基于Pro/E的齒輪泵運(yùn)動(dòng)仿真與裝配動(dòng)畫研究

李奉香 周 川

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430050)

設(shè)計(jì)人員利用Pro/E軟件等現(xiàn)代三維軟件設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行模擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真、干涉檢查獲取質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等重要的設(shè)計(jì)參數(shù),并為結(jié)構(gòu)計(jì)算分析提供了幾何模型,大大提高了設(shè)計(jì)效率,減少了設(shè)計(jì)成本[1～2]。隨著大型機(jī)器的發(fā)展,裝配工藝編制和裝配要求更高,如一臺(tái)船舶柴油機(jī)能否可靠地運(yùn)轉(zhuǎn),保證良好的工作性能和經(jīng)濟(jì)性,很大程度上決定于裝配工作是否完成,即裝配工藝過(guò)程對(duì)產(chǎn)品起決定作用[3]。通過(guò)虛擬裝配的動(dòng)畫制作,可指導(dǎo)裝配工藝編制和指導(dǎo)工人裝配,提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量。

1 Pro/E軟件功能和虛擬裝配步驟

Pro/E是美國(guó) PTC公司開(kāi)發(fā)的CAD/CAE/CAM 軟件,功能強(qiáng)大,模塊眾多,集成了實(shí)體設(shè)計(jì)、曲面設(shè)計(jì)、工程圖制作、零件裝配等多個(gè)應(yīng)用程序模塊,每個(gè)應(yīng)用程序都有它獨(dú)立的功能,但相互之間又動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián),它為三維造型、虛擬裝配、有限元分析、運(yùn)動(dòng)仿真等設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便[4]。目前,利用Pro/E進(jìn)行虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真的基本方法資料有一些,但在虛擬裝配過(guò)程中,裝配順序和裝配定位的約束關(guān)系選擇是難點(diǎn),因?yàn)檫@要根據(jù)各零件裝配關(guān)系由設(shè)計(jì)者確定,而且各零件不同。運(yùn)動(dòng)仿真中的類型選擇和約束位置確定,也要根據(jù)具體情況確定,而且裝配動(dòng)畫操作方法的資料極少。本文以齒輪泵為例介紹RPO/E軟件中的運(yùn)動(dòng)仿真和裝配動(dòng)畫的操作思路和具體方法。

虛擬裝配是運(yùn)動(dòng)仿真和裝配動(dòng)畫操作的基礎(chǔ),這里簡(jiǎn)單介紹虛擬裝配的步驟。(1)選擇“文件/新建”命令,在新建對(duì)話框類型選項(xiàng)中選取“組件”模塊,子類型選項(xiàng)中選取“設(shè)計(jì)”,取消“使用缺省模板”,在名稱文本框中輸入裝配體的文件名。(2)在新文件選項(xiàng)/模板中選擇“mmns_asm_design”選項(xiàng),進(jìn)入 Pro/E組件模塊。選擇“插入/元件/裝配”命令,調(diào)入零件1模型。(3)給零件1施加定位約束。(4)選擇“插入/元件/裝配”命令,調(diào)入零件2。(5)給零件2進(jìn)行裝配定位[5]。齒輪泵裝配后立體圖和分解視圖,如圖1、圖2所示。

圖1 齒輪泵立體圖

2 基于Pro/E的運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 運(yùn)動(dòng)分析工作流程[6]

圖2 齒輪泵分解視圖

運(yùn)動(dòng)分析可分五步,一是創(chuàng)建模型:定義主體,生成連接或生成特殊連接。主體(Body)是指一個(gè)元件或彼此無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的一組元件,主體內(nèi)DOF=0;連接(Connections)是定義并約束相對(duì)運(yùn)動(dòng)的主體之間的關(guān)系。在“連接”頁(yè)面給元件加入各種組合約束,如“銷釘”、“圓柱”、“剛體”、“球”、“6DOF”等等,這需要根據(jù)具體運(yùn)動(dòng)原理,選擇類型;根據(jù)具體相對(duì)位置選擇約束位置。二是檢查模型:拖動(dòng)組件,檢驗(yàn)所定義的連接是否能產(chǎn)生預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。三是加入運(yùn)動(dòng)分析圖元:設(shè)定伺服電機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)能夠?yàn)闄C(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng),通過(guò)伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng),并且能以函數(shù)的方式定義運(yùn)動(dòng)輪廓。四是分析模型:定義運(yùn)動(dòng)分析并運(yùn)行。五是結(jié)果獲得:結(jié)果回放,分析結(jié)果,獲取數(shù)據(jù)。

2.2 齒輪的運(yùn)動(dòng)仿真

齒輪泵的運(yùn)動(dòng)仿真主要是齒輪的運(yùn)動(dòng)仿真,軸、鍵與齒輪一起運(yùn)動(dòng),其它零件為固定件。步驟如下:

(1)準(zhǔn)備工作。新建,選擇組件;再建立基準(zhǔn)軸,在TOP平面上建立兩平行的基準(zhǔn)軸,間距為兩齒輪節(jié)圓半徑的和。

(2)建立連接。裝入兩個(gè)齒輪,分別建立“銷釘”連接。將齒輪1的軸與基準(zhǔn)軸1對(duì)齊,端面與FRONT平面對(duì)齊。將齒輪2的軸與基準(zhǔn)軸2對(duì)齊,端面與FRONT平面對(duì)齊,如圖3所示。

