个平移轴去定义平移运动伺服电机、一个旋转轴去定义回转运动伺服电机。因此，我们需要在定义接头连接时生成这么两个轴。先看一下各种接头连接能提供些什么轴：
销钉：1个自由度，提供1个旋转轴。
圆柱：2个自由度，提供1个平移轴和1个旋转轴，两个轴的轴线重合而运动方向垂直。
平面：3个自由度，提供2个平移轴和1个旋转轴，这三个轴的轴线位置都是任意的，默认情况下它们与可动主体的原始坐标系的坐标轴重合。两个平移轴的轴线在重合平面内互相垂直，旋转轴轴线与两平移轴的轴线都垂直。
滑动杆：1个自由度，提供1个平移轴。
轴承：4个自由度，提供1个平移轴，可三个方向自由旋转，但不提供可用的旋转轴。
球：3个自由度，可三个方向自由旋转，不提供任何可用平移轴或旋转轴。
6DOF：6个自由度，提供3个平移轴和3个旋转轴。可任意方向平移、旋转，轴线也是任意的。默认情况下，各轴轴线与可动主体的原始坐标系各轴重合。
刚性：0个自由度，被连接的两个主体成为一体，如果某主体是组件，其所有子零件也被固定。
焊接：0个自由度，被连接的两上主体成为一体，如果某主体是组件，其子零件仍可运动。
常规：即是用户定义连接，根据约束不同，提供的自由度数及轴数也不同。

先看一下有哪些单一连接可实现。从以上的分析中可以看到，同时提供平移轴与旋转轴的单一连接类型，有圆柱、平面、6DOF这三种接头连接。然而，圆柱提供的两个轴的轴线重合，与题目要求的两轴轴线垂直矛盾，不能用。平面连接的旋转轴与两个平移轴都垂直，6DOF提供的6个轴也可满足要求，可用，但是它们提供的各轴轴线是随意的，平移轴轴线只确定方向，不影响运动，而旋转轴的轴线位置是会影响运动的，所以，它们能提供这些轴，却不一定可供使用。不过，看一下part，轮子的中心正好在原始坐标系上，平面连接与6DOF连接提供的旋转轴默认位置正好与轮子中心点重合，因此可用。但是6DOF接头自由度太多，运动极易失稳，因此，像这种轮子滚动的，一般不要单独使用6DOF连接。
再看一下哪些组合连接可实现。圆柱不能单独用，但它能提供1个平移轴和1个旋转轴，因此，有可能它提供1个平移轴出来，再由其它的连接提供1个旋转轴出来，合起来实现所需运动。比如圆柱+销钉、圆柱+平面、圆柱+6DOF等等。具体如何组合才能实现题目要求的运动，还要看各个连接所提供的平移、旋转到底是如何运动的，并不是随便一组能凑成1平移轴+1旋转轴的组合就能实现。
最后，常规连接，它是用户自定义连接，它能提供的自由度数及运动轴数，都取决于其所使用的约束。比如：常规----匹配，选取两平面设置为重合，其功能与平面连接等效。基本上，可用的单一连接和组合连接，都可用一个或多个常规连接等效实现。

再看一下特殊连接。特殊连接有三种，凸轮、槽、齿轮。凸轮和槽的选取对象都是两个主体A和B上的线或面，只要有两个主体就可以定义。齿轮连接的选取对象是两条轴，一个旋转轴是主体A和C之间的，另一个旋转轴或平移轴不能再是A和C之间的，只能是B和C（或B和D）之间的，因此，定义齿轮连接需要至少三个主体。
这个题目并没有要求只能用两个主体，所以这三种特殊连接都可以定义。如果定义齿轮连接，那么需要第三个part作为基础part，以提供定义齿轮连接所需的轴，这个part有三种办法可实现：直接创建一个新part；在组件中创建一个骨架part；直接在组件中创建组件级特征(但是组件级特征只能当做本级组件的基体用)。

