《機(jī)械原理》教學(xué)中Pro/E與Simmechanics的應(yīng)用

陳慧鵬,陳國(guó)金 (杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310037)

《機(jī)械原理》教學(xué)中Pro/E與Simmechanics的應(yīng)用

陳慧鵬,陳國(guó)金 (杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310037)

論述了在《機(jī)械原理》教學(xué)中利用仿真手段進(jìn)行可視化教學(xué)的必要性，以實(shí)例介紹了采用Pro/E和Simmechnics進(jìn)行建模和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析的步驟及特點(diǎn)。Pro/E和Simmechnics改變了傳統(tǒng)的圖解設(shè)計(jì)不夠直觀的情況，為《機(jī)械原理》課程設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了一個(gè)嘗試的經(jīng)驗(yàn)。

《機(jī)械原理》；Pro/E；Simmechanics；運(yùn)動(dòng)仿真

作為主干技術(shù)基礎(chǔ)課，《機(jī)械原理》是以機(jī)械共性問題為研究對(duì)象的，機(jī)械或機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析貫穿于整個(gè)教學(xué)之中[1-2]。然而，目前的2種主要分析手段——圖解法和解析法存在作圖繁瑣或編程復(fù)雜等不足，而且如果對(duì)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)方案與原方案的對(duì)比分析，則以上2種方法基本上難以完成，這不僅影響了《機(jī)械原理》課程的教學(xué)效果，也使得學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性下降。由于以上原因，在教學(xué)中引入Pro/E軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)的三維建模，通過Pro/E與Simmechanics的接口將模型導(dǎo)入Simmechanics中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，能夠使學(xué)生利用先修課程——工程圖學(xué)中的繪圖知識(shí)和Pro/E建模工具，快速簡(jiǎn)便的在Simmechanics環(huán)境中進(jìn)行直觀的動(dòng)力學(xué)仿真分析，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)造力，培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代化的手段解決設(shè)計(jì)問題的能力。

下面以連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析為例，來說明Pro/E和Simmechanics在《機(jī)械原理》課程教學(xué)中的應(yīng)用。

1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)Pro/E三維建模

圖1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)三維模型

利用Pro/E的三維參數(shù)化建模功能[3]，建立桿件模型，并進(jìn)行裝配，如圖1所示。為方便建模，機(jī)架(Frame)長(zhǎng)度為100mm，曲柄(Crank)長(zhǎng)度為50mm，連桿(Rod)長(zhǎng)度為80mm，搖桿(Rocker)長(zhǎng)度為75mm。這樣既滿足桿長(zhǎng)之和條件，同時(shí)也可以避免因?yàn)閾u桿因長(zhǎng)度和擺角問題對(duì)曲柄運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。完成三維模型的建立之后，在Pro/E通過同Matlab/Simechanics接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換(見圖2)，產(chǎn)生TEST.xml文件，為后續(xù)工作做準(zhǔn)備。

注意最后需要將這里所建的模型和產(chǎn)生的xml文件要復(fù)制到后續(xù)的Matlab的工作目錄中以便后面仿真獲得較好的實(shí)物動(dòng)畫效果。

2 Simmechanics動(dòng)力學(xué)分析

筆者利用Simmechanics結(jié)合Simulink和Matlab對(duì)一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真[4]。在Simmechanics環(huán)境中，對(duì)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，有一套工具來設(shè)定機(jī)構(gòu)的各種特性，如質(zhì)量特性，可能的運(yùn)動(dòng)約束，坐標(biāo)系統(tǒng)，還可以初始化和測(cè)量機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。通過一系列相關(guān)聯(lián)的模塊來表示一個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，就如同Simulink模型一樣，而且可以將Simmechanics作為Simulink的一個(gè)分級(jí)子系統(tǒng)嵌入Simulink環(huán)境中，將表示各種機(jī)構(gòu)的模塊在普通Simulink窗口中繪制出來，并通過它自己提供的檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)模塊在Simulink中獲得整個(gè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果[5]。

圖2 產(chǎn)生TEST.xml文件

圖3 Simulink初始模型

Simmechanics包含了剛體模塊組(Bodies)、運(yùn)動(dòng)副模塊組(Joins)、約束與傳動(dòng)模塊組(Constraints&Driver)、檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)模塊組(Seneors&Actuators)、力元件模塊組(Force Elements)、輔助工具模塊組(Utilities)、接口模塊組(Interface Elements)[6]。通過在Matlab命令窗口通過mech_import(‘*.xml’)或者是import_physmod(‘*.xml’)導(dǎo)入，得到如圖3所示的Simulink模型。

