陳慧鵬,陳國金 (杭州電子科技大學機械工程學院，浙江 杭州 310037)

《機械原理》教學中Pro/E與Simmechanics的應用

陳慧鵬,陳國金 (杭州電子科技大學機械工程學院，浙江 杭州 310037)

論述了在《機械原理》教學中利用仿真手段進行可視化教學的必要性，以實例介紹了采用Pro/E和Simmechnics進行建模和機構運動仿真分析的步驟及特點。Pro/E和Simmechnics改變了傳統(tǒng)的圖解設計不夠直觀的情況，為《機械原理》課程設計的改進提供了一個嘗試的經(jīng)驗。

《機械原理》；Pro/E；Simmechanics；運動仿真

作為主干技術基礎課，《機械原理》是以機械共性問題為研究對象的，機械或機構的運動學和動力學分析貫穿于整個教學之中[1-2]。然而，目前的2種主要分析手段——圖解法和解析法存在作圖繁瑣或編程復雜等不足，而且如果對改進的結構方案與原方案的對比分析，則以上2種方法基本上難以完成，這不僅影響了《機械原理》課程的教學效果，也使得學生的學習積極性下降。由于以上原因，在教學中引入Pro/E軟件進行機構的三維建模，通過Pro/E與Simmechanics的接口將模型導入Simmechanics中進行運動和動力學仿真分析，能夠使學生利用先修課程——工程圖學中的繪圖知識和Pro/E建模工具，快速簡便的在Simmechanics環(huán)境中進行直觀的動力學仿真分析，充分調動學生學習積極性，提高了學習自主性和創(chuàng)造力，培養(yǎng)了學生運用現(xiàn)代化的手段解決設計問題的能力。

下面以連桿機構中的曲柄搖桿機構的運動和動力學分析為例，來說明Pro/E和Simmechanics在《機械原理》課程教學中的應用。

1 曲柄搖桿機構Pro/E三維建模

圖1 曲柄搖桿機構三維模型

利用Pro/E的三維參數(shù)化建模功能[3]，建立桿件模型，并進行裝配，如圖1所示。為方便建模，機架(Frame)長度為100mm，曲柄(Crank)長度為50mm，連桿(Rod)長度為80mm，搖桿(Rocker)長度為75mm。這樣既滿足桿長之和條件，同時也可以避免因為搖桿因長度和擺角問題對曲柄運動產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。完成三維模型的建立之后，在Pro/E通過同Matlab/Simechanics接口進行數(shù)據(jù)交換(見圖2)，產(chǎn)生TEST.xml文件，為后續(xù)工作做準備。

注意最后需要將這里所建的模型和產(chǎn)生的xml文件要復制到后續(xù)的Matlab的工作目錄中以便后面仿真獲得較好的實物動畫效果。

2 Simmechanics動力學分析

筆者利用Simmechanics結合Simulink和Matlab對一個機械系統(tǒng)進行建模仿真[4]。在Simmechanics環(huán)境中，對機構系統(tǒng)進行建模和仿真，有一套工具來設定機構的各種特性，如質量特性，可能的運動約束，坐標系統(tǒng)，還可以初始化和測量機構系統(tǒng)的運動。通過一系列相關聯(lián)的模塊來表示一個機構系統(tǒng)，就如同Simulink模型一樣，而且可以將Simmechanics作為Simulink的一個分級子系統(tǒng)嵌入Simulink環(huán)境中，將表示各種機構的模塊在普通Simulink窗口中繪制出來，并通過它自己提供的檢測與驅動模塊在Simulink中獲得整個系統(tǒng)的仿真結果[5]。

圖2 產(chǎn)生TEST.xml文件

圖3 Simulink初始模型

Simmechanics包含了剛體模塊組(Bodies)、運動副模塊組(Joins)、約束與傳動模塊組(Constraints&Driver)、檢測與驅動模塊組(Seneors&Actuators)、力元件模塊組(Force Elements)、輔助工具模塊組(Utilities)、接口模塊組(Interface Elements)[6]。通過在Matlab命令窗口通過mech_import(‘*.xml’)或者是import_physmod(‘*.xml’)導入，得到如圖3所示的Simulink模型。

