基于Pro/e的起升機構三維建模和運動仿真

趙軻，蔡業彬，黃崇林，陳健添

（廣東石油化工學院機電工程學院，廣東茂名 525000）

0 引言

為鐵運公司設計從倉庫到車的裝卸作業裝備，需要用到曲柄滑塊機構作為起升機構，傳統的機械結構設計只能在圖紙上進行靜態的修改，數學運算等進行運動學和動力學分析，或者應用物理模型進行仿真。這是一種以靜態分析、近似計算、經驗設計、人工勞動為特征的設計，需要耗費人力、物力，卻又效果不佳的方法［1］。但隨著計算機技術的飛速發展，各種各樣的三維設計軟件出現，可以實現機構或產品的三維建模、運動仿真，并且具有和與其它功能強大的分析軟件的交互接口，在分析過程中發現問題只需進行參數修改即可，這樣可以替代很多傳統設計方法的手段，減少產品和機構的設計周期，提高設計品質。本文通過對裝卸裝置的起升機構在pro/e軟件中進行三維建模、裝配和運動仿真［2－6］，設計出合理的曲柄滑塊機構，應用在裝卸裝置中，能夠滿足其使用要求。

1 起升結構與工作原理

裝卸裝置整體機構大概可以分為三部分:鏈傳動部分、滑輪組部分以及起升與移動部分，結構示意圖見圖1所示。傳動鏈上的鏈板放置重物，電動機帶動鏈輪轉動，可將重物上下傳送;滑輪組部分通過電動機帶動，拉緊繩子，改變兩支架角度，將框架右端升高到所需的高度;整體機構用四個輪子支撐，后輪上兩個支架與后輪連接為鉸接，支架1與框架為鉸接，支架2與框架之間為滑動連接，兩支架間夾角可變化。通過動力牽引該裝卸裝置的四輪運動即可移動到所需位置。本文重點分析起升機構特點。

圖1 起升機構結構示意圖

2 起升機構的運動模型建立

根據起升機構各零件的連接和運動特點，分析其特征組成，建立起升高部分各零件的三維模型，為了方便使用連接仿真時必須用到的基礎元件和某些軸線，所以不用其裝配時的實際零件三維模型，而是簡化其具體結構，建立只是體現各零件之間的連接和運動關系的三維模型，然后進行連接和運動仿真，其機構原理為曲柄滑塊機構。

2.1 曲柄滑塊機構的裝配

首先裝配基礎元件，因重物裝至鏈板上以后，后輪位置基本不變，故以后輪固定于地面且前輪做滑動運動，所以建立的基礎元件模型包括地面、地面上的固定塊（后輪）和前輪做滑動運動時的軸線（圖2中的桿）如圖2所示。進入裝配界面，用放置下拉菜單中的坐標系將基礎元件固定，基礎元件就連接完成。

圖2 基礎元件模型

其次裝配曲柄、搖桿和滑塊，如圖3所示。因為前輪在地面移動，簡化為滑塊1;桿1為曲柄，框架為搖桿。用滑動桿（SLIDER）約束將滑塊1連接于基礎元件中的桿上，用銷釘（PIN）約束將桿1與基礎元件中的固定塊3上的銷孔連接，框架與桿1和滑塊1的連接都用銷釘約束，簡單的曲柄滑塊機構就可連接完成。

2.2 桿2的裝配

機構升高需要通過兩桿的之間的夾角變化，所以，需要裝入桿2進行運動仿真，桿2裝入時一端與基礎元件中的固定塊和桿1都是銷釘連接;另外一端要沿著框架滑動，故設置滑塊2與框架之間有相對移動關系?；瑝K2與桿2是銷釘連接，與框架的連接本應是滑動桿連接（SLIDER），但是因為與桿2已經是銷釘連接，限制了其沿某個面滑動的自由度，所以，滑塊2與框架的連接應該是圓柱連接（CYLINDER），不能再用滑動桿連接滑塊（SLIDER）約束，這樣才能正確定義連接，否則自由度過多限制，出現冗余約束，會導致連接失敗。在定義連接時，因為框架位置固定，滑塊同時連接桿2和框架，所以容易出現連接正確而組件安裝失敗的提示，那么很可能就是桿2放在不能安裝的位置，此時，點擊桿2“編輯定義”，在“移動”面板選擇“旋轉”，拖動桿2會自動旋轉到正確的安裝位置。連接好的機構如圖3所示。

圖3 連接好的曲柄滑塊機構模型

3 運動仿真

所有連接約束完成后，進入機構模式，檢查裝配的連接情況，連接成功即可開始進行運動仿真。

3.1 添加伺服電動機

從圖1的起升機構結構示意圖中可以看出，該機構的動力由電動機提供，通過滑輪組上的繩子拉動桿1和桿2角度變化，將機構一端升高。而在pro/e軟件里面是沒有繩子這一元件的，所以綜合分析機構運動特點，將機構仿真的運動軸設置在桿1與基礎元件連接的銷釘軸上，即將桿1作為主動件，其它元件為從動件進行仿真。

3.2 運動學仿真及結果分析

在運動學仿真中，可以得到幾何圖元和連接的位置、速度以及加速度，還可以得到機構運動的軌跡曲線等。

1）位置分析

通過“分析”下拉列表中的測量，建立從框架頂端到基礎平面的距離定義，利用拖動圖標拖動桿1旋轉，得到距離值為1000 mm和3500 mm時，桿2和框架的接觸點位置，這樣就可以確定桿2運動的兩個極限位置，設置極限擋塊，保證裝卸機構可以裝卸的高度范圍在3.5 m左右。

2）運動學分析

設置運行條件，定義伺服電機severmotor1的驅動速度為1deg/sec，新建一個分析，分析類型為運動學，估計桿1與桿2之間的夾角為100°左右，所以運行時間60 s，幀頻設為100Hz，開始運行。運行結果為analysis definition，可分析運動時框架頂端的點距離基礎元件的位置，速度及加速度，如圖4所示。從速度和加速度曲線圖可以看出，起升機構的升高基本是勻速運動，不會有大的速度波動，起升機構可以平穩上升。

圖4 運動學仿真分析曲線

3）靜態分析

定義“力/扭矩”作為機構的外部負荷，考慮油桶質量，作用在框架上的作用力大概為7 500 N，給機構加外負載7 500 N，定義為點力;另外因滑輪組繞繩子作用在桿1和桿2上，且作用力大小相等，方向相反，故在滑輪位置定義兩個“點對點力”，給初始值3 500 N;伺服電機1仍然用之前運動學分析時定義的，摩擦力和重力忽略不計，點擊“運行”，進行靜態分析，查看測量結果，運行完成，如果在機構運動范圍內達到平衡（加速度為0），則說明作用在滑輪上的力在這個值左右能夠滿足使用要求，否則，可以重新設置作用在滑輪上的力，直到滿足要求。經分析比較，定義作用在滑輪上的力為3 500 N時迭代次數少，且最大加速度最小。如圖5。

圖5 靜態分析曲線

4 結論

利用pro/e可以進行機構的運動仿真，可以直觀清楚的看到某些復雜機構設計的可行性，而且可以方便的進行參數修改，滿足機構各方面的運動和使用要求。本例中通過結構分析和運動仿真，驗證了該起升機構的可行性，并估算了作用在滑輪組上的作用力，為機構的強度校核和電動機的選擇提供了參考。因上述機構的復雜性，本文基于pro/e的三維建模和運動仿真方法對于各種機械產品機構設計有一定的研究意義。

［1］趙松年，等.現代設計方法［M］.北京:機械工業出版社，2011.

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