謝朝暉 益陽(yáng)電子工業(yè)學(xué)校 413000

Pro/E的運(yùn)動(dòng)仿真在平面四桿機(jī)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

謝朝暉 益陽(yáng)電子工業(yè)學(xué)校 413000

運(yùn)動(dòng)仿真可將靜止抽象的機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)化和具體化，平面四桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)效果在Pro/E環(huán)境中得以淋漓盡致發(fā)揮，不僅可以觀察到各構(gòu)件的組裝情況，還可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和運(yùn)動(dòng)分析，是中職《機(jī)械基礎(chǔ)》課程教學(xué)與Pro/E軟件CAE功能應(yīng)用的完美結(jié)合。

平面四桿機(jī)構(gòu)；Pro/E；CAE；運(yùn)動(dòng)仿真；運(yùn)動(dòng)分析

引 言

在職業(yè)中專學(xué)校任教機(jī)電專業(yè)課程多年，后接觸Pro/E軟件，通過(guò)幾年的學(xué)習(xí)，不禁為其強(qiáng)大的功能所折服，特別在CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）功能方面，可以充分應(yīng)用到《機(jī)械基礎(chǔ)》的教學(xué)中。下例便是基于Pro/E環(huán)境中的平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真和運(yùn)動(dòng)分析。

1.建立四桿機(jī)構(gòu)所需構(gòu)件

1.1 新建文件

圖一

啟動(dòng)P r o/E，新建文件：選“零件”/“實(shí)體”，文件名默認(rèn)。

我們可以使用兩次拉伸的方法建立四桿機(jī)構(gòu)的第一個(gè)構(gòu)件——機(jī)架。見(jiàn)草繪圖（圖一）。

1.2 生成機(jī)架實(shí)體

底板拉伸深度10，圓柱銷拉伸深度12。如（圖二）。選擇“文件”/“保存副本”，輸入新文件名“sg01.prt”。

圖二

1.3 生成其余構(gòu)件實(shí)體

為提高效率，可在上述實(shí)體的基礎(chǔ)上，再次進(jìn)行編輯修改，完成后選擇“文件”/“保存副本”，輸入新文件名“sg02.prt”,繼續(xù)進(jìn)行編輯修改，完成后“保存副本”，表1為各文件名。

機(jī)構(gòu)類型判定：最長(zhǎng)＋最短（180＋70＝250）≤其余兩桿長(zhǎng)度之和（150＋130＝280），且最短桿為連架桿。機(jī)構(gòu)類型為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

2.構(gòu)件組裝

構(gòu)件組裝在Pro/E中完成，即利用其“組件/設(shè)計(jì)”模塊。

2.1 新建裝配文件

執(zhí)行“文件”/“新建”，選“組件”/“設(shè)計(jì)”，輸入文件名“sgjk.asm”，進(jìn)入實(shí)體裝配環(huán)境。

2.2 裝配機(jī)架

Pro/E中的裝配類型分為約束和連接，約束類型相對(duì)兩零件只能為固定狀態(tài)，而連接可以是活動(dòng)狀態(tài)，且組裝完成后要為完全約束或完全連接定義狀態(tài)。

執(zhí)行“插入”/“元件”/“裝配”，打開(kāi)機(jī)架文件sg01.prt，約束類型為“缺省”。

2.3 裝配曲柄

執(zhí)行“插入”/“元件”/“裝配”，打開(kāi)曲柄文件sg02.prt，連接類型為“銷釘”（圖三），即《機(jī)械基礎(chǔ)》教材所指的鉸鏈連接，運(yùn)動(dòng)副為低副中的轉(zhuǎn)動(dòng)副。放置方式為軸與軸對(duì)齊，面與面對(duì)齊，并分別選擇兩構(gòu)件幾何特征，操控板顯示“完全連接定義”狀態(tài)。圖四為完成曲柄裝配后的效果圖。Ctrl+Alt+鼠標(biāo)拖動(dòng)曲柄，可以動(dòng)態(tài)觀察曲柄繞機(jī)架圓柱銷轉(zhuǎn)動(dòng)情況。

