桂偉　姚層林　李成龍　沈彩霞　鄭夢偉　韓強

摘 要 本文以Pro/E軟件為設(shè)計平臺，以多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺為典型案例，應(yīng)用虛擬設(shè)計技術(shù)，完成該實驗臺各零件的三維實體設(shè)計、學生運動機械傳動機構(gòu)、教師運動機械傳動機構(gòu)、時鐘運動機械傳動機構(gòu)、教室門運動機械傳動機構(gòu)以及投影幕布運動機械傳動機構(gòu)五個部分虛擬裝配和整個實驗臺的虛擬裝配。

關(guān)鍵詞 Pro/E 機械系統(tǒng) 實驗臺 虛擬設(shè)計

中圖分類號：TH132.41 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.04.027

Design of Virtual Prototype of Multi-purpose Mechanical Transmission

Experiment Platform System Based on Pro/E Platform

GUI Wei， YAO Cenglin， LI Chenglong， SHEN Caixia， ZHENG Mengwei， HAN Qiang

（Wuhan Business University， Wuhan， Hubei 430056）

Abstract In this paper， based on the Pro/E software， with the multipurpose Laboratory of mechanical transmission station as a typical example， the application of virtual design technology， virtual assembly of 3D design， completed the experiment table of all parts of the student movement of mechanical transmission mechanism， teacher movement of mechanical transmission mechanism， clock movement of mechanical transmission mechanism， the classroom door moving mechanical transmission mechanism and the projection screen motion of mechanical transmission mechanism five parts and virtual assembly of the whole experiment platform.

Key words Pro/E; mechanical system; experiment platform; virtual design

0 引言

目前，機械領(lǐng)域的虛擬設(shè)計技術(shù)是利用三維設(shè)計軟件如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA等對機械裝置的零部件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、虛擬裝配、運動仿真分析。它是基于計算機輔助設(shè)計技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對機械產(chǎn)品進行設(shè)計，達到縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)成本的目的。

多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺融鏈傳動、直齒圓柱齒輪傳動、直齒圓錐齒輪傳動、平面連桿傳動，蝸輪蝸桿傳動、絲桿螺母傳動以及齒輪齒條傳動等傳動機構(gòu)于一體。該實驗臺以學生最為熟悉的課堂作為展示機械系統(tǒng)運動的場景，可以起到趣味性教學的目的，增加學生學習機械專業(yè)課程的興趣。敞開式的場景，在不用拆開演示臺的前提下就可以讓學生清楚地觀察到內(nèi)部傳動機構(gòu)的運動全過程，操作簡單、比較實用。多個傳動機構(gòu)集中在一個場景展示，可以使學生系統(tǒng)性地認識不同機構(gòu)的運動傳遞過程，有助于學生對不同的機構(gòu)進行區(qū)別。

本文基于Pro/E平臺的虛擬設(shè)計技術(shù)，完成多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺各零件的三維建模設(shè)計，虛擬樣機裝配干涉檢查、機構(gòu)運動仿真分析，在仿真中對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化設(shè)計，盡可能降低設(shè)計風險，避免實際制造中出現(xiàn)問題，從而使實驗臺一次性制造成功。

1 實驗臺典型零件齒輪的三維建模

通常，在Pro/E中每個零件的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計過程步驟基本相同，如下：（1）依據(jù)各個零件的三視圖，想象零件的形狀，為選擇合適的建模方法做好鋪墊。（2）根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，選擇建模的方法。（3）根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，進行草繪，然后利用拉伸、旋轉(zhuǎn)等特征操作，以完成零件的三維設(shè)計。（4）在已建零件模型上進行輔助特征設(shè)計，完成零件三維設(shè)計，然后保存。

多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺有多個不同類型的零件，三維設(shè)計的過程步驟基本相同，本論文只簡單闡述典型零件齒輪的三維設(shè)計過程步驟。

