PRO/E行為建模運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖像應(yīng)用簡(jiǎn)析

汪秀珍 詹建軍

(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080)

?

PRO/E行為建模運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖像應(yīng)用簡(jiǎn)析

汪秀珍 詹建軍

(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080)

介紹了基于Pro/E行為建模的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)基本步驟，以牛頭刨床為例，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析并優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化過(guò)程中產(chǎn)生的各種圖像進(jìn)行分類(lèi)、分析，利用圖像信息掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能及工作特性，并應(yīng)用于設(shè)計(jì)工作。

行為建模；運(yùn)動(dòng)學(xué)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

行為建模功能是Pro/Engineer的一個(gè)功能擴(kuò)展模塊，作為參數(shù)化設(shè)計(jì)中的分析工具，其主要作用是在參數(shù)的作用下，經(jīng)過(guò)約束參數(shù)設(shè)定，從中找出合適的模型參數(shù)，并通過(guò)改變參數(shù)來(lái)改變模型的結(jié)構(gòu)外形，從而使設(shè)計(jì)過(guò)程更加智能化，更有效率[1]。在進(jìn)行分析過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)生成各種圖像，這些圖像里含有大量的信息，合理解讀并應(yīng)用這些圖像信息有助于更深入地理解參數(shù)化模型。而對(duì)于各種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)是分析評(píng)價(jià)該機(jī)構(gòu)工作性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，因此常常利用行為建模中的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析功能得到各種運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖像。本文以牛頭刨床優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程為例，詳細(xì)論述運(yùn)動(dòng)學(xué)分析過(guò)程中得到的各種圖像及其應(yīng)用意義。

1 牛頭刨床簡(jiǎn)介

牛頭刨床由于刨刀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，刃磨方便，在加工窄長(zhǎng)平面時(shí)，可以得到較高的生產(chǎn)率，因此刨床在單件小批生產(chǎn)中仍被廣泛應(yīng)用[2]。普通牛頭刨床的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示，由曲柄擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)組合而成。原動(dòng)件是曲柄2的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出運(yùn)動(dòng)是滑塊6的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，即刨刀的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

圖1 牛頭刨床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2 Pro/E行為建模運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖像類(lèi)別及其應(yīng)用

應(yīng)用Pro/E建模功能建立牛頭刨床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維模型,并在機(jī)構(gòu)模塊完成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)定義。

2.1 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖像及應(yīng)用

執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析后，利用測(cè)量工具生成該分析的測(cè)量結(jié)果，可以得到不同構(gòu)件的位置、速度、加速度圖像。圖2為利用測(cè)量工具生成的滑塊頂點(diǎn)即刨刀的相關(guān)圖像，最后為三個(gè)參數(shù)的疊加圖像。圖像中的橫坐標(biāo)代表機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，總時(shí)間為36分鐘，即曲柄回轉(zhuǎn)2周，機(jī)構(gòu)完成2個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)；縱坐標(biāo)分別代表位置坐標(biāo)、速度及加速度的大小及方向。

利用圖像可以對(duì)滑塊的運(yùn)動(dòng)有基本的認(rèn)識(shí)：據(jù)位置圖像滑塊的縱坐標(biāo)呈周期性變化可知,滑塊做往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)；據(jù)速度圖像可知運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度不斷地變化，且在0～5分鐘和10～18分鐘這個(gè)過(guò)程速度始終比較小，而5～10分鐘這個(gè)過(guò)程速度比較大；據(jù)加速度圖像可知，加速度在大約7．5分鐘左右達(dá)到峰值，并且在0～5分鐘和10～18分鐘接近零值，即滑塊的速度變化很小。再結(jié)合牛頭刨床的加工過(guò)程，可以得到更具體地認(rèn)識(shí)，在5～10分鐘,滑塊位置坐標(biāo)逐漸減小，對(duì)應(yīng)刨刀的不加工行程，此時(shí)為了提高生產(chǎn)效率，希望其運(yùn)動(dòng)速度越大越好，減少加工輔助時(shí)間；而0～5分鐘和10～18分鐘內(nèi)滑塊的位置坐標(biāo)逐漸增大，對(duì)應(yīng)刨刀的工作行程，為了保證刨刀對(duì)平面的刨削質(zhì)量，希望其運(yùn)動(dòng)速度適宜且最好保持勻速運(yùn)動(dòng)，即加速度近似為零。由此分析可知，此機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性是滿(mǎn)足刨床的加工需要的。

