Pro/E在《機械原理》教學中的應用

車煥文 包頭鐵道職業技術學院，包頭 014040

Pro/E在《機械原理》教學中的應用

車煥文 包頭鐵道職業技術學院，包頭 014040

本文從當前機械原理教學中存在的問題出發，說明了應用Pro/E軟件進行機構建模和仿真分析的步驟和特點，并闡述了該軟件在機械原理教學中應用的目的、方法和內容及所取得的成果。

1 引言

機械原理是一門以機器、機構為研究對象的技術基礎課，其中對機械或機構進行運動學和動力學分析是貫穿于這門課程的主線[1]。目前對機械、機構進行運動、動力分析的主要方法有2種，一是圖解法，二是解析法。圖解法的特點是形象直觀，但大都是用于機構少的平面機構，一張圖紙只能反映一個位置的情況，且準確性差。解析法的特點是可以獲得精確的計算結果[2]，但由于機械的多樣性和組成機械的機構尺寸參數的復雜性，教學模型的建立和計算程序的編制相當繁瑣，若想進一步對機械機構的方案進行對比分析或變參數分析，用以上兩種方法則更難以想象，這在很大程度上影響到這門課程的教學效果和學生的學習積極性。

將Pro/E軟件用在機械原理教學中，教師在教學中可以隨時運行機構分析，觀察機構的整體運動軌跡和各零件之間的相對運動，輸出個零件的運動軌跡和運動速度圖，并且能進一步對機械機構的方案進行對比分析或變參數分析，從而使機械原理教學直觀、生動，在很大程度上提高學生的學習積極性。

2 Pro/E軟件簡介

Pro/E系統是美國參數技術公司的產品，被廣泛應用于機械、電子、汽車、模具、航天、家電、工業設計等行業。Pro/E是一款參數化建模軟件，具有豐富的零件實體建模功能，能進行變量化的草圖輪廓繪制，并能自動進行動態約束檢查。通過拉伸、旋轉、薄壁特征、抽殼、特征陣列以及打孔等操作，更簡便地實現機械產品的開發設計。

Pro/E的所有模塊都是全相關的。這就意味著在產品開發過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數據；Pro/E是基于特征的參數化造型，這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易地進行修改、裝配、加工、制造以及其他學科都使用這些領域獨有的特征。通過給這些特征設置參數，然后修改參數很容易地進行多次設計迭代，實現產品開發。

Pro/E-Mechanism是Pro/E包含運動的一個模塊，能夠對設計進行模擬仿真校驗，如運動仿真顯示、運動干涉檢驗、運動軌跡、位移、速度、加速度計算等[3]。

3 Pro/E在機械原理教學中的應用

3.1 Pro/E參數化設計

在機械原理教學中想要實現變參數分析就要用到Pro/E參數化設計。用Pro/E進行參數化設計，只需將某機構的零件設計成一個模型，在模型上標注尺寸，尺寸線可以看成一個有向線段，上面的尺寸數字就是參數名，其方向反映了幾何數據的變動趨勢，長短反映了參數現值，這樣就建立了幾何實體和參數間的關系，由用戶輸入的參數名找到對應的實體，進而根據參數值對實體進行編輯修改，以得到新的模型，實現參數化設計。許多機械零件的形狀結構具有共同特征，只是在相對大小或局部特征上存在一定的差異，能夠通過一個模板模型衍生出不同的模型[4]。

3.2 Pro/E運動仿真在機械原理教學中的應用

機構運動包括自由度的計算、各個構件位移、速度和加速度的計算以及構件會不會干涉、還有如何改變構件的尺寸來滿足設計的需要等內容。

本文通過在Pro/E平臺下，對四連桿典型機構進行建模、裝配以及運動仿真的相關設置，在不考慮模型系統的作用力情況下對機構進行分析運動，并測量主體位置、速度和加速度的改變，檢查元件之間的關系，輸出運動軌跡。四桿機構是機械原理中最常見的機構，該機構中存在轉動副，以銷釘作為連接方式。其工作原理是當曲柄勻速轉動時，通過連桿帶動搖桿左右擺動。該機構具有急回的特性，即四桿機構工作時搖桿慢慢向前擺動，完成一次工作后搖桿急速返回原來的位置。

