李鎮(zhèn)山

摘要：針對(duì)垃圾箱腳踩翻蓋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，基于Pro/Engineer參數(shù)化自頂而下設(shè)計(jì)方法完成翻蓋聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用Mechanism功能對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)態(tài)分析和靜態(tài)分析，應(yīng)用Pro/Mechanica功能進(jìn)行了整機(jī)有限元分析，驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)的性能和可實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)分析；Pro/E；Pro/Mechanism；Pro/Mechanica

Pro/Engineer軟件是美國(guó)PTC旗下CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件，該軟件以參數(shù)化著稱，在目前的三維設(shè)計(jì)軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/Mechanism是Pro/Engineer的運(yùn)動(dòng)分析模塊，可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)態(tài)分析、靜態(tài)分析和力平衡分析等。Pro/Mechanica Structure是集靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析于一體的有限元模塊，能夠模擬真實(shí)環(huán)境為模型施加約束及載荷，測(cè)算模型的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、模態(tài)和振動(dòng)等多種分析，對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估、研究和優(yōu)化。

1基于Pro/Engineer參數(shù)化自頂而下設(shè)計(jì)

自頂向下設(shè)計(jì)（Top-Down）是從一個(gè)系統(tǒng)的角度，計(jì)劃所有設(shè)計(jì)過(guò)程的一種先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。Pro/ENGINEER軟件提供了完整的Top-Down設(shè)計(jì)方案，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)按照其功能要求在考慮產(chǎn)品各組件及零件之間的約束和定位關(guān)系的基礎(chǔ)上先定義頂層的骨架，在完成頂層設(shè)計(jì)之后，再進(jìn)行單個(gè)零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。Pro/Engineer自頂向下設(shè)計(jì)有著產(chǎn)品頂層設(shè)計(jì)意圖的集中控制、父子關(guān)系的A型傳遞、整體產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)易于管理、便于實(shí)施和推進(jìn)協(xié)同工作及有效的探索設(shè)計(jì)變更等優(yōu)點(diǎn)，最大限度地減少設(shè)計(jì)階段不必要的重復(fù)工作，有利于提高工作效率。

1.1翻蓋機(jī)構(gòu)自頂而下設(shè)計(jì)方案

根據(jù)Pro/E自上而下設(shè)計(jì)方法進(jìn)而構(gòu)建腳踩翻蓋機(jī)構(gòu)自頂而下設(shè)計(jì)方案，如圖1所示：

1.2翻蓋機(jī)構(gòu)自頂而下設(shè)計(jì)實(shí)施

垃圾箱容積為0.3m3，設(shè)計(jì)一種腳踩翻蓋機(jī)構(gòu)，開(kāi)度要求大于700mm，且開(kāi)門結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)隨開(kāi)隨閉。根據(jù)垃圾箱腳踩翻蓋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)意圖進(jìn)而構(gòu)建翻蓋機(jī)構(gòu)3D主控布局骨架，如圖2所示，圖中A1軸所表示的是將桿件1通過(guò)固定鉸支座與箱體連接，A4軸所表示的是將翻蓋通過(guò)固定鉸支座與箱體連接，A3軸所表示的是將桿件2與翻蓋鉸接，A2軸所表示的是將桿件2與桿件1鉸接，進(jìn)而構(gòu)成了翻蓋機(jī)構(gòu)3D主骨架，保存為.Prt元件。

在Pro/E-ASM環(huán)境下將3D主控布局骨架與新建Rep.Prt元件進(jìn)行裝配，進(jìn)而應(yīng)用元件操作中的合并功能傳遞3D主控布局骨架參數(shù)到Rep.Prt元件中；在Rep.Prt元件中通過(guò)幾何復(fù)制、圖元拾取和參照等功能得到各零件次骨架，再由次骨架分別生成各零件，從而完成了從主控骨架到各個(gè)零件參數(shù)的傳遞。

通過(guò)上述的翻蓋機(jī)構(gòu)自頂而下設(shè)計(jì)，當(dāng)翻蓋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變更時(shí)，其設(shè)計(jì)參數(shù)的變化就會(huì)通過(guò)翻蓋機(jī)構(gòu)3D主控布局骨架參數(shù)的變化傳遞給上述各主要部件，致使所有部件都會(huì)進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，進(jìn)而適應(yīng)了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的頻繁變更設(shè)計(jì)參數(shù)的情況，并有效地提高了從機(jī)構(gòu)到整機(jī)設(shè)計(jì)的效率，同時(shí)為機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

2基于Pro/Mechanism翻蓋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

Pro/Mechanism可進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真，能夠很好地簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程和縮短開(kāi)發(fā)周期，減少開(kāi)發(fā)成本。

2.1機(jī)構(gòu)創(chuàng)建

在Pro/E-ASM環(huán)境下將各零件進(jìn)行元件間相互關(guān)系的連接，進(jìn)而完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中自由度的約束。Pro/E所提供多種連接方式，可根據(jù)實(shí)際連接情況進(jìn)行元件間的連接，此翻蓋機(jī)構(gòu)的四處實(shí)際連接均為“銷釘”連接，但在Pro/Mechanism系統(tǒng)計(jì)算中會(huì)出現(xiàn)冗余，需要選擇適當(dāng)?shù)倪B接類型，在不影響真實(shí)連接情況的基礎(chǔ)上控制模型中的冗余，這里采用“球”點(diǎn)一點(diǎn)對(duì)齊連接替換“銷釘”連接，實(shí)現(xiàn)真實(shí)連接情況的同時(shí)又釋放了兩個(gè)自由度，達(dá)到了消除冗余的目的。