圖2 牛頭刨床機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖像

2.2 分析特征的敏感度分析及應(yīng)用

2.2.1 分析特征的建立

執(zhí)行完運(yùn)動(dòng)學(xué)分析后返回標(biāo)準(zhǔn)模塊，建立分析特征，類(lèi)型是運(yùn)動(dòng)分析，然后運(yùn)行上述位置、速度、加速度三個(gè)參數(shù)，可以得到這三個(gè)參數(shù)的詳細(xì)最值信息如圖3所示。

利用系統(tǒng)功能將最大、最小位置坐標(biāo)及時(shí)間創(chuàng)建為參數(shù)，繼續(xù)建立分析特征，類(lèi)型是關(guān)系，對(duì)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，得到滑塊的行程H和行程速比系數(shù)K這兩個(gè)分析特征，創(chuàng)建方法如圖4所示。仍然結(jié)合牛頭刨床的加工實(shí)際分析，滑塊的行程H對(duì)應(yīng)于刨刀的刨削加工的范圍，這個(gè)參數(shù)必須大于工件的長(zhǎng)度；行程速比系數(shù)K對(duì)應(yīng)于刨刀空回行程和工作行程的平均速度之比。系數(shù)越大，空回行程所占用的相對(duì)時(shí)間越短，生產(chǎn)效率越高，由此這兩個(gè)參數(shù)是直接影響刨削加工過(guò)程的。利用特征的信息可以得到當(dāng)前的行程H數(shù)值和行程速比系數(shù)K數(shù)值分別為100和2.75，即此機(jī)構(gòu)加工長(zhǎng)度應(yīng)小于100，且回程平均速度是加工行程平均速度的2.75倍。

圖3 滑塊參數(shù)的最值信息

圖4 分析特征K及H的創(chuàng)建

2.2.2 分析特征的敏感度分析圖像及應(yīng)用

在牛頭刨床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型創(chuàng)建過(guò)程中，定義了很多設(shè)計(jì)參數(shù)，如曲柄2、導(dǎo)桿4和連桿5的長(zhǎng)度、機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)副O(jiān)1O2間距離以及轉(zhuǎn)動(dòng)副O(jiān)2到滑塊運(yùn)動(dòng)直線的垂直距離等。當(dāng)這些設(shè)計(jì)參數(shù)變化時(shí)，定會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)性能產(chǎn)生影響。如果這些設(shè)計(jì)參數(shù)都用于機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，會(huì)加大計(jì)算量?？紤]到不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)性能影響的程度不一樣，如果能定量地表示這種影響程度，就能確定哪些是重要設(shè)計(jì)參數(shù)，并排除那些影響程度很小的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率[3]。Pro/E行為建模中的敏感度分析就提供了定量分析功能。圖5分別為曲柄2長(zhǎng)度、導(dǎo)桿4長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)副間距離O1O2、轉(zhuǎn)動(dòng)副O(jiān)2到滑塊運(yùn)動(dòng)直線的垂直距離對(duì)行程H的敏感度圖像。圖像中的橫坐標(biāo)分別代表這四個(gè)參數(shù)的變化范圍(±10%)，縱坐標(biāo)代表行程H的取值變化范圍。

首先看曲線變化的趨勢(shì)：增大曲柄和搖桿的長(zhǎng)度可以增大滑塊的行程；但是增大轉(zhuǎn)動(dòng)副間距離O1O2及轉(zhuǎn)動(dòng)副O(jiān)2到滑塊運(yùn)動(dòng)直線的垂直距離會(huì)減小滑塊的行程；這與通過(guò)解析法分析該機(jī)構(gòu)得到的結(jié)論一致。其次看具體的數(shù)值，當(dāng)希望滑塊的行程為90時(shí)，可從圖像中得知此時(shí)的曲柄的長(zhǎng)度應(yīng)在18，導(dǎo)桿在68附近取值。最后將四個(gè)圖像對(duì)比著分析，當(dāng)四個(gè)參數(shù)的變化量為±10%時(shí)，相應(yīng)的行程H的變化量分別為20%、25%、20%和1%，由此數(shù)據(jù)我們可知曲柄長(zhǎng)度、導(dǎo)桿長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)副間距離O1O2對(duì)行程H的影響較大，其中以導(dǎo)桿的影響最大。這樣在進(jìn)行H的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，這些參數(shù)就是重點(diǎn)考慮參數(shù)。

圖5 行程H的敏感度分析曲線

繼續(xù)依次使用曲柄2長(zhǎng)度、導(dǎo)桿4長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)副間距離O1O2、轉(zhuǎn)動(dòng)副O(jiān)2到滑塊運(yùn)動(dòng)直線的垂直距離對(duì)行程速比系數(shù)K進(jìn)行敏感度分析，得到敏感度曲線如圖6所示。

