車煥文 包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，包頭 014040

Pro/E在《機(jī)械原理》教學(xué)中的應(yīng)用

車煥文 包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，包頭 014040

本文從當(dāng)前機(jī)械原理教學(xué)中存在的問題出發(fā)，說明了應(yīng)用Pro/E軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)建模和仿真分析的步驟和特點(diǎn)，并闡述了該軟件在機(jī)械原理教學(xué)中應(yīng)用的目的、方法和內(nèi)容及所取得的成果。

1 引言

機(jī)械原理是一門以機(jī)器、機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象的技術(shù)基礎(chǔ)課，其中對(duì)機(jī)械或機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析是貫穿于這門課程的主線[1]。目前對(duì)機(jī)械、機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力分析的主要方法有2種，一是圖解法，二是解析法。圖解法的特點(diǎn)是形象直觀，但大都是用于機(jī)構(gòu)少的平面機(jī)構(gòu)，一張圖紙只能反映一個(gè)位置的情況，且準(zhǔn)確性差。解析法的特點(diǎn)是可以獲得精確的計(jì)算結(jié)果[2]，但由于機(jī)械的多樣性和組成機(jī)械的機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的復(fù)雜性，教學(xué)模型的建立和計(jì)算程序的編制相當(dāng)繁瑣，若想進(jìn)一步對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的方案進(jìn)行對(duì)比分析或變參數(shù)分析，用以上兩種方法則更難以想象，這在很大程度上影響到這門課程的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

將Pro/E軟件用在機(jī)械原理教學(xué)中，教師在教學(xué)中可以隨時(shí)運(yùn)行機(jī)構(gòu)分析，觀察機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)動(dòng)軌跡和各零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，輸出個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度圖，并且能進(jìn)一步對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的方案進(jìn)行對(duì)比分析或變參數(shù)分析，從而使機(jī)械原理教學(xué)直觀、生動(dòng)，在很大程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2 Pro/E軟件簡(jiǎn)介

Pro/E系統(tǒng)是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、汽車、模具、航天、家電、工業(yè)設(shè)計(jì)等行業(yè)。Pro/E是一款參數(shù)化建模軟件，具有豐富的零件實(shí)體建模功能，能進(jìn)行變量化的草圖輪廓繪制，并能自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)約束檢查。通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、抽殼、特征陣列以及打孔等操作，更簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)。

Pro/E的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)；Pro/E是基于特征的參數(shù)化造型，這些特征是一些普通的機(jī)械對(duì)象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易地進(jìn)行修改、裝配、加工、制造以及其他學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)有的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)，然后修改參數(shù)很容易地進(jìn)行多次設(shè)計(jì)迭代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。

Pro/E-Mechanism是Pro/E包含運(yùn)動(dòng)的一個(gè)模塊，能夠?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行模擬仿真校驗(yàn)，如運(yùn)動(dòng)仿真顯示、運(yùn)動(dòng)干涉檢驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、速度、加速度計(jì)算等[3]。

3 Pro/E在機(jī)械原理教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 Pro/E參數(shù)化設(shè)計(jì)

在機(jī)械原理教學(xué)中想要實(shí)現(xiàn)變參數(shù)分析就要用到Pro/E參數(shù)化設(shè)計(jì)。用Pro/E進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，只需將某機(jī)構(gòu)的零件設(shè)計(jì)成一個(gè)模型，在模型上標(biāo)注尺寸，尺寸線可以看成一個(gè)有向線段，上面的尺寸數(shù)字就是參數(shù)名，其方向反映了幾何數(shù)據(jù)的變動(dòng)趨勢(shì)，長(zhǎng)短反映了參數(shù)現(xiàn)值，這樣就建立了幾何實(shí)體和參數(shù)間的關(guān)系，由用戶輸入的參數(shù)名找到對(duì)應(yīng)的實(shí)體，進(jìn)而根據(jù)參數(shù)值對(duì)實(shí)體進(jìn)行編輯修改，以得到新的模型，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。許多機(jī)械零件的形狀結(jié)構(gòu)具有共同特征，只是在相對(duì)大小或局部特征上存在一定的差異，能夠通過一個(gè)模板模型衍生出不同的模型[4]。

3.2 Pro/E運(yùn)動(dòng)仿真在機(jī)械原理教學(xué)中的應(yīng)用

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)包括自由度的計(jì)算、各個(gè)構(gòu)件位移、速度和加速度的計(jì)算以及構(gòu)件會(huì)不會(huì)干涉、還有如何改變構(gòu)件的尺寸來滿足設(shè)計(jì)的需要等內(nèi)容。