圖三

表1

圖四

圖五

2.4 裝配搖桿

搖桿和曲柄均為連架桿，搖桿文件為sg04.prt，方法同曲柄的裝配方法。

2.5 裝配連桿

執(zhí)行“插入”/“元件”/“裝配”，打開(kāi)連桿文件sg03.prt，首先與曲柄連接，連接類型為“銷釘”，單擊操控板“放置”/“新設(shè)置”，增加與搖桿的連接，并進(jìn)行相關(guān)幾何特征選取。完成后如圖五，Ctrl+Alt+鼠標(biāo)拖動(dòng)曲柄，可以動(dòng)態(tài)觀察曲柄帶動(dòng)連桿、搖桿運(yùn)動(dòng)，而且，曲柄只可轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿只可擺動(dòng)。

3.運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 基本原理

Pro/ENGINEER作為CAD/CAM/ CAE系統(tǒng)集成軟件，為用戶提供了全方位的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)功能，集零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品組裝、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析、模具設(shè)計(jì)與數(shù)控加工、工程圖繪制等功能于一體，可為用戶構(gòu)成十分便捷、功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)及分析工作平臺(tái)，解決大量原本看來(lái)可能較為棘手的工程問(wèn)題。機(jī)械工程中較為常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)可充分利用Pro/ENGINEER的產(chǎn)品組裝及機(jī)構(gòu)仿真與分析功能，進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真及動(dòng)態(tài)分析。

3.2 運(yùn)動(dòng)仿真基本步驟

3.2.1 進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境。執(zhí)行“應(yīng)用程序”/“機(jī)構(gòu)”，進(jìn)入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境，窗口左側(cè)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真特征樹(shù)，右側(cè)顯示運(yùn)動(dòng)分析工具欄。

切換到“輪廓”選項(xiàng)卡（圖八），選“速度”，A處輸入“20”，數(shù)值越大，運(yùn)動(dòng)速度越快。

圖六

圖七

4.運(yùn)動(dòng)分析

4.1 生成搖桿速度與時(shí)間關(guān)系的運(yùn)動(dòng)分析圖

圖九

圖十

4.2 其它運(yùn)動(dòng)分析

(1)死點(diǎn)位置分析，以搖桿作為主動(dòng)件，可以發(fā)現(xiàn)連桿與曲柄共線時(shí)，運(yùn)動(dòng)不確定或無(wú)法運(yùn)動(dòng)，這是機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置；

(2)急回特性觀察，動(dòng)畫(huà)演示中，返回行程要明顯快過(guò)工作行程；

(3)全局干涉，檢測(cè)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中，實(shí)體之間相互是否產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉；

(4)運(yùn)動(dòng)軌跡線描繪和構(gòu)件包絡(luò)描繪；

(5)機(jī)構(gòu)類型判定，改變各桿件長(zhǎng)度，重新裝配，得到的運(yùn)動(dòng)規(guī)律一定符合各機(jī)構(gòu)類型的固有規(guī)律，有力地檢驗(yàn)了桿長(zhǎng)條件和最短桿條件的四桿機(jī)構(gòu)類型判定理論。

圖十一

圖十二

圖十三

5.結(jié)束語(yǔ)

Pro/E的CAE功能異常強(qiáng)大，在《機(jī)械基礎(chǔ)》、《模具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》等專業(yè)課程教學(xué)中，將平面的、靜止的研究對(duì)象（如凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)、沖壓模工作過(guò)程等），清晰、生動(dòng)、形象地展示在我們面前，難點(diǎn)也變得容易理解。

[1] 金瀟明.機(jī)械基礎(chǔ).湖南：湖南科學(xué)技術(shù)出版社.2003

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[3] 歐陽(yáng)波儀.Pro/ENGINEER中文野火版軟件應(yīng)用技術(shù).北京：人民郵電出版社.2006[4] 高秀華.機(jī)械三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)仿真技術(shù)

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謝朝暉（1973～），男，湖南省益陽(yáng)市人，1995年本科機(jī)電專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)任益陽(yáng)電子工業(yè)學(xué)校模具專業(yè)教師。