從行程速比系數(shù)K的各敏感度曲線可知，曲柄2的長(zhǎng)度增大時(shí)，K的數(shù)值增大；轉(zhuǎn)動(dòng)副間距離O1O2增大時(shí)，K的數(shù)值減小。在這兩個(gè)量的變化量為±10%時(shí)，K的變化量均為29%，這兩個(gè)量對(duì)K的影響均較大。另外兩張圖像為平行于橫坐標(biāo)的直線，可知導(dǎo)桿3的長(zhǎng)度及轉(zhuǎn)動(dòng)副O(jiān)2到滑塊運(yùn)動(dòng)直線的垂直距離的改變不影響K的數(shù)值。這樣在進(jìn)行K的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，曲柄長(zhǎng)度2和轉(zhuǎn)動(dòng)副間距離O1O2即為重點(diǎn)考慮參數(shù)。

圖6 行程速比系數(shù)K的敏感度分析曲線

2.3 機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析及應(yīng)用

通過(guò)敏感度分析了解設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)分析特征的影響效果的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步據(jù)此做機(jī)構(gòu)的優(yōu)化分析，即在滿(mǎn)足一定的約束條件下，使機(jī)構(gòu)的指定性能參數(shù)達(dá)到最優(yōu)。例如在該牛頭刨床機(jī)構(gòu)中，希望在保證當(dāng)前的加工效率前提下，使刨刀的加工長(zhǎng)度最大。也就是在保證行程速比系數(shù)K保持不變(設(shè)計(jì)約束為“K=2.75”)的情況下，在一定范圍內(nèi)改變某些設(shè)計(jì)參數(shù)，尋找使行程H最大時(shí)(設(shè)計(jì)目標(biāo)為最大化H)的設(shè)計(jì)參數(shù)值，這里選取設(shè)計(jì)變量為曲柄2、導(dǎo)桿4、連桿5的長(zhǎng)度及轉(zhuǎn)動(dòng)副間距離O1O2、轉(zhuǎn)動(dòng)副O(jiān)2到滑塊運(yùn)動(dòng)直線的垂直距離。執(zhí)行優(yōu)化分析計(jì)算后得到該區(qū)間內(nèi)的局部?jī)?yōu)化結(jié)果如圖7所示，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)依據(jù)優(yōu)化結(jié)果自動(dòng)更新模型，各構(gòu)件的尺寸如結(jié)果中所示，此時(shí)滑塊的行程可達(dá)到局部最大值105。

圖7 機(jī)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)論

利用行為建模技術(shù)的自動(dòng)求解，綜合考慮產(chǎn)品最終所要求的功能行為以及為特殊目標(biāo)所確定的約束條件，采用知識(shí)捕捉和迭代求解的智能化方法來(lái)完成設(shè)計(jì)工作，能在最短的時(shí)間內(nèi)找到滿(mǎn)足工程標(biāo)準(zhǔn)的最佳設(shè)計(jì)，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。但利用該功能進(jìn)行分析求解過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量圖像，通過(guò)這些圖像描述機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能。而機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是分析評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)工作性能，優(yōu)化機(jī)構(gòu)的基本依據(jù)。本例中牛頭刨床機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)是否合理直接影響其正常的工作性能。這就要求使用者能掌握各種圖像所反映的信息及其應(yīng)用。本文論述了利用Pro/E行為建模功能進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的典型過(guò)程，分析了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析過(guò)程中產(chǎn)生的各種圖像及其應(yīng)用，為基于行為建模的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可參考的理論。

[1] 邱會(huì)朋,杜貴明,編著.Pro/E產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與實(shí)例精解[M].北京：清華大學(xué)出版社.

[2] 譚雪松,周克媛,主編.機(jī)械制造基礎(chǔ)[M].北京：人民郵電出版社.

[3] 孫艷萍.基于Pro/E行為建模技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2011(5)：143-144.

[4] 鹿躍麗,陳江義,張明成,熊濱生.牛頭刨床六桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999(9)：39-41.

(責(zé)任編輯：李文英)

Kinematic Analysis of PRO/E Behavior Modeling

Wang Xiuzhen Zhan Jianjun

(Wuhan Engineering Institute， Wuhan 430080, Hubei)

Taking shaping machine as an example, this paper introduces basic procedures of optimizing its system based on the Pro/E behavior modeling by running a kinematic analysis. By analyzing and sorting images from the optimizing process, we learned the performance and property of the machine and put it into the practice of designing.

behavior modeling; kinematics; optimizing design

2016-07-21

汪秀珍(1973～)，女，碩士，講師.E-mail：wangxz_wuhan@163.com

TP391.72

A

1671-3524(2016)04-0033-04