(3)建立特殊連接進(jìn)入機(jī)構(gòu)界面。單擊齒輪副連接,出現(xiàn)對(duì)話框如圖4所示。選擇齒輪1的軸作為運(yùn)動(dòng)軸;在“齒輪2”中也相應(yīng)地選擇齒輪2的中心軸作為運(yùn)動(dòng)軸;設(shè)置兩個(gè)齒輪的節(jié)圓大小,如圖5所示。

(4)檢查模型。單擊小手圖標(biāo),選取某一齒輪,進(jìn)行拖動(dòng)查看運(yùn)動(dòng)情況。

(5)設(shè)定伺服電動(dòng)機(jī)。單擊右邊“伺服電動(dòng)機(jī)”按鈕,在“類型”選項(xiàng)中選取“運(yùn)動(dòng)軸”,選取其中一個(gè)齒輪的銷釘連接作為電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸,如圖6所示。單擊“輪廓”選項(xiàng),在“規(guī)范”選項(xiàng)中選擇“速度”,并設(shè)定速度大小,如圖7所示。

(6)分析模型。單擊機(jī)構(gòu)分析圖標(biāo),選擇分析類型為“運(yùn)動(dòng)學(xué)”類型;確定運(yùn)行時(shí)間;單擊“運(yùn)行”,如圖8所示。

(7)干涉分析。單擊“回放”圖標(biāo),回放界面,如圖19所示?？勺屜到y(tǒng)計(jì)算干涉情況,若有干涉會(huì)出現(xiàn)紅色標(biāo)志干涉區(qū)域;也可通過(guò)動(dòng)畫對(duì)話框,播放動(dòng)畫,觀看運(yùn)動(dòng)情況;也可通過(guò)捕獲,制定視頻動(dòng)畫播放文件。

圖3 建立連接

圖4 齒輪副定義

圖5 建立特殊連接

圖6 設(shè)定伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)軸

圖7 設(shè)定伺服電動(dòng)機(jī)

圖8 分析模型

圖9 干涉分析

3 基于Pro/E的裝配動(dòng)畫

3.1 動(dòng)畫制作流程

動(dòng)畫制作可分四步,一是主體定義。二是拖動(dòng)并創(chuàng)建快照(Snapshot)。三是創(chuàng)建關(guān)鍵幀序列(Keyframes)。關(guān)鍵幀是動(dòng)畫過(guò)程中起到重要位置的指示作用的快照。四是運(yùn)行并回放。

3.2 齒輪泵的裝配動(dòng)畫

打開(kāi)已經(jīng)裝配好的齒輪泵組件,并切換到動(dòng)畫(菜單:應(yīng)用程序—?jiǎng)赢?。

(1)主體定義。單擊主體定義;點(diǎn)擊“每個(gè)主體一個(gè)零件”后“關(guān)閉”,如圖10所示。

圖10 主體定義

(2)拖動(dòng)并創(chuàng)建快照。單擊拖動(dòng)工具;點(diǎn)擊拍照,記下組件的當(dāng)前位置,如圖11所示。用小手將零件拖到合適的位置;拍照,如圖12所示。同理將所有的元件都拖出來(lái)并拍照,如圖13所示。

圖11 創(chuàng)建快照

圖13 元件拍照

(3)創(chuàng)建關(guān)鍵幀序列。單擊關(guān)鍵幀,創(chuàng)建關(guān)鍵幀,如圖14所示。單擊圖標(biāo)進(jìn)行定時(shí)視圖設(shè)置,如圖15所示。單擊菜單:工具-時(shí)間域,更改一下時(shí)間域的長(zhǎng)短,如圖16所示。

圖14 創(chuàng)建關(guān)鍵幀

(4)運(yùn)行并回放,錄制動(dòng)畫。單擊運(yùn)行圖標(biāo)運(yùn)行動(dòng)畫,回放界面,如圖17所示。也可通過(guò)動(dòng)畫對(duì)話框,播放動(dòng)畫,觀看運(yùn)動(dòng)情況;也可通過(guò)捕獲,制定視頻動(dòng)畫播放文件。

圖15 定時(shí)視圖設(shè)置

圖16 更改時(shí)間域

圖17 錄制動(dòng)畫

4 結(jié) 語(yǔ)

在Pro/E環(huán)境下,實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件快速造型和裝配的方法,不僅能夠保證零件造型的準(zhǔn)確性,而且可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段直接檢查機(jī)械系統(tǒng)各個(gè)零部件在空間的裝配情況和干涉情況,以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)計(jì)和分析,提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期,優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

1 胡仁喜,李 琳,王淵峰.Pro/Engineer Wildfire 3.0機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)尚百例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

2 溫建民,任 倩,于廣濱.Pro/E Wildfire 3.0三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與工程范例[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

3 黃 政.船舶柴油機(jī)裝配工藝專家系統(tǒng)研究[J].造船技術(shù),2010(1).

4 曹 巖.Pro/Engineer Wildfire 3.0機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例精解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

5 周四新.Pro/ENGINEER Wildfire工業(yè)設(shè)計(jì)范例教程[M].人民郵電出版社,2005.

6 周四新,和青芳.Pro/ENGINEER Wildfire高級(jí)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.