基于Pro/E的機械運動仿真設計

摘要:仿真技術在機械產品的設計中起著非常重要的作用。本文主要通過汽缸運動機構的運動仿真設計過程介紹了Pro/E中的仿真模塊以及機構仿真的設計方法和過程，并總結了該設計途徑的優越性。

關鍵詞:曲柄滑塊機構 運動仿真 Pro/E 仿真模塊

0 引言

目前，許多國內外的大型輔助設計軟件，都包含了機械裝配和運動學仿真的功能模塊，例如PTC的Pro/Engineer，SDRC的1一DEAS，MATRA的EUCI ID軟件及DES的UG等。機械產品的運動分析和仿真已經成為計算機輔助工程(CAE)中不可缺少的重要環節，同時也成為機械設計的必經過程。進行機械產品設計時，通常要進行機構的運動分析，以此來驗證機構設計的合理性和可行性。

機構運動仿真技術就是通過對機構添加運動副、驅動器，使其運動起來，以實現機構的運動模擬。此外，運用機構中的后處理功能可以查看當前機構的運動，并且可以對機構進行運動速度、軌跡、位移、運動干涉情況的分析，為研究機構模型提供方便。

1 機構運動仿真的設計過程

機構運動仿真是在Pro/E系統的裝配模式中進行的，其Mechanism功能專門用來處理裝配件的運動仿真。機構運動仿真的設計過程如圖1所示，主要可分為以下幾個

總體方案設計主要是利用已知條件，以及希望達到的目的或機械應實現的功能，進行機械的全局設計，在頭腦中構思形成比較完善的設計方案。建立運動模型是指進行機械各部分的具體設計，首先確定各零件的形狀、結構、尺寸和公差等，并在計算機上進行二維繪圖和三維實體造型，然后通過裝配模塊完成各零件的組裝，形成整機。裝配是運動仿真的前提保障，裝配關系的正確與否直接影響著運動仿真的結果，裝配前首先要確定運動的各構件以及各構件之間的運動副。確定好各構件及各構件之間的運動副之后，即可通過選擇構件和運動副組成機構，最后由各機構組成整機。并為仿真作準備。

設置運動環境是定義機械系統運動所必需的各種條件，比如:運動的動力源，初始位置和狀態等。在復雜的機械系統中，要定義多重的動力驅動，并要定義不同驅動之間的大小方向等的關系，還要約束機構的最大和最小運動極限，使系統能在合理的范圍中運動。在已建立運動模型的基礎上，此步驟將賦予模型運動的屬性。系統將在此定義下完成要求的運動。

分析運動機構是定義要分析的屬性。在PRO/M中包括裝配分析，速度分析，靜態分析，運動分析等多種分析類型。通過對系統的各種動態分析，可迅速得到相關的信息，以此設計和完善構件。獲取分析結果是將分析的結果通過可視化的方法表現出來，主要包括運動回放，可分析干涉檢驗，運動包絡等，還可測量系統中需要跟蹤的參數，并將其變化趨勢通過圖表的形式直觀的表現出來。在整個機械系統運動仿真的過程中，各步驟之間并非絕對的線性或單方面，而是相互關聯和影響的，通過分析反饋信息，完善運動模型，變化運動環境，以及分析的結果對比，各步驟之間綜合的調整和作用，才會使最終結果趨向滿意。

2 機構運動仿真的優越性

通過機構仿真，可以在進行整體設計和零件設計后，對各種零件進行裝配后模擬機構的運動，從而檢查機構的運動是否達到設計的要求，可以檢查機構運動中各種運動構件之間是否發生干涉。同時，可直接分析各運動副與構件在某一時刻的位置、運動量以及各運動副之間的相互運動關系及關鍵部件的受力情況。從而可以將整機設計中可能存在的問題消除在萌芽狀態，減少試制樣機的費用，并大大縮短機械產品的開發周期。

3 機構運動仿真綜合設計

Pro/E機構運動仿真的主要工作就是完成裝配和定義連接，添加驅動器，運動仿真和結果回放。本文將以創建汽缸運動機構的運動仿真的過程為例，來介紹機械仿真設計的基本過程。首先，將機構各元件使用三維實體建模模塊創建后，存放在同一工作目錄中。

3.1 創建元件連接 使用瀏覽的方式打開如圖2所示元件1，并在系統缺省位置固定此機架零件作為基礎。使用銷釘的連接方式分別連接如圖1所示的元件1和元件2，元件2和元件3，在元件3和元件4之間先用銷釘連接，并再添加滑動桿連接。如圖3

3.2 添加驅動器 ①進入Mechanism模塊。②單擊右工具箱中的 按鈕，在系統打開的對話框中單擊按鈕，新建一個驅動器，并將該驅動器安裝在如圖1所示的連接軸2處。③選中輪廓選項卡，在規范分組框中選擇速度選項，在模分組框中選擇常數選項，并將A值設為“36”。

3.3 進行機構仿真 ①單擊按鈕，在分析對話框中選擇新建，打開分析定義對話框。②在類型分組框中選擇運動選項，在圖形顯示分組框中輸入結束時間:“1O”、幀頻:“10”、最小時間間隔:“0.1”。③在分析對話框中單擊 按鈕，即可觀察曲柄滑塊機構的運動。

3.4 查看和分析仿真結果 ①單擊 按鈕，打開回放對話框，回放該機構的運動情況。②單擊 按鈕，打開測量結果對話框，單擊測量分組框中的 按鈕，彈出測量定義對話框。在類型分組框中選擇速度選項，選擇如圖2所示的連接軸3上的PNT0點作為測量點。③回到測量結果對話框中，在結果集中選擇measure1并單擊，單擊測量結果對話框中的按鈕，可得到連接軸3上處的PNT0點的速度如圖4所示。

4 結束語

從以上實例可以看出，Pro/E提供了完善的仿真功能，使得原來在二維圖紙上難以表達和設計的運動變得直觀和易于修改。使用三維實體建模模塊創建模型后，既可模擬模型的運動過程，分析機構的運動軌跡、位移以及干涉等問題，還可以將仿真的結果輸出，生成MPEG、JPEG等格式的文件，幫助用戶更好的完成機構設計，并且能夠大大簡化機構的設計開發過程，縮短其開發周期，減少開發費用，同時提高了產品質量。

參考文獻:

[1]孫江宏，黃小龍.Pro/Engineer2001虛擬設計與裝配.中國鐵道出版社.2003.北京.

[2]張沛頎，斐建昌，黃圣杰. Pro/Engineer2001高級攻略.人民郵電出版社.2003.北京.