基于Pro/E翻蓋機構設計與仿真分析

李鎮山

摘要：針對垃圾箱腳踩翻蓋機構的設計要求，基于Pro/Engineer參數化自頂而下設計方法完成翻蓋聯動機構設計；應用Mechanism功能對該機構進行了運動學分析、動態分析和靜態分析，應用Pro/Mechanica功能進行了整機有限元分析，驗證了該機構的性能和可實用性。

關鍵詞：機構設計；運動分析；Pro/E；Pro/Mechanism；Pro/Mechanica

Pro/Engineer軟件是美國PTC旗下CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件，該軟件以參數化著稱，在目前的三維設計軟件領域中占有著重要地位。Pro/Mechanism是Pro/Engineer的運動分析模塊，可實現機構的運動仿真、運動學分析、動態分析、靜態分析和力平衡分析等。Pro/Mechanica Structure是集靜態、動態結構分析于一體的有限元模塊，能夠模擬真實環境為模型施加約束及載荷，測算模型的應力、應變和位移等參數，實現靜態、模態和振動等多種分析，對模型進行評估、研究和優化。

1基于Pro/Engineer參數化自頂而下設計

自頂向下設計（Top-Down）是從一個系統的角度，計劃所有設計過程的一種先進的產品設計方法。Pro/ENGINEER軟件提供了完整的Top-Down設計方案，在產品開發時按照其功能要求在考慮產品各組件及零件之間的約束和定位關系的基礎上先定義頂層的骨架，在完成頂層設計之后，再進行單個零件的詳細設計。Pro/Engineer自頂向下設計有著產品頂層設計意圖的集中控制、父子關系的A型傳遞、整體產品的開發易于管理、便于實施和推進協同工作及有效的探索設計變更等優點，最大限度地減少設計階段不必要的重復工作，有利于提高工作效率。

1.1翻蓋機構自頂而下設計方案

根據Pro/E自上而下設計方法進而構建腳踩翻蓋機構自頂而下設計方案，如圖1所示：

1.2翻蓋機構自頂而下設計實施

垃圾箱容積為0.3m3，設計一種腳踩翻蓋機構，開度要求大于700mm，且開門結構能實現隨開隨閉。根據垃圾箱腳踩翻蓋機構的設計意圖進而構建翻蓋機構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通過固定鉸支座與箱體連接，A4軸所表示的是將翻蓋通過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，進而構成了翻蓋機構3D主骨架，保存為.Prt元件。

在Pro/E-ASM環境下將3D主控布局骨架與新建Rep.Prt元件進行裝配，進而應用元件操作中的合并功能傳遞3D主控布局骨架參數到Rep.Prt元件中；在Rep.Prt元件中通過幾何復制、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零件參數的傳遞。

通過上述的翻蓋機構自頂而下設計，當翻蓋機構的設計參數發生變更時，其設計參數的變化就會通過翻蓋機構3D主控布局骨架參數的變化傳遞給上述各主要部件，致使所有部件都會進行設計變更，進而適應了機構設計中的頻繁變更設計參數的情況，并有效地提高了從機構到整機設計的效率，同時為機構優化設計奠定了基礎。

2基于Pro/Mechanism翻蓋機構的運動分析

Pro/Mechanism可進行機構的運動學分析和仿真，能夠很好地簡化機構設計開發過程和縮短開發周期，減少開發成本。

2.1機構創建

在Pro/E-ASM環境下將各零件進行元件間相互關系的連接，進而完成機構運動中自由度的約束。Pro/E所提供多種連接方式，可根據實際連接情況進行元件間的連接，此翻蓋機構的四處實際連接均為“銷釘”連接，但在Pro/Mechanism系統計算中會出現冗余，需要選擇適當的連接類型，在不影響真實連接情況的基礎上控制模型中的冗余，這里采用“球”點一點對齊連接替換“銷釘”連接，實現真實連接情況的同時又釋放了兩個自由度，達到了消除冗余的目的。

2.2機構仿真分析

在Pro/E-ASM環境下選擇“應用程序”-“機構”進入Mechanism工作環境。

（1）通過設定A1連接處旋轉軸的“零點位置”、“最小限制值”和“最大限制值”的方法限定桿件1（即踏板）在一個合理角度區間運動。

（2）設定伺服電機（1deg/sec），選取A1連接處旋轉軸為伺服電機運動軸。

（3）設定初始條件為翻蓋機構閉合狀態。

（4）設定負載。

（5）翻蓋機構“開度”分析：

新建分析設定類型為“運動學”，初始狀態為翻蓋機構閉合狀態下的“快照”，終止時間為旋轉軸的“最大限制值”；新建測量設定為“位置”，選定開度測量點和坐標系，根據選定的坐標系指定測量分量，完成該機構的“開度”分析。

在不發生機構干涉的情況下，通過運動學分析方法測得翻蓋機構的最大開度為818mm，如圖3所示：

（6）翻蓋機構僅在重力作用下的回落分析：

新建分析設定類型為“靜態”，初始狀態為翻蓋機構最大開度狀態下的“快照”，外部負載“啟用重力”。翻蓋機構僅在重力作用下的回落分析如圖4所示。通過靜態分析可知，該機構僅在重力作用下即可完成箱蓋的自動關閉。

（7）翻蓋機構靜負載與開度關系的分析：

在考慮重力的作用下翻蓋機構踏板所受力與開度的關系如圖5所示。通過分析可知，翻蓋（材料為鋁鎂錳合金板）的初始開合力為53N，達到700mm開合度的開合力約為58N，達到最大開合度近818mm的開合力為60N，符合人機工程學要求。

（8）翻蓋機構動態分析：

在考慮重力的作用下翻蓋機構踏板處受60N力各連接處作用反力動態分析如圖6所示，分析結果為進一步對連接處銷軸強度校核奠定基礎。

基于Pro/Mechanism翻蓋機構的運動分析結果可知，該機構最大開度為818mm，滿足開合度大于700mm的設計要求；初始開合力為53N，最大開合度開合力為60N，符合人機工程學要求；翻蓋機構僅在重力中用下即可完成關閉，實現了隨開隨閉的功能。

3基于Pro/Mechanica翻蓋機構的有限元分析

Pro/Mechanica主要包括Structure和Thermal兩個模塊，其中Pro/Mechanica Structure用來進行零件和組件模式下的結構分析，其分析種類有靜態分析、模態分析、屈曲分析、接觸分析預應力分析和振動分析等，通過指定設計參數，能夠在給出變化范圍內進行靈敏度分析，并借助優化分析為模型尋找到最佳參數。

基于Pro/Mechanica結構有限元分析的一般步驟：模型簡化-進入結構分析環境-定義材料屬性-（增加理想化模型）-施加約束、載荷-建立分析-運行分析-獲取結果。

翻蓋機構在踏板處受60N力作用下，整機應力分析如圖7所示、位移分析如圖8所示，根據結果判斷結構設計情況，進而再進行修改和優化。

4結語

本文基于Pro/Engineer軟件通過自頂而下設計方法完成了翻蓋機構設計，并應用Pro/Mechanica/Mechanism功能進行了翻蓋機構的運動分析和有限元分析，達到了預期設計要求，體現出了Pro/Engineer軟件在整機機構設計中的功用，極大地縮短了產品的開發周期，提高了產品市場競爭力。