最后看一下电动机如何定义。题目要求的是一个往复式的回转运动。因此，我们可以将运动分段，向左运动用一组电机（平移A和回转A）控制，向右运动用一组电机（平移B和回转B）控制，一共两组四个电机，在定义分析时，在向左运动的时段内，启用A组电机，向右运动的时段内，启用B组电机。平移B与平移A、回转B与回转A的所有设置相同，仅方向相反（可使用“复制”再编辑反向），当然也可方向相同而“模”的正负号相异。
如上使用A、B两组电机控制，可实现任意的速度规律。由于题目没有指定速度规律，因此，这种往复式的速度变化也可用余弦电机实现（即电机的模为余弦）。这样，A、B两组电机就可简化为A、B两个电机。
另外，也可用表或自定义电机，将电机运动描述成往复式的，这样的效果如同余弦电机，也可将A、B两组电机简化为两个电机。
对于用齿轮连接的，正常的思考是平移和回转分别定义电机。但是，我们如果直接在齿轮的旋转轴上加一个平移电机（或旋转电机），使其旋转轴只做平移运动（或旋转运动），结果如何呢？结果是一边回转一边平移。因此，对齿轮连接，我们更可以简化到只用一组平移电机（或回转电机）去控制。

好，下面再简单的讲一下具体如何组合和设置才能实现。
方法1：平面连接+四电机
创建F1.asm，装入2.prt，缺省位置；装入1.prt，平面连接，1.prt的Front面与2.prt的Front面。将1.prt移到中部去。
进入“机构”环境。按“拖动”，拍一个快照Snapshot1。
不定义特殊连接。
在旋转轴上创建伺服电机SM1(ServoMoter1，下同)，规范“速度”，模为常数120。水平平移轴上创建伺服电机SM2，规范“速度”，模为常数2。点工具栏上的“定义伺服电动机”图标，复制SM1、SM2为CSM1(Copy of ServoMoter1,下同)、CSM2，编辑CSM1、CSM2，将它们的轴反向，或将它们的模的值改为-120和-2。
定义分析，类型：运动学，终止时间：25，初始配置：快照Snapshot1。电动机页里，点“添加所有电机”，则SM1、SM2、CSM1、CSM2都被加入列表，再点“添加新行”，在下面加入两行（都是SM1），将加入的第二行SM1改为SM2。修改电机生效时段：第一、二行：从“开始”到“5”，第三、四行：从“5.1”到“15”，第五、六行：从“15.1”到“终止”。
好，运行。看看运动是否与要求的一致，不符合要求的话，修改电机设置。
Part:F1.rar

方法2：平面连接+槽连接+四电机
打开1.prt，在圆心处做一个基准点PNT0；打开2.prt，在Front平面上草绘一直线，与平面两端对齐距Top面50。
创建F2.asm，装入2.prt，缺省位置；装入1.prt，平面连接，1.prt的Front面与2.prt的Front面。将1.prt移到中部去。
进入“机构”环境。按“拖动”，拍一个快照Snapshot1。
定义槽连接。从动件的点选1.prt的PNT0，槽曲线选2.prt里刚才草绘的直线段。
在水平平移轴上创建伺服电机SM1(ServoMoter1，下同)，规范“速度”，模为常数2.35。旋转轴上创建伺服电机SM2，规范“速度”，模为常数120。点工具栏上的“定义伺服电动机”图标，复制SM1、SM2为CSM1(Copy of ServoMoter1,下同)、CSM2，编辑CSM1、CSM2，将它们的轴反向，或将它们的模的值改为-2.35和-120。
定义分析，类型：运动学，终止时间：25，初始配置：快照Snapshot1。电动机页里，点“添加所有电机”，则SM1、SM2、CSM1、CSM2都被加入列表，再点“添加新行”，在下面加入两行（都是SM1），将加入的第二行SM1改为SM2。修改电机生效时段：第一、二行：从“开始”到“5”，第三、四行：从“5.1”到“15”，第五、六行：从“15.1”到“终止”。
好，运行。看看运动是否与要求的一致，不符合要求的话，修改电机设置。
使用槽连接要注意的是计算好反向的位置，如果向一个方向运动到了槽端点仍继续向前运动而不反向，系统将提示错误，因为从动点必须始终在槽曲线上。
Part:F2.rar