直齒圓柱齒輪由輪齒、鍵槽、軸孔等基本結(jié)構(gòu)特征組成，創(chuàng)建標準直圓柱齒輪的三維參數(shù)化模型。主要操作步驟如下：

（1）創(chuàng)建齒輪設(shè)計參數(shù)：

在Pro/E軟件的產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)置界面中，輸入齒輪的設(shè)計參數(shù)及相應(yīng)的初始值，模數(shù)m=2，壓力角alpha=20度，齒根圓直徑df，齒頂圓直徑da，基圓直徑db，分度圓直徑d，齒寬b=30，齒數(shù)z=56，如圖1，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。

（2）使用Pro/E的草繪功能先繪制基準曲線，后繪制四個尺寸任意的同心圓。

（3）調(diào)出Pro/E中各參數(shù)之間關(guān)系設(shè)置的對話框，在其中輸入標準直齒圓柱齒輪的關(guān)系式，如圖2，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。

圖1 齒輪參數(shù)對話框

圖2 齒輪關(guān)系對話框

（4） 系統(tǒng)進入三維實體模式，單擊【編輯】︱【再生模型】工具，自動生成滿足一定關(guān)系式的齒輪參照圓。

（5）單擊特征工具欄中的【基準曲線】工具，彈出的【曲線選項】菜單，單擊【從方程】—【完成】命令，在工作區(qū)選取系統(tǒng)默認的坐標系，單擊對話框中的【確定】按鈕，在彈出的【設(shè)置坐標系類型】菜單中，選擇【笛卡爾】坐標系，輸入形成齒輪漸開線的參數(shù)化方程，輸入完畢單擊【記事本】主菜單中的【文件】—【保存】命令，最后單擊【確定】按鈕。即可生成漸開線。

（6）創(chuàng)建鏡像漸開線特征。選取已繪制的齒輪漸開線的特征，選擇軟件中【特征】-【鏡像】命令，選擇基準平面DTM2作為鏡像平面，單擊【確定】按鈕。

（7）先進入草繪平面，選擇齒頂輪廓線，拉伸創(chuàng)建成齒輪基本實體。

（8）創(chuàng)建第一個齒槽特征。先進入草繪平面，再根據(jù)漸開線以及齒輪參照圓草繪出齒廓外形，然后對其進行拉伸切除，完成齒槽的創(chuàng)建。

（9）創(chuàng)建齒槽陣列特征。創(chuàng)建齒輪槽，選擇軟件中特征工具欄中的【陣列】命令，選擇軸陣列選項，輸入陣列個數(shù)56個，角度為360€?？樿计殷的齿聨?？

（10）拉伸切除創(chuàng)建成齒輪軸孔。

（11）拉伸軟件的切除功能畫出成齒輪鍵槽，完成齒輪的參數(shù)化設(shè)計如圖3所示。

圖3 齒輪參數(shù)化設(shè)計

2 實驗臺樣機的虛擬裝配

一般說，機械裝置的虛擬裝配是利用三維設(shè)計軟件在計算機中，對機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與裝配。多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺主要包括學生運動機械傳動機構(gòu)、教師運動機械傳動機構(gòu)、時鐘運動機械傳動機構(gòu)、教室門運動機械傳動機構(gòu)以及投影幕布運動機械傳動機構(gòu)五個部分。虛擬樣機在裝配時，首先把這5個運動機械傳動機構(gòu)作為一個組件進行虛擬裝配，然后把這5個運動機械傳動機構(gòu)裝配成整個實驗臺。

2.1 學生運動機械傳動機構(gòu)虛擬裝配

學生運動機械傳動機構(gòu)，主要由電動機、曲柄搖桿機構(gòu)、連桿限位變形機構(gòu)，以及固定構(gòu)件課桌、課椅以及電機支架組成。虛擬裝配如圖4所示。小腿在固定在機架上，小手臂與機架在形成固定鉸鏈，小手臂、大手臂、身軀、大腿、小腿之間通過活動鉸鏈鏈接。電機通過曲柄搖桿機構(gòu)，帶動五連桿限位變形機構(gòu)運動，完成學生起立和坐下的動作。

