Pro/ENGINEER運動仿真模塊在運動學教學中的應用

摘 要:本文分析了傳統(tǒng)授課方式在運動學教學中存在的弊端，并以理論力學運動學中的習題為例，說明如何將Pro/ENGINEER的運動仿真模塊(Mechanism Design eXtension)應用到運動學的教學過程中。實現(xiàn)Pro/ENGINEER運動仿真與傳統(tǒng)教學有機結(jié)合，以提高教學效果。

關鍵詞:運動仿真 運動學 教學效果

中圖分類號:G642文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0131-01

理論力學是機械類專業(yè)的技術基礎課，在教材結(jié)構上通常由靜力學、運動學和動力學三篇組成。運動學不僅是理論力學教學過程中重要的一環(huán)，在整個機械工程教育中也起著承上啟下的作用。因此運動學授課質(zhì)量的好壞將直接影響到機械工程專業(yè)的教育質(zhì)量。

因此，本文將Pro/ENGINEER的運動仿真模塊引入到運動學課程的教學中，以剛體運動課后習題為例，說明如何在Pro/ENGINEER軟件中建立機構模型并進行運動仿真和結(jié)果輸出。

1 Pro/ENGINEER運動仿真模塊(MDX)簡介

Pro/ENGINEER軟件(簡稱Pro/E)是由美國參數(shù)科技公司(Parametric Technology Corporation簡稱PTC)開發(fā)的大型CAD/CAE/CAM軟件。自開發(fā)以來，以全參數(shù)化尺寸驅(qū)動、基于特征、單一全關聯(lián)的數(shù)據(jù)庫等優(yōu)點，成為國際參數(shù)化的行業(yè)標準，深受用戶好評[2]。

Mechanism Design eXtension(簡稱MDX)是Pro/E包含運動的一個模塊，能夠與Pro/E結(jié)合使用設計機構并進行模擬仿真校驗。此外MDX模塊的主要功能有:

1)能夠適時改變構建尺寸來滿足設計的需要;2)交互的拖動并調(diào)整機構;3)運動包絡體及運動干涉分析;4)能夠定義分析特定的機構運動，如凸輪、齒輪、槽等;4)支持族表及替換;6)能夠設計生成動畫數(shù)據(jù)并能重復利用。

MDX的操作流程:[3]

1)以連接方式建立欲分析的機構;2)補足相關的運動配合條件;3)設定初始位置;4)加入驅(qū)動條件;4)設定分析條件并仿真;播放、輸出分析結(jié)果。

2 MDX運動仿真功能在運動學教學中的應用

利用MDX模塊對運動學的機構進行運動仿真，不僅可以省去大量繁瑣的計算，而且可以形象直觀的看到機構的逼真模型及各機構的運動軌跡，方便的求出機構各點的位置、速度和加速度。此外利用Pro/E的參數(shù)化設計功能還可以對機構模型進行編輯修改通過一個模板模型衍生出不同的機構模型。本文結(jié)合運動學典型例題5-2正弦機構(見圖1)利用MDX的運動仿真功能對機構進行建模、裝配以及運動仿真的相關設置，并利用參數(shù)化設計輸出執(zhí)行機構在不同初始條件下的位移、速度、加速度曲線，以此說明Pro/E的運動仿真模塊(MDX)在運動學教學中的應用。

2.1 Pro/ENGINEER運動仿真模型建立

(1)通過Pro/E軟件，建立正弦機構各部分的三維立體模型，初設曲柄長度為100mm。

(2)利用“連接”裝配各零件。其中支座和滑槽使用剛性連接固定，曲柄與支座、滑塊與曲柄均用“銷釘”連接，滑塊與執(zhí)行機構、執(zhí)行機構與滑槽均采用“滑動桿”連接，完成機構裝配。

(3)定義驅(qū)動速度。進入MDX模塊，定義伺服電動機。初設伺服電動機轉(zhuǎn)動角速度為45°/s。

(4)模型運動時間設定為16s，幀頻設定為10。

2.2 Pro/ENGINEER運動仿真結(jié)果分析

1)仿真結(jié)果驗證:曲柄與滑塊鉸接處x方向的位移容易計算，由計算公式

周期為

2)執(zhí)行機構的位移、速度、加速度相對計算較為繁瑣，但是通過仿真很容易做出執(zhí)行機構的位移、速度、加速度曲線。通過分析易知，執(zhí)行機構的運動為平動，故執(zhí)行機構各點處的運動軌跡、速度、加速度均相同，也即可用執(zhí)行機構底端重點A點的運動表述執(zhí)行機構的運動。利用MDX可同時繪出A處的位移、速度、加速度曲線。

3)通過參數(shù)化設計可以隨時改變曲柄的長度或者伺服電動機的角速度，以調(diào)節(jié)執(zhí)行機構的運動狀態(tài)。分別繪出曲柄為150mm，角速度為45°/s和曲柄長度為100mm，角速度為60°/s時，執(zhí)行機構的位移、速度和加速度曲線。

4)MDX不但能繪制各種運動曲線，還能夠保存其對應的數(shù)據(jù)，以.grt圖表文件的格式提供給設計者使用，從該圖表文件中可以查出任意時刻執(zhí)行機構的位移、速度、加速度數(shù)值。以曲柄長度為100mm，角速度為45°/s的正弦機構為例，當t=2s時，其位移為-100mm，速度為0mm/s，加速度為61.685mm/s2，與理論計算數(shù)值完全符合。

3 結(jié)論

運動學是研究物體運動的幾何性質(zhì)的科學，是面向工程的綜合性和系統(tǒng)性很強的一門課程，單純依靠傳統(tǒng)的教學模式難以動態(tài)演示機構的運行情況，因此有必要重視計算機仿真技術在教學中的應用。MDX作為Pro/E的集成模塊專注于機構分析，簡單易行，教師可在教學中利用MDX模塊隨時運行機構分析，觀察機構的整體運動及其實現(xiàn)的運動功能，并可適時輸出各個零件的運動軌跡、速度和加速度圖以驗證計算結(jié)果，從而使運動學教學更加直觀生動。將Pro/E的運動仿真模塊應用到運動學的教學中，不僅可以幫助學生理解基本概念、基礎理論和計算方法，還有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，有助于教師提高課堂教學質(zhì)量和教學效果。

參考文獻

[1] 高世凡.淺談Pro/Engineer運動仿真在機械設計中的應用[J].機電工程技術，2009，38(7):164～167.

[2] 董亞峰，程鵬飛，黃莉.Proe運動仿真功能在實驗教學中的應用[J].山西農(nóng)業(yè)大學學報，2007，6(5):74～75.