基于Pro/E平臺的多用途機械系統傳動實驗臺的虛擬樣機設計

桂偉　姚層林　李成龍　沈彩霞　鄭夢偉　韓強

摘 要 本文以Pro/E軟件為設計平臺，以多用途機械系統傳動實驗臺為典型案例，應用虛擬設計技術，完成該實驗臺各零件的三維實體設計、學生運動機械傳動機構、教師運動機械傳動機構、時鐘運動機械傳動機構、教室門運動機械傳動機構以及投影幕布運動機械傳動機構五個部分虛擬裝配和整個實驗臺的虛擬裝配。

關鍵詞 Pro/E 機械系統 實驗臺 虛擬設計

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，機械領域的虛擬設計技術是利用三維設計軟件如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA等對機械裝置的零部件進行結構設計、虛擬裝配、運動仿真分析。它是基于計算機輔助設計技術，在虛擬環境中對機械產品進行設計，達到縮短研發周期、減少研發成本的目的。

多用途機械系統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部傳動機構的運動全過程，操作簡單、比較實用。多個傳動機構集中在一個場景展示，可以使學生系統性地認識不同機構的運動傳遞過程，有助于學生對不同的機構進行區別。

本文基于Pro/E平臺的虛擬設計技術，完成多用途機械系統傳動實驗臺各零件的三維建模設計，虛擬樣機裝配干涉檢查、機構運動仿真分析，在仿真中對結構設計進行優化設計，盡可能降低設計風險，避免實際制造中出現問題，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構設計過程步驟基本相同，如下：（1）依據各個零件的三視圖，想象零件的形狀，為選擇合適的建模方法做好鋪墊。（2）根據零件的結構，選擇建模的方法。（3）根據零件的結構，進行草繪，然后利用拉伸、旋轉等特征操作，以完成零件的三維設計。（4）在已建零件模型上進行輔助特征設計，完成零件三維設計，然后保存。

多用途機械系統傳動實驗臺有多個不同類型的零件，三維設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計過程步驟。

直齒圓柱齒輪由輪齒、鍵槽、軸孔等基本結構特征組成，創建標準直圓柱齒輪的三維參數化模型。主要操作步驟如下：

（1）創建齒輪設計參數：

在Pro/E軟件的產品參數化設置界面中，輸入齒輪的設計參數及相應的初始值，模數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）調出Pro/E中各參數之間關系設置的對話框，在其中輸入標準直齒圓柱齒輪的關系式，如圖2，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。

圖1 齒輪參數對話框

圖2 齒輪關系對話框

（4） 系統進入三維實體模式，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，在工作區選取系統默認的坐標系，單擊對話框中的【確定】按鈕，在彈出的【設置坐標系類型】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，拉伸創建成齒輪基本實體。

（8）創建第一個齒槽特征。先進入草繪平面，再根據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，完成齒槽的創建。

（9）創建齒槽陣列特征。創建齒輪槽，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56個，角度為360€埃繕杓埔蟮某萋幀？

（10）拉伸切除創建成齒輪軸孔。

（11）拉伸軟件的切除功能畫出成齒輪鍵槽，完成齒輪的參數化設計如圖3所示。

圖3 齒輪參數化設計

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計軟件在計算機中，對機械產品的結構進行設計與裝配。多用途機械系統傳動實驗臺主要包括學生運動機械傳動機構、教師運動機械傳動機構、時鐘運動機械傳動機構、教室門運動機械傳動機構以及投影幕布運動機械傳動機構五個部分。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裝配成整個實驗臺。

2.1 學生運動機械傳動機構虛擬裝配

學生運動機械傳動機構，主要由電動機、曲柄搖桿機構、連桿限位變形機構，以及固定構件課桌、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，帶動五連桿限位變形機構運動，完成學生起立和坐下的動作。

圖4 學生運動機械傳動機構虛擬裝配圖

2.2 教師運動機械傳動機構虛擬裝配

教師運動傳動機構主要由：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;齒輪齒條傳動機構;螺距6mm，單頭絲桿螺母傳動機構;限位開關、限位板以及講臺等固定構件組成，虛擬裝配如圖5所示。電機啟動，通過鏈傳動傳遞給絲桿，絲桿的旋轉運動轉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，實現教師木偶人的移動，通過齒輪齒條機構實現教師旋轉90度面向學生的動作。

圖5 教師運動機械傳動機構虛擬裝配圖

2.3 時鐘運動機械傳動機構虛擬裝配

時鐘運動機械傳動機構主要由：電動機;齒數為35的蝸輪蝸桿傳動機構;每級大齒輪齒數45，小齒輪齒數13，模數1.5的二級直齒圓柱齒輪傳動機構以及電動機架、鐘罩和紅外位置探測器等固定構件組成，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動，第二級圓柱齒輪齒輪的大齒輪帶動時針轉動。

2.4 教室門運動機械傳動機構虛擬裝配

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

圖6 時鐘運動機械傳動機構虛擬裝配圖

圖7 教室門運動機械傳動機構虛擬裝配圖

2.5 投影幕布運動機械傳動機構虛擬裝配

投影幕布運動機械傳動機構主要由：電動機，錐齒輪傳動機構組成，虛擬裝配如圖8所示。電機啟動，帶動大圓錐齒輪轉動，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虛擬裝配圖

2.6 多用途機械系統傳動實驗臺虛擬裝配

多用途機械系統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、教師運動機械傳動機構、時鐘運動機械傳動機構、教室門運動機械傳動機構以及投影幕布運動機械傳動機構五個傳動機構之間的裝配。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零件組裝成組件，然后再把相關組件裝配在一起構建試實驗臺的整體結構，如圖9所示。

圖9 多用途機械系統傳動實驗臺虛擬裝配圖

3 結束語

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

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

參考文獻

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