黃 堯，胡友明

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430071）

基于Pro/ENGINEER的水輪機(jī)振動平臺運(yùn)動仿真方法

黃 堯，胡友明*

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430071）

介紹了采用Pro/EN GIN EER[1]進(jìn)行振動平臺運(yùn)動仿真的基本方法[2-3]，結(jié)合振動平臺的設(shè)計(jì)與制造特點(diǎn)，闡述了基于機(jī)械(M echanism)模塊實(shí)現(xiàn)振動平臺工作過程中的關(guān)鍵技術(shù)，給出了具體的操作步驟，實(shí)現(xiàn)了振動平臺的運(yùn)動仿真，最后總結(jié)了該方法的優(yōu)越性。

Pro/EN GIN EER；運(yùn)動仿真；振動；設(shè)計(jì)

水輪機(jī)模擬振動平臺是進(jìn)行實(shí)物仿真（Hardware-in-the-loop Simulation）的關(guān)鍵設(shè)備[4，5]，在水輪機(jī)的仿真過程中起著極為重要的作用。仿真振動平臺可以模擬水輪機(jī)在空間實(shí)際的運(yùn)動情形，運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征，采集現(xiàn)場信號，從而可以對水輪機(jī)的性能進(jìn)行反復(fù)測試，獲得較為重要數(shù)據(jù)。振動平臺性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真和測試實(shí)驗(yàn)的可靠性和置信度，因此，振動平臺運(yùn)動仿真的研究對水輪機(jī)運(yùn)行性能的分析具有重要的意義。

虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特征、精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維裝配，再通過運(yùn)動仿真模擬機(jī)器的運(yùn)動過程，就可以在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題以及與用戶要求的符合程度，進(jìn)而進(jìn)行方案修改。

在水輪機(jī)的開發(fā)過程中應(yīng)用這種方法可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少樣機(jī)實(shí)驗(yàn)次數(shù)，迅速地對市場做出反映，并降低產(chǎn)品的成本，提高企業(yè)的競爭力。本文在Pro/ENGINEER wildfire2.0 環(huán)境下針對某動態(tài)性能模擬測試系統(tǒng)的振動平臺進(jìn)行了三維造型設(shè)計(jì)[6，7]，并完成了振動平臺零部件的裝配過程仿真，同時對振動平臺的運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了仿真研究。

1 基于Pro/ENGINEER的振動平臺機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真基本方法

裝配工藝在振動平臺制造中起著重要的作用，可靠的裝配過程可以對振動平臺零部件的可裝配性進(jìn)行評價(jià)，同時是保證振動平臺實(shí)現(xiàn)預(yù)定精度指標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8]。而振動平臺的運(yùn)動學(xué)分析可以校驗(yàn)運(yùn)動部件能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動，同時為實(shí)現(xiàn)振動平臺的可靠性控制奠定基礎(chǔ)。振動平臺的裝配過程仿真和運(yùn)動學(xué)仿真能夠以低成本方式準(zhǔn)確地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)設(shè)計(jì)過程，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，從而達(dá)到縮短周期和節(jié)約成本目的。仿真過程的動畫將輸出為視頻文件，可以用作設(shè)計(jì)方案展示、產(chǎn)品推介、裝配及維護(hù)人員的培訓(xùn)等，成為設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與產(chǎn)品研制下游環(huán)節(jié)的互動平臺；同時，也有效地避免了頻繁啟動物理實(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)演示的簡單方便、低成本和高效率的特點(diǎn)。

機(jī)構(gòu)仿真技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬真實(shí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程，同時借助系統(tǒng)建模技術(shù)和可視化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)仿真。

Pro/ENGINEER是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動化軟件，是一個參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)并具有單一數(shù)據(jù)庫功能。在Pro/ENGINEER中，運(yùn)動仿真的結(jié)果不但可以以動畫片的形式表現(xiàn)出來，還可以以參數(shù)的形式輸出，從而能夠獲知零件之間是否干涉和干涉的范圍有多大等，并根據(jù)仿真結(jié)果對所設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行修改，直到不產(chǎn)生干涉為止。在Pro/ENGINEER系統(tǒng)中，使振動平臺組件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動仿真的方法有3種， 機(jī)械(Mechanism)模塊實(shí)現(xiàn)，Animation功能實(shí)現(xiàn)， Pro/MECHANICA(簡稱Pro/M)模塊的Motion部分實(shí)現(xiàn)PRO/MECHANICA中的MOTION 模塊，是一個完整的三維實(shí)體靜力學(xué)，運(yùn)動學(xué)，動力學(xué)和逆動力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，是機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析強(qiáng)有力的工具。在Pro/ENGINEER操作界面就可以使用集成的PRO/MECHANICA MOTION 中的函數(shù)。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真是在Pro/ ENGINEER wildfire2.0系統(tǒng)的裝配模式中進(jìn)行的，其Mechanism功能專門用來處理裝配件的運(yùn)動仿真[9，10]。本文基于機(jī)械(Mechanism)模塊實(shí)現(xiàn)振動平臺工作狀態(tài)的運(yùn)動仿真在裝配(Assembly)模式中[11]，Mechanism功能專門用來處理組件間的運(yùn)動仿真。該模塊與Pro/E完全集成，不需單獨(dú)安裝，操作簡便易用，但分析功能不是很強(qiáng)。它可以使用戶通過運(yùn)動副/連接的設(shè)定，使振動平臺組件按實(shí)際情況運(yùn)動[12]。在Pro/ENGINEER的機(jī)械(Mechanism)模塊中，可進(jìn)行振動平臺的機(jī)械運(yùn)動仿真，并可將其結(jié)果輸入到Pro/MECHANICA中，以便進(jìn)一步進(jìn)行力學(xué)分析，也可將機(jī)械模型帶入到設(shè)計(jì)動畫(Animation)中以創(chuàng)建一個動畫序列[13]。總體方案設(shè)計(jì)主要是利用已知條件，以及希望達(dá)到的目的或機(jī)械應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，進(jìn)行機(jī)械的全局設(shè)計(jì)，在頭腦中構(gòu)思形成比較完善的設(shè)計(jì)方案。