3.2.1 運動仿真的操作流程

1）裝配欲分析的機構；2）添加運動配合條件；3）設定初始位置；4）加入驅動條件；5）設定分析條件并仿真；6）播放、輸出分析結果。

3.2.2 自由度的計算

四桿機構由4個構件組成，其中一個是機架，可以認為是靜止不動的，實際上擁有自由度的構件是3個；有4個轉動副。將動力源加在曲柄的位置上，就能使機構運動起來。

3.2.3 曲柄滑塊機構的運動仿真分析

曲柄滑塊機構由旋轉桿（曲柄）、連接桿、搖桿和底座（機架）四個零件構成。在Pro/E中基礎模塊完成四個零件的建模后，先對該機構進行裝配：將底座固定并設置旋轉桿的主旋轉軸為銷釘連接(Pin)，旋轉桿和連接桿，連接桿和搖桿以及搖桿與底座之間采用銷釘連接(Pin)；然后進入機構運動分析模塊(Mechanism)進行伺服電機的設置。由于旋轉桿的安裝軸為動力源，定義此軸為伺服電機，方向為順時針，速度為勻速。至此，該曲柄滑塊機構的運動仿真裝配以及參數設置完成。在分析定義(AnalysisDefinition)的窗口里完成運動時間和幀數的設置，便可觀看仿真動畫[5,6]。

曲柄的運動是勻角速度的，讓我們通過已經裝配好的部件，通過Pro/E的“測量結果”的功能，將搖桿的運動行程和時間的曲線圖顯示出來。

在設計中往往是給出搖桿的回轉角度，然后設計出機構中曲柄以及連桿的長度。我們可以規定搖桿的擺動角度，如何改變構件的尺寸來適應這個新的角度，可以通過下面的兩種設計方法來實現。方法一：改變曲柄長度?；氐角慵D上更改驅動桿的長度尺寸—再生零件圖—刷新裝配圖—在相同的仿真運動條件下觀察結果。這種方法最后求得的解不一定準確，并且過程也比較繁瑣。方法二：可以通過運動仿真模塊中的Trace Curve軌跡曲線來得到，再通過Pro/E的曲線分析和測量功能就可以輕松獲得構件運動的數據。

4 結論

運動學是動力學的一部分，它考慮除質量和力之外的所有運動方面。運動分析會模擬機構的運動，滿足伺服電動機輪廓和任何接頭、凸輪從動機構、槽從動機構或齒輪副連接的要求。運動分析不考慮受力，也不必為機構指定質量屬性。模型中的動態圖元，如彈簧、阻尼器、重力、力、力矩以及執行電動機等，不會影響運動分析。運動仿真模塊僅是Pro/E強大仿真功能的一部分，也就是我們說的mechanism，專注于機構分析；而在日常的教學中發現，學生的理論知識都很好，但是一涉及實踐環節，如設計機構的時候就顯得有些力不從心。本文旨在提供一種學習方法，使學生在學習理論知識的同時，增加實踐方面的能力。

[1]陶峰.ADAMS虛擬樣機技術在機械原理教學中的應用[J].化工高等教育.2005（2）：103-104

[2]王知行，劉廷榮.機械原理[M].北京：高等教育出版社.2007.

[3]高秀華.機械三維動態設計仿真技術[M].北京：化工工業出版社.2006

[4]黃圣杰.Proe/ENGINEER2001 高級開發實例[M].北京:電子工業出版社.2002

[5]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].山西大學學報.2007（5）：74-75

[6]易飚.Proe（MXD）運動仿真與機構運動分析實例[J].蘇州職業大學學報.2004（11）：81-83

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.068

車煥文，男，碩士，高級講師，包頭鐵道職業技術學院環機工程系，主要從事機電專業的教學及研究工作。

機械原理；Pro/E；運動仿真