本文通過在Pro/E平臺(tái)下，對(duì)四連桿典型機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模、裝配以及運(yùn)動(dòng)仿真的相關(guān)設(shè)置，在不考慮模型系統(tǒng)的作用力情況下對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析運(yùn)動(dòng)，并測(cè)量主體位置、速度和加速度的改變，檢查元件之間的關(guān)系，輸出運(yùn)動(dòng)軌跡。四桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械原理中最常見的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)中存在轉(zhuǎn)動(dòng)副，以銷釘作為連接方式。其工作原理是當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過連桿帶動(dòng)搖桿左右擺動(dòng)。該機(jī)構(gòu)具有急回的特性，即四桿機(jī)構(gòu)工作時(shí)搖桿慢慢向前擺動(dòng)，完成一次工作后搖桿急速返回原來的位置。

3.2.1 運(yùn)動(dòng)仿真的操作流程

1）裝配欲分析的機(jī)構(gòu)；2）添加運(yùn)動(dòng)配合條件；3）設(shè)定初始位置；4）加入驅(qū)動(dòng)條件；5）設(shè)定分析條件并仿真；6）播放、輸出分析結(jié)果。

3.2.2 自由度的計(jì)算

四桿機(jī)構(gòu)由4個(gè)構(gòu)件組成，其中一個(gè)是機(jī)架，可以認(rèn)為是靜止不動(dòng)的，實(shí)際上擁有自由度的構(gòu)件是3個(gè)；有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。將動(dòng)力源加在曲柄的位置上，就能使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)起來。

3.2.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)桿（曲柄）、連接桿、搖桿和底座（機(jī)架）四個(gè)零件構(gòu)成。在Pro/E中基礎(chǔ)模塊完成四個(gè)零件的建模后，先對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配：將底座固定并設(shè)置旋轉(zhuǎn)桿的主旋轉(zhuǎn)軸為銷釘連接(Pin)，旋轉(zhuǎn)桿和連接桿，連接桿和搖桿以及搖桿與底座之間采用銷釘連接(Pin)；然后進(jìn)入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊(Mechanism)進(jìn)行伺服電機(jī)的設(shè)置。由于旋轉(zhuǎn)桿的安裝軸為動(dòng)力源，定義此軸為伺服電機(jī)，方向?yàn)轫槙r(shí)針，速度為勻速。至此，該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真裝配以及參數(shù)設(shè)置完成。在分析定義(AnalysisDefinition)的窗口里完成運(yùn)動(dòng)時(shí)間和幀數(shù)的設(shè)置，便可觀看仿真動(dòng)畫[5,6]。

曲柄的運(yùn)動(dòng)是勻角速度的，讓我們通過已經(jīng)裝配好的部件，通過Pro/E的“測(cè)量結(jié)果”的功能，將搖桿的運(yùn)動(dòng)行程和時(shí)間的曲線圖顯示出來。

在設(shè)計(jì)中往往是給出搖桿的回轉(zhuǎn)角度，然后設(shè)計(jì)出機(jī)構(gòu)中曲柄以及連桿的長(zhǎng)度。我們可以規(guī)定搖桿的擺動(dòng)角度，如何改變構(gòu)件的尺寸來適應(yīng)這個(gè)新的角度，可以通過下面的兩種設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)。方法一：改變曲柄長(zhǎng)度?；氐角慵D上更改驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度尺寸—再生零件圖—刷新裝配圖—在相同的仿真運(yùn)動(dòng)條件下觀察結(jié)果。這種方法最后求得的解不一定準(zhǔn)確，并且過程也比較繁瑣。方法二：可以通過運(yùn)動(dòng)仿真模塊中的Trace Curve軌跡曲線來得到，再通過Pro/E的曲線分析和測(cè)量功能就可以輕松獲得構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

運(yùn)動(dòng)學(xué)是動(dòng)力學(xué)的一部分，它考慮除質(zhì)量和力之外的所有運(yùn)動(dòng)方面。運(yùn)動(dòng)分析會(huì)模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，滿足伺服電動(dòng)機(jī)輪廓和任何接頭、凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)、槽從動(dòng)機(jī)構(gòu)或齒輪副連接的要求。運(yùn)動(dòng)分析不考慮受力，也不必為機(jī)構(gòu)指定質(zhì)量屬性。模型中的動(dòng)態(tài)圖元，如彈簧、阻尼器、重力、力、力矩以及執(zhí)行電動(dòng)機(jī)等，不會(huì)影響運(yùn)動(dòng)分析。運(yùn)動(dòng)仿真模塊僅是Pro/E強(qiáng)大仿真功能的一部分，也就是我們說的mechanism，專注于機(jī)構(gòu)分析；而在日常的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的理論知識(shí)都很好，但是一涉及實(shí)踐環(huán)節(jié)，如設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的時(shí)候就顯得有些力不從心。本文旨在提供一種學(xué)習(xí)方法，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，增加實(shí)踐方面的能力。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.068

車煥文，男，碩士，高級(jí)講師，包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)機(jī)工程系，主要從事機(jī)電專業(yè)的教學(xué)及研究工作。

機(jī)械原理；Pro/E；運(yùn)動(dòng)仿真