2 振動平臺機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真的設(shè)計(jì)過程

機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真的設(shè)計(jì)過程如圖1所示，主要可分為以下幾個步驟：

圖1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真的設(shè)計(jì)流程圖

(1)創(chuàng)建機(jī)構(gòu)

圖2 水輪機(jī)模擬振動平臺裝配圖

首先確定各零件的形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸和公差等，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行三維實(shí)體造型，然后通過裝配模塊完成各零件的組裝，形成整機(jī)裝配是運(yùn)動仿真的前提保障，裝配關(guān)系的正確與否直接影響著運(yùn)動仿真的結(jié)果，裝配前首先要確定運(yùn)動的各構(gòu)件以及各構(gòu)件之間的運(yùn)動副。確定好各構(gòu)件及各構(gòu)件之間的運(yùn)動副之后，即可通過選擇構(gòu)件和運(yùn)動副組成機(jī)構(gòu)，最后由各機(jī)構(gòu)組成整機(jī)，并為仿真作準(zhǔn)備。在運(yùn)用Pro/ENGINEER wildfire2.0在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動仿真的過程中，機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建是一個很重要的步驟，機(jī)構(gòu)沒有創(chuàng)建好，后續(xù)的運(yùn)動方針和模型分析等工作都不能夠進(jìn)行[14]。水輪機(jī)模擬振動平臺裝配圖如圖2所示。

(2)使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動

在裝配環(huán)境模式下，打開振動平臺裝配文件，選擇菜單/應(yīng)用程序Mechanism進(jìn)入運(yùn)動仿真環(huán)境。設(shè)置運(yùn)動環(huán)境是定義機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動所必需的各種條件，比如：運(yùn)動的動力源，初始位置和狀態(tài)等。在復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)中，要定義多重的動力驅(qū)動，并要定義不同驅(qū)動之間的大小方向等的關(guān)系，還要約束機(jī)構(gòu)的最大和最小運(yùn)動極限，使系統(tǒng)能在合理的范圍中運(yùn)動。在已建立運(yùn)動模型的基礎(chǔ)上，此步驟將賦予模型運(yùn)動的屬性。系統(tǒng)將在此定義下完成要求的運(yùn)動。Pro/E機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真的主要工作就是完成裝配和定義連接，添加驅(qū)動器，運(yùn)動仿真和結(jié)果回放。首先，將機(jī)構(gòu)各元件使用三維實(shí)體建模模塊創(chuàng)建后，存放在同一工作目錄中。為了使機(jī)構(gòu)模型能夠運(yùn)動起來，進(jìn)入“Mechanism”模塊向模型中添加驅(qū)動器。驅(qū)動就是機(jī)構(gòu)的動力源，伺服電機(jī)能夠?yàn)闄C(jī)構(gòu)提供驅(qū)動。通過伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)及平移運(yùn)動，并能以函數(shù)的方式定義運(yùn)動輪廓，可以使用參數(shù)進(jìn)行控制。振動平臺工作狀態(tài)的運(yùn)動仿真主要是振動平臺大軸的轉(zhuǎn)動，故在此對大軸設(shè)置伺服電機(jī)。

(3)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

分析運(yùn)動機(jī)構(gòu)是定義要分析的屬性。在 PRO/M中包括裝配分析，速度分析，靜態(tài)分析，運(yùn)動分析等多種分析類型[15]。通過對系統(tǒng)的各種動態(tài)分析，可迅速得到相關(guān)的信息，以此設(shè)計(jì)和完善構(gòu)件。設(shè)定分析條件并運(yùn)行完成對機(jī)構(gòu)的連接和驅(qū)動的設(shè)置后，就可以為運(yùn)動設(shè)置合適的條件及環(huán)境，隨后進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析。