2.1添加驅動

Simmechanics通過Sensors&Actuators模塊對模型實施運動的加載以及相應檢測量的測量。從Simulink常用模塊中選取Constant模塊，曲柄采用10rad/S的角速度進行勻速運轉，這里需要注意的就是Joint Actuator模塊里面需要輸入的是Motion還是Force，同時采用Motion的時候需要給定3個輸入變量角度、角速度和角加速度。這三者之間的互為微分和積分的關系，因此當確定輸入運動的某一個變量的時候，可以采用微分和積分模塊對其余2個變量進行計算。在Joint Actuator中還需要注意的就是要設置單位。Simmechanics里的Body Actuator模塊輸入的則是對Body施加的Torque(力矩)或者是Force(力)。

其他一些常用的XY圖像以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦ぷ骺臻g的操作和普通的simulink模型相同。最終得到的模型如圖4所示。

2.2檢測模塊

Simmechanics檢測模塊主要包括Joint Sensor和Body Sensor，通過Body Sensor模塊可以檢測構件上某些點的運動軌跡、速度、加速度、角速度和角加速度。Joint Sensor可以針對不同的運動副檢測相應的變量值。這里因為都是旋轉副，所以可以檢測到旋轉的角度、角速度、角加速度、計算力矩。

在test模型中，取連桿的左端點(CS4)、右端點(CS5)和質心(CG)，取搖桿的上的某一點CS4(該點距離質心10mm)，同時將他們各個運動狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息輸入到工作空間中以便后續(xù)的分析使用。這些數(shù)據(jù)類型如圖5所示，分別為坐標位置、速度、角速度、加速度和角加速度，可以通過在工作空間中添加命令進行一些數(shù)據(jù)上的對比和獲取。圖6是桿件左右端點的軌跡圖。

3 結論

通過對曲柄搖桿機構在Pro/E中的建模和 SimMechanics中的仿真可以得出以下結論。

(1) 只要在Pro/E中對仿真模型做適當修改，就可以對曲柄滑塊、雙搖桿等其他機構進行運動和動力學分析，與傳統(tǒng)的《機械原理》課教學方法相比可視化效果好，易于更改調整、對比分析。

圖4 四桿機構完整模型

圖5 輸出數(shù)據(jù)類型 圖6 桿件端點軌跡圖

(2) 將Pro/E建模和SimMechanics仿真應用到《機械原理》課堂教學中具有較大的新穎性，補充了圖解法、解析法的不足，體現(xiàn)了教學的革新，調動學生的學習積極性，提高學生的學習興趣，增強了學生分析問題、解決問題的能力。

[1]王知行，劉廷榮. 機械原理[M]. 北京:高等教育出版社，2000.

[2]華大年. 機械原理[M].北京:高等教育出版社，1994.

[3]董亞峰，程鵬飛，黃莉. Proe運動仿真功能在實驗教學中的應用[J]. 山西農業(yè)大學學報, 2007(S1)：74-75.

[4]徐生林，劉艷娜. 兩足機器人的SimMechanics建模[J]. 浙江大學學報(工學版)， 2010(7)：1361-1367.

[5]楊綠云，郭飛. 基于SimMechanics的六桿機構動力學仿真[J]. 華北水利水電學院學報，2010(4)：86-88.

[6]解本銘，孔維定. 基于SimMechanics的三自由度并聯(lián)打磨機構動力學分析與仿真[J]. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011(4)：82-84.

[編輯] 洪云飛

N4

A

1673-1409(2013)22-0135-03

2013-05-12

浙江省輪機與港口裝備技術創(chuàng)新團隊子項目 (2012R10003-01)。

陳慧鵬(1978-)，男，博士，講師，現(xiàn)主要從事機械設計、仿真和優(yōu)化方面的教學與研究工作。