方法3：平面连接+轴承连接+四电机
打开1.prt，在圆心处做一个基准点PNT0；打开2.prt，Front平面上做一轴A-1，距Top面50平行于Front与Top面的交线。(注：轴A-1不必一定是轴，也可以是一个实体或曲面的直边。)
创建F3.asm，装入2.prt，缺省位置；装入1.prt，平面连接，1.prt的Front面与2.prt的Front面，轴承连接，1.prt的PNT0与2.prt的A-1轴。将1.prt移到中部去。
进入“机构”环境。按“拖动”，拍一个快照Snapshot1。
不定义特殊连接。
在轴承平移轴上创建伺服电机SM1(ServoMoter1，下同)，规范“速度”，模为常数2.35。平面的旋转轴上创建伺服电机SM2，规范“速度”，模为常数120。点工具栏上的“定义伺服电动机”图标，复制SM1、SM2为CSM1(Copy of ServoMoter1,下同)、CSM2，编辑CSM1、CSM2，将它们的轴反向，或将它们的模的值改为-2.35和-120。
余下同方法1、方法2的设置。
Part:F3.rar

方法4：平面连接+凸轮连接+四电机
创建F4.asm，装入2.prt，缺省位置；装入1.prt，平面连接，1.prt的Front面与2.prt的Front面。将1.prt移到中部去。
进入“机构”环境。按“拖动”，拍一个快照Snapshot1。
定义凸轮连接。选1.prt的圆曲线，选2.prt的平曲面，选取平面则需指定前后参照，选取平曲面的两个项点即可。
在水平平移轴上创建伺服电机SM1(ServoMoter1，下同)，规范“速度”，模为常数2.35。旋转轴上创建伺服电机SM2，规范“速度”，模为常数120。点工具栏上的“定义伺服电动机”图标，复制SM1、SM2为CSM1(Copy of ServoMoter1,下同)、CSM2，编辑CSM1、CSM2，将它们的轴反向，或将它们的模的值改为-2.35和-120。
余下同方法1、方法2的设置。
凸轮连接，如果运动使凸轮的两个主体不再有接触点，则将报错（如果不使用“启用分离”）。
Part:F4.rar

方法5：销钉+轴承+二余弦电机
这需要新建一个零件3.prt，在其中创建一条轴和一个点，分别用来定义销钉和轴承。创建3.prt，以Right与Top交线做轴A-1，在原点上创建PNT0。编辑2.prt，加轴线A-1，在Front平面上距Top平面50与Fornt和Top交线平行。
创建F5.asm。装入2.prt，缺省位置；装入3.prt，轴承接连，PNT0与2.prt的轴A-1；装入1.prt，销钉连接，1.prt和3.prt的轴A-1重合，1.prt和3.prt的Front面重合。
进入“机构”环境。按“拖动”，将1.prt移动到中部，拍一个快照Snapshot1。
在平移轴上创建伺服电机SM1(ServoMoter1，下同)，规范“速度”，模为常数“余弦”，A=2.5，T=25。旋转轴上创建伺服电机SM2，规范“速度”，模为“余弦”，A=150,B=90,T=25。
定义分析，类型：运动学，终止时间：50，初始配置：快照Snapshot1。好，运行。看看运动是否与要求的一致，不符合要求的话，修改电机设置。
余弦电机的设置可能需要多试几次才能准确模拟运动。不如多电机好控制。但余弦电机能任意时间内运动，多电机则需要仔细定义各电机的作用段。
Part:F5.rar