(4)查看和分析仿真結(jié)果，分析研究機(jī)構(gòu)模型

對機(jī)構(gòu)的分析運(yùn)行完成后，就可以使用回放/測量等功能進(jìn)一步了解運(yùn)動過程。如單擊/結(jié)果回放按鈕，打開/回放對話框:選取/全局干涉，單擊/播放按鈕，即可觀看振動平臺工作狀態(tài)的運(yùn)動仿真結(jié)果.再如單擊/運(yùn)動包絡(luò)按鈕，打開/創(chuàng)建運(yùn)動包絡(luò)對話框：設(shè)置運(yùn)動級別值，選取零件，既可預(yù)覽包絡(luò)模型，也可保存包絡(luò)模型。通過“回放結(jié)果”來重新演示機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程，檢測干涉、定性分析從動運(yùn)動特性，保存運(yùn)動結(jié)果并創(chuàng)建MPEGJPEG文件等。在整個機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真的過程中，各步驟之間并非獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)和影響的，通過分析仿真的結(jié)果，不斷完善運(yùn)動模型、變換運(yùn)動的環(huán)境，才會使最終的設(shè)計(jì)結(jié)果趨向滿意。

2.2 機(jī)構(gòu)連接類型簡介

2.3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真的優(yōu)越性

通過機(jī)構(gòu)仿真，可以在進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)后，對各種零件進(jìn)行裝配后模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，從而檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，可以檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動中各種運(yùn)動構(gòu)件之間是否發(fā)生干涉。同時，可直接分析各運(yùn)動副與構(gòu)件在某一時刻的位置、運(yùn)動量以及各運(yùn)動副之間的相互運(yùn)動關(guān)系及關(guān)鍵部件的受力情況[16]。從而可以將整機(jī)設(shè)計(jì)中可能存在的問題消除在萌芽狀態(tài)，減少試制樣機(jī)的費(fèi)用，并大大縮短機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)周期。

2.4 幾個需要注意的問題

(1)運(yùn)動模型的質(zhì)量屬性包括密度，體積，重心和慣性矩對于不需要考慮/力的場合，例如純粹的機(jī)械運(yùn)動，可不設(shè)置質(zhì)量屬性。

(2)連接能限制主體的自由度，僅保留所需的自由度，以產(chǎn)生機(jī)構(gòu)所需的運(yùn)動類型，連接的建立需要配合/約束去限制主體的某些自由度，而常規(guī)的裝配則限制了元件所有的自由度。在完成連接裝配后，若要移動元組件，不能在/元件放置中直接移動，而應(yīng)切換到機(jī)械(Mechanism)下，單擊，可實(shí)現(xiàn)拖動。

(3)對運(yùn)動組件的連接完成后，可以通過/連接軸設(shè)置功能對連接作參數(shù)設(shè)定，例如主體的相對位置/零位置/參照運(yùn)動范圍限制等。

2.6 仿真分析結(jié)果

根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，我們進(jìn)行了振動仿真，主要包括機(jī)構(gòu)的基本運(yùn)動仿真和不同工況下面的運(yùn)動仿真，由于還沒有和外部測試和控制系統(tǒng)連接，目前的所有仿真是內(nèi)部自定義的，運(yùn)動結(jié)果只能滿足基本的需要，但是已經(jīng)可以考到整體的三維運(yùn)動仿真效果，只要和外部系統(tǒng)連接起來就可以實(shí)現(xiàn)整體的協(xié)同仿真效果，是后續(xù)要研究的重點(diǎn)。

3 結(jié)語

從以上實(shí)例可以看出，Pro/ENGINEER提供了完善的仿真功能，使得原來在二維圖紙上難以表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動變得直觀和易于修改。使用三維實(shí)體建模模塊創(chuàng)建模型后，既可模擬模型的運(yùn)動過程，分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡、位移以及干涉等問題，還可以將仿真的結(jié)果輸出，生成MPEG、JPEG等格式的文件，幫助用戶更好的完成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且能夠大大簡化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，縮短其開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用，同時提高了產(chǎn)品質(zhì)量。Pro/ENGINEER運(yùn)動分析模塊可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運(yùn)動軌跡，分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。運(yùn)動分析模塊的分析結(jié)果可以修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者調(diào)整零件的材料。設(shè)計(jì)的更改可以直接反映在裝配主模型的復(fù)制品分析方案中，再重新分析，一旦確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)更改就可直接反映到裝配主模型中，所以，在振動平臺的產(chǎn)品開發(fā)中，應(yīng)用Pro/ENGINEER運(yùn)動分析模塊除了可完成以上所述的仿真功能外，還有更多的功能有待發(fā)掘和利用。

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Study on the Movement Simulation of Vibrating Platform of Water Turbine Using Pro/ENGINEER

HUANG Yao，HU You-ming

(School of Mechanical Science & Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan Hubei 430074, China)

The basic method of simulation of vibrating platform movement using Pro/ENGINEER was introduced in the paper. According to analyzing the design and manufacturing characteristics of vibrating platform, the key technologies of vibrating platform basing on mechanism module were expatiated, and the detailed operation steps were carried out to performed movement simulation of vibrating platform. Finally the superiority of the method was concluded

Pro/ENGINEER; movement simulation; vibration; design

TH139

A

1009－5160(2010)03－0041－04

*通訊作者：胡友明（1965-）男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：數(shù)控裝備，智能制造與控制等.

國家自然科學(xué)基金（505750087）.