圖4 學生運動機械傳動機構(gòu)虛擬裝配圖

2.2 教師運動機械傳動機構(gòu)虛擬裝配

教師運動傳動機構(gòu)主要由：電動機;由16齒的大鏈輪、8齒的小鏈輪和鏈條組成的鏈傳動機構(gòu);齒輪齒條傳動機構(gòu);螺距6mm，單頭絲桿螺母傳動機構(gòu);限位開關(guān)、限位板以及講臺等固定構(gòu)件組成，虛擬裝配如圖5所示。電機啟動，通過鏈傳動傳遞給絲桿，絲桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成螺母的直線運動，通過螺母上的銷軸帶動放置在螺母上的尺寸做直線移動，實現(xiàn)教師木偶人的移動，通過齒輪齒條機構(gòu)實現(xiàn)教師旋轉(zhuǎn)90度面向?qū)W生的動作。

圖5 教師運動機械傳動機構(gòu)虛擬裝配圖

2.3 時鐘運動機械傳動機構(gòu)虛擬裝配

時鐘運動機械傳動機構(gòu)主要由：電動機;齒數(shù)為35的蝸輪蝸桿傳動機構(gòu);每級大齒輪齒數(shù)45，小齒輪齒數(shù)13，模數(shù)1.5的二級直齒圓柱齒輪傳動機構(gòu)以及電動機架、鐘罩和紅外位置探測器等固定構(gòu)件組成，虛擬裝配如圖6所示。電機啟動，通過蝸輪蝸桿把運動傳遞給二級直齒圓柱齒輪，與蝸輪連接的第一級圓柱齒輪的小齒輪帶動分針轉(zhuǎn)動，第二級圓柱齒輪齒輪的大齒輪帶動時針轉(zhuǎn)動。

2.4 教室門運動機械傳動機構(gòu)虛擬裝配

教室門運動機械傳動機構(gòu)主要由：電動機;雙曲柄滑塊機構(gòu)以及導桿、限位開關(guān)、電機機架等固定構(gòu)件組成，虛擬裝配如圖7所示。電機啟動，帶動雙曲柄滑塊機構(gòu)中雙曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄通過連桿，帶動教室門在導軌上進行來回往復運動，實現(xiàn)教室門的開關(guān)。

圖6 時鐘運動機械傳動機構(gòu)虛擬裝配圖

圖7 教室門運動機械傳動機構(gòu)虛擬裝配圖

2.5 投影幕布運動機械傳動機構(gòu)虛擬裝配

投影幕布運動機械傳動機構(gòu)主要由：電動機，錐齒輪傳動機構(gòu)組成，虛擬裝配如圖8所示。電機啟動，帶動大圓錐齒輪轉(zhuǎn)動，通過小圓錐齒輪帶動幕布上下運動。

圖8 投影幕布運動機械傳動機構(gòu)虛擬裝配圖

2.6 多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺虛擬裝配

多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺虛擬樣機的主體裝配主要是學生運動機械傳動機構(gòu)、教師運動機械傳動機構(gòu)、時鐘運動機械傳動機構(gòu)、教室門運動機械傳動機構(gòu)以及投影幕布運動機械傳動機構(gòu)五個傳動機構(gòu)之間的裝配。虛擬樣在裝配時，為方便整個樣機的的虛擬裝配，可以把裝置的幾個相關(guān)零件組裝成組件，然后再把相關(guān)組件裝配在一起構(gòu)建試實驗臺的整體結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺虛擬裝配圖

3 結(jié)束語

多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺的虛擬設(shè)計，減少設(shè)計物理樣機所需的人力及時間，可以達到降低產(chǎn)品成本，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期的目的。

基金項目：湖北省高等學校2014年省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目《多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺的設(shè)計研究》（項目編號：201411654009）、武漢商學院2014年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目《多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺的設(shè)計研究》（項目序號：7）、武漢商學院2014年度教學研究項目《基于學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程教學研究—以機械設(shè)計基礎(chǔ)課程為例》（項目編號：2014Y013）的階段性研究成果

參考文獻

[1] 陳定方.羅亞波.虛擬設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：108-111.

[2] 張勇，吳華，孫江宏. Pro/ENGINEER Wildfire 3.0[M].清華大學出版社，2007：100-105.

[3] 董亞斌，成經(jīng)平，丁晚景，等.基于PRO/E的立爪裝煤機虛擬樣機與仿真分析[J].黃石理工學院學報，2007.23（3）：13-15.