Pro／E运动仿真在平面四杆机构教学中的应用

引言

    在职业中专学校任教机电专业课程多年，后接触Pro／E软件，通过几年的学习，不禁为其强大的功能所折服，特别在CAE(计算机辅助工程)功能方面，可以充分应用到《机械基础》的教学中。下例便是基于Pro／E环境中的平面四杆机构的运动仿真和运动分析。

1．建立四杆机构所需构件

    1．1新建文件

    启动Pro／E，新建文件：选“零件”／“实体”，文件名默认。

    我们可以使用两次拉伸的方法建立四杆机构的第一个构件——机架。见草绘图。

    1．2生成机架实体

    底板拉伸深度10，圆柱销拉伸深度12。选择“文件”／“保存副本”，输入新文件名“sg0 1．Prt”。

    1．3生成其余构件实体

    为提高效率，可在上述实体的基础上，再次进行编辑修改，完成后选择“文件”／“保存副本”，输入新文件名“sg02．prt”，继续进行编辑修改，完成后“保存副本”，表1为各文件名。

    机构类型判定：最长+最短(180+70=250)≤其余两杆长度之和(150+130=280)，且最短杆为连架杆。机构类型为曲柄摇杆机构。

2．构件组装

    构件组装在Pro／E中完成，即利用其“组件／设计”模块。

    2．1新建装配文件

    执行“文件”／“新建”，选“组件”／“设计”，输入文件名“sgjk．asm”，进入实体装配环境。

    2．2装配机架

    Pro／E中的装配类型分为约束和连接，约束类型相对两零件只能为固定状态，而连接可以是活动状态，且组装完成后要为完全约束或完全连接定义状态。

    执行“插入”／“元件”／“装配”，打开机架文件sg01．prt，约束类型为“缺省”。

    2．3装配曲柄

    执行“插入”／“元件”／“装配”，打开曲柄文件sg02．prt，连接类型为“销钉”，即((机械基础》教材所指的铰链连接，运动副为低副中的转动副。放置方式为轴与轴对齐，面与面对齐，并分别选择两构件几何特征，操控板显示“完全连接定义”状态。图四为完成曲柄装配后的效果图。Ctrl+Alt+鼠标拖动曲柄，可以动态观察曲柄绕机架圆柱销转动情况。

2．4装配摇杆 

    摇杆和曲柄均为连架杆，摇杆文件为sg04．prt，方法同曲柄的装配方法。

    2．5装配连杆

    执行“插入”／“元件”／“装配”，打开连杆文件sg03．prt，首先与曲柄连接，连接类型为“销钉”，单击操控板“放置”／“新设置”，增加与摇杆的连接，并进行相关几何特征选取。完成后如图五，Ctrl+Alt+鼠标拖动曲柄，可以动态观察曲柄带动连杆、摇杆运动，而且，曲柄只可转动，摇杆只可摆动。

3．运动仿真

    3．1基本原理

    Pro／ENGINEER作为CAD／CAM／CAE系统集成软件，为用户提供了全方位的产品开发功能，集零件设计、产品组装、机构设计与分析、模具设计与数控加工、工程图绘制等功能于一体，可为用户构成十分便捷、功能强大的设计及分析工作平台，解决大量原本看来可能较为棘手的工程问题。机械工程中较为常见的机构可充分利用Pro／ENGINEER的产品组装及机构仿真与分析功能，进行机构设计、仿真及动态分析。

    3．2运动仿真基本步骤

    3．2．1进入运动仿真环境。执行“应用程序”／“机构”，进入机构运动仿真环境，窗口左侧出现运动仿真特征树，右侧显示运动分析工具栏。

    3．2．2设置主动件。单击工具按钮“伺服电机”，在弹出的窗口中，选择曲柄与机架的铰接轴作为运动轴，即指定曲柄为主动件，来产生回转运动。

    切换到“轮廓”选项卡，选“速度”，A处输入“20”，数值越大，运动速度越快。

    3．2．3运动仿真设置。单击工具按钮“机构分析”，在弹出的窗口中，按图九进行设置，单击“运行”，可以看到四杆机构开始动作，曲柄作整周回转，摇杆左右摆动。30秒后结束，其运行结果将自动保存下来。

    3．2．4运动仿真回放及输出。单击工具按钮“回放”，用播放控制按钮对运动仿真进行回放。单击“捕获”，在弹出的窗口中，可以将动画输出为．mpeg和．avi视频等格式。

4．运动分析 

    4．1生成摇杆速度与时间关系的运动分析图

    单击工具按钮“生成分析”，单击新建按钮，弹出“测量定义”对话框，指定摇杆和连杆的连接轴为分析对象，进行设置，按确定。单击按钮，将生成的结果，横坐标表示时间，纵坐标表示速度。可见，在不同的时间点，摇杆的速度是不同的。曲线位置低的，运动速度慢，是四杆机构的工作行程，高的部分则是返回行程，急回特性效果明显。同理，也可生成摇杆的加速度与曲柄转动时间的关系图。

    4．2其它运动分析

    (1)死点位置分析，以摇杆作为主动件，可以发现连杆与曲柄共线时，运动不确定或无法运动，这是机构的死点位置；

    (2)急回特性观察，动画演示中，返回行程要明显快过工作行程；

    (3)全局干涉，检测机构在运动中，实体之间相互是否产生运动干涉；

    (4)运动轨迹线描绘和构件包络描绘；

    (5)机构类型判定，改变各杆件长度，重新装配，得到的运动规律一定符合各机构类型的固有规律，有力地检验了杆长条件和最短杆条件的四杆机构类型判定理论。

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