2.1添加驅(qū)動(dòng)

Simmechanics通過Sensors&Actuators模塊對(duì)模型實(shí)施運(yùn)動(dòng)的加載以及相應(yīng)檢測(cè)量的測(cè)量。從Simulink常用模塊中選取Constant模塊，曲柄采用10rad/S的角速度進(jìn)行勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，這里需要注意的就是Joint Actuator模塊里面需要輸入的是Motion還是Force，同時(shí)采用Motion的時(shí)候需要給定3個(gè)輸入變量角度、角速度和角加速度。這三者之間的互為微分和積分的關(guān)系，因此當(dāng)確定輸入運(yùn)動(dòng)的某一個(gè)變量的時(shí)候，可以采用微分和積分模塊對(duì)其余2個(gè)變量進(jìn)行計(jì)算。在Joint Actuator中還需要注意的就是要設(shè)置單位。Simmechanics里的Body Actuator模塊輸入的則是對(duì)Body施加的Torque(力矩)或者是Force(力)。

其他一些常用的XY圖像以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦ぷ骺臻g的操作和普通的simulink模型相同。最終得到的模型如圖4所示。

2.2檢測(cè)模塊

Simmechanics檢測(cè)模塊主要包括Joint Sensor和Body Sensor，通過Body Sensor模塊可以檢測(cè)構(gòu)件上某些點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度、角速度和角加速度。Joint Sensor可以針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)副檢測(cè)相應(yīng)的變量值。這里因?yàn)槎际切D(zhuǎn)副，所以可以檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)的角度、角速度、角加速度、計(jì)算力矩。

在test模型中，取連桿的左端點(diǎn)(CS4)、右端點(diǎn)(CS5)和質(zhì)心(CG)，取搖桿的上的某一點(diǎn)CS4(該點(diǎn)距離質(zhì)心10mm)，同時(shí)將他們各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息輸入到工作空間中以便后續(xù)的分析使用。這些數(shù)據(jù)類型如圖5所示，分別為坐標(biāo)位置、速度、角速度、加速度和角加速度，可以通過在工作空間中添加命令進(jìn)行一些數(shù)據(jù)上的對(duì)比和獲取。圖6是桿件左右端點(diǎn)的軌跡圖。

3 結(jié)論

通過對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在Pro/E中的建模和 SimMechanics中的仿真可以得出以下結(jié)論。

(1) 只要在Pro/E中對(duì)仿真模型做適當(dāng)修改，就可以對(duì)曲柄滑塊、雙搖桿等其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析，與傳統(tǒng)的《機(jī)械原理》課教學(xué)方法相比可視化效果好，易于更改調(diào)整、對(duì)比分析。

圖4 四桿機(jī)構(gòu)完整模型

圖5 輸出數(shù)據(jù)類型 圖6 桿件端點(diǎn)軌跡圖

(2) 將Pro/E建模和SimMechanics仿真應(yīng)用到《機(jī)械原理》課堂教學(xué)中具有較大的新穎性，補(bǔ)充了圖解法、解析法的不足，體現(xiàn)了教學(xué)的革新，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

[1]王知行，劉廷榮. 機(jī)械原理[M]. 北京:高等教育出版社，2000.

[2]華大年. 機(jī)械原理[M].北京:高等教育出版社，1994.

[3]董亞峰，程鵬飛，黃莉. Proe運(yùn)動(dòng)仿真功能在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007(S1)：74-75.

[4]徐生林，劉艷娜. 兩足機(jī)器人的SimMechanics建模[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)， 2010(7)：1361-1367.

[5]楊綠云，郭飛. 基于SimMechanics的六桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真[J]. 華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(4)：86-88.

[6]解本銘，孔維定. 基于SimMechanics的三自由度并聯(lián)打磨機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析與仿真[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011(4)：82-84.

[編輯] 洪云飛

N4

A

1673-1409(2013)22-0135-03

2013-05-12

浙江省輪機(jī)與港口裝備技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)子項(xiàng)目 (2012R10003-01)。

陳慧鵬(1978-)，男，博士，講師，現(xiàn)主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化方面的教學(xué)與研究工作。