2.2機(jī)構(gòu)仿真分析

在Pro/E-ASM環(huán)境下選擇“應(yīng)用程序”-“機(jī)構(gòu)”進(jìn)入Mechanism工作環(huán)境。

（1）通過(guò)設(shè)定A1連接處旋轉(zhuǎn)軸的“零點(diǎn)位置”、“最小限制值”和“最大限制值”的方法限定桿件1（即踏板）在一個(gè)合理角度區(qū)間運(yùn)動(dòng)。

（2）設(shè)定伺服電機(jī)（1deg/sec），選取A1連接處旋轉(zhuǎn)軸為伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)軸。

（3）設(shè)定初始條件為翻蓋機(jī)構(gòu)閉合狀態(tài)。

（4）設(shè)定負(fù)載。

（5）翻蓋機(jī)構(gòu)“開(kāi)度”分析：

新建分析設(shè)定類型為“運(yùn)動(dòng)學(xué)”，初始狀態(tài)為翻蓋機(jī)構(gòu)閉合狀態(tài)下的“快照”，終止時(shí)間為旋轉(zhuǎn)軸的“最大限制值”；新建測(cè)量設(shè)定為“位置”，選定開(kāi)度測(cè)量點(diǎn)和坐標(biāo)系，根據(jù)選定的坐標(biāo)系指定測(cè)量分量，完成該機(jī)構(gòu)的“開(kāi)度”分析。

在不發(fā)生機(jī)構(gòu)干涉的情況下，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法測(cè)得翻蓋機(jī)構(gòu)的最大開(kāi)度為818mm，如圖3所示：

（6）翻蓋機(jī)構(gòu)僅在重力作用下的回落分析：

新建分析設(shè)定類型為“靜態(tài)”，初始狀態(tài)為翻蓋機(jī)構(gòu)最大開(kāi)度狀態(tài)下的“快照”，外部負(fù)載“啟用重力”。翻蓋機(jī)構(gòu)僅在重力作用下的回落分析如圖4所示。通過(guò)靜態(tài)分析可知，該機(jī)構(gòu)僅在重力作用下即可完成箱蓋的自動(dòng)關(guān)閉。

（7）翻蓋機(jī)構(gòu)靜負(fù)載與開(kāi)度關(guān)系的分析：

在考慮重力的作用下翻蓋機(jī)構(gòu)踏板所受力與開(kāi)度的關(guān)系如圖5所示。通過(guò)分析可知，翻蓋（材料為鋁鎂錳合金板）的初始開(kāi)合力為53N，達(dá)到700mm開(kāi)合度的開(kāi)合力約為58N，達(dá)到最大開(kāi)合度近818mm的開(kāi)合力為60N，符合人機(jī)工程學(xué)要求。

（8）翻蓋機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析：

在考慮重力的作用下翻蓋機(jī)構(gòu)踏板處受60N力各連接處作用反力動(dòng)態(tài)分析如圖6所示，分析結(jié)果為進(jìn)一步對(duì)連接處銷軸強(qiáng)度校核奠定基礎(chǔ)。

基于Pro/Mechanism翻蓋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果可知，該機(jī)構(gòu)最大開(kāi)度為818mm，滿足開(kāi)合度大于700mm的設(shè)計(jì)要求；初始開(kāi)合力為53N，最大開(kāi)合度開(kāi)合力為60N，符合人機(jī)工程學(xué)要求；翻蓋機(jī)構(gòu)僅在重力中用下即可完成關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了隨開(kāi)隨閉的功能。

3基于Pro/Mechanica翻蓋機(jī)構(gòu)的有限元分析

Pro/Mechanica主要包括Structure和Thermal兩個(gè)模塊，其中Pro/Mechanica Structure用來(lái)進(jìn)行零件和組件模式下的結(jié)構(gòu)分析，其分析種類有靜態(tài)分析、模態(tài)分析、屈曲分析、接觸分析預(yù)應(yīng)力分析和振動(dòng)分析等，通過(guò)指定設(shè)計(jì)參數(shù)，能夠在給出變化范圍內(nèi)進(jìn)行靈敏度分析，并借助優(yōu)化分析為模型尋找到最佳參數(shù)。

基于Pro/Mechanica結(jié)構(gòu)有限元分析的一般步驟：模型簡(jiǎn)化-進(jìn)入結(jié)構(gòu)分析環(huán)境-定義材料屬性-（增加理想化模型）-施加約束、載荷-建立分析-運(yùn)行分析-獲取結(jié)果。

翻蓋機(jī)構(gòu)在踏板處受60N力作用下，整機(jī)應(yīng)力分析如圖7所示、位移分析如圖8所示，根據(jù)結(jié)果判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，進(jìn)而再進(jìn)行修改和優(yōu)化。

4結(jié)語(yǔ)

本文基于Pro/Engineer軟件通過(guò)自頂而下設(shè)計(jì)方法完成了翻蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并應(yīng)用Pro/Mechanica/Mechanism功能進(jìn)行了翻蓋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和有限元分析，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，體現(xiàn)出了Pro/Engineer軟件在整機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的功用，極大地縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。