基于Pro/E翻蓋機構(gòu)設(shè)計與仿真分析

李鎮(zhèn)山

摘要：針對垃圾箱腳踩翻蓋機構(gòu)的設(shè)計要求，基于Pro/Engineer參數(shù)化自頂而下設(shè)計方法完成翻蓋聯(lián)動機構(gòu)設(shè)計；應(yīng)用Mechanism功能對該機構(gòu)進行了運動學分析、動態(tài)分析和靜態(tài)分析，應(yīng)用Pro/Mechanica功能進行了整機有限元分析，驗證了該機構(gòu)的性能和可實用性。

關(guān)鍵詞：機構(gòu)設(shè)計；運動分析；Pro/E；Pro/Mechanism；Pro/Mechanica

Pro/Engineer軟件是美國PTC旗下CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件，該軟件以參數(shù)化著稱，在目前的三維設(shè)計軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/Mechanism是Pro/Engineer的運動分析模塊，可實現(xiàn)機構(gòu)的運動仿真、運動學分析、動態(tài)分析、靜態(tài)分析和力平衡分析等。Pro/Mechanica Structure是集靜態(tài)、動態(tài)結(jié)構(gòu)分析于一體的有限元模塊，能夠模擬真實環(huán)境為模型施加約束及載荷，測算模型的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等參數(shù)，實現(xiàn)靜態(tài)、模態(tài)和振動等多種分析，對模型進行評估、研究和優(yōu)化。

1基于Pro/Engineer參數(shù)化自頂而下設(shè)計

自頂向下設(shè)計（Top-Down）是從一個系統(tǒng)的角度，計劃所有設(shè)計過程的一種先進的產(chǎn)品設(shè)計方法。Pro/ENGINEER軟件提供了完整的Top-Down設(shè)計方案，在產(chǎn)品開發(fā)時按照其功能要求在考慮產(chǎn)品各組件及零件之間的約束和定位關(guān)系的基礎(chǔ)上先定義頂層的骨架，在完成頂層設(shè)計之后，再進行單個零件的詳細設(shè)計。Pro/Engineer自頂向下設(shè)計有著產(chǎn)品頂層設(shè)計意圖的集中控制、父子關(guān)系的A型傳遞、整體產(chǎn)品的開發(fā)易于管理、便于實施和推進協(xié)同工作及有效的探索設(shè)計變更等優(yōu)點，最大限度地減少設(shè)計階段不必要的重復工作，有利于提高工作效率。

1.1翻蓋機構(gòu)自頂而下設(shè)計方案

根據(jù)Pro/E自上而下設(shè)計方法進而構(gòu)建腳踩翻蓋機構(gòu)自頂而下設(shè)計方案，如圖1所示：

1.2翻蓋機構(gòu)自頂而下設(shè)計實施

垃圾箱容積為0.3m3，設(shè)計一種腳踩翻蓋機構(gòu)，開度要求大于700mm，且開門結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)隨開隨閉。根據(jù)垃圾箱腳踩翻蓋機構(gòu)的設(shè)計意圖進而構(gòu)建翻蓋機構(gòu)3D主控布局骨架，如圖2所示，圖中A1軸所表示的是將桿件1通過固定鉸支座與箱體連接，A4軸所表示的是將翻蓋通過固定鉸支座與箱體連接，A3軸所表示的是將桿件2與翻蓋鉸接，A2軸所表示的是將桿件2與桿件1鉸接，進而構(gòu)成了翻蓋機構(gòu)3D主骨架，保存為.Prt元件。

在Pro/E-ASM環(huán)境下將3D主控布局骨架與新建Rep.Prt元件進行裝配，進而應(yīng)用元件操作中的合并功能傳遞3D主控布局骨架參數(shù)到Rep.Prt元件中；在Rep.Prt元件中通過幾何復制、圖元拾取和參照等功能得到各零件次骨架，再由次骨架分別生成各零件，從而完成了從主控骨架到各個零件參數(shù)的傳遞。

通過上述的翻蓋機構(gòu)自頂而下設(shè)計，當翻蓋機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)發(fā)生變更時，其設(shè)計參數(shù)的變化就會通過翻蓋機構(gòu)3D主控布局骨架參數(shù)的變化傳遞給上述各主要部件，致使所有部件都會進行設(shè)計變更，進而適應(yīng)了機構(gòu)設(shè)計中的頻繁變更設(shè)計參數(shù)的情況，并有效地提高了從機構(gòu)到整機設(shè)計的效率，同時為機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

2基于Pro/Mechanism翻蓋機構(gòu)的運動分析

Pro/Mechanism可進行機構(gòu)的運動學分析和仿真，能夠很好地簡化機構(gòu)設(shè)計開發(fā)過程和縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本。

2.1機構(gòu)創(chuàng)建

在Pro/E-ASM環(huán)境下將各零件進行元件間相互關(guān)系的連接，進而完成機構(gòu)運動中自由度的約束。Pro/E所提供多種連接方式，可根據(jù)實際連接情況進行元件間的連接，此翻蓋機構(gòu)的四處實際連接均為“銷釘”連接，但在Pro/Mechanism系統(tǒng)計算中會出現(xiàn)冗余，需要選擇適當?shù)倪B接類型，在不影響真實連接情況的基礎(chǔ)上控制模型中的冗余，這里采用“球”點一點對齊連接替換“銷釘”連接，實現(xiàn)真實連接情況的同時又釋放了兩個自由度，達到了消除冗余的目的。

2.2機構(gòu)仿真分析

在Pro/E-ASM環(huán)境下選擇“應(yīng)用程序”-“機構(gòu)”進入Mechanism工作環(huán)境。

（1）通過設(shè)定A1連接處旋轉(zhuǎn)軸的“零點位置”、“最小限制值”和“最大限制值”的方法限定桿件1（即踏板）在一個合理角度區(qū)間運動。

（2）設(shè)定伺服電機（1deg/sec），選取A1連接處旋轉(zhuǎn)軸為伺服電機運動軸。

（3）設(shè)定初始條件為翻蓋機構(gòu)閉合狀態(tài)。

（4）設(shè)定負載。

（5）翻蓋機構(gòu)“開度”分析：

新建分析設(shè)定類型為“運動學”，初始狀態(tài)為翻蓋機構(gòu)閉合狀態(tài)下的“快照”，終止時間為旋轉(zhuǎn)軸的“最大限制值”；新建測量設(shè)定為“位置”，選定開度測量點和坐標系，根據(jù)選定的坐標系指定測量分量，完成該機構(gòu)的“開度”分析。

在不發(fā)生機構(gòu)干涉的情況下，通過運動學分析方法測得翻蓋機構(gòu)的最大開度為818mm，如圖3所示：

（6）翻蓋機構(gòu)僅在重力作用下的回落分析：

新建分析設(shè)定類型為“靜態(tài)”，初始狀態(tài)為翻蓋機構(gòu)最大開度狀態(tài)下的“快照”，外部負載“啟用重力”。翻蓋機構(gòu)僅在重力作用下的回落分析如圖4所示。通過靜態(tài)分析可知，該機構(gòu)僅在重力作用下即可完成箱蓋的自動關(guān)閉。

（7）翻蓋機構(gòu)靜負載與開度關(guān)系的分析：

在考慮重力的作用下翻蓋機構(gòu)踏板所受力與開度的關(guān)系如圖5所示。通過分析可知，翻蓋（材料為鋁鎂錳合金板）的初始開合力為53N，達到700mm開合度的開合力約為58N，達到最大開合度近818mm的開合力為60N，符合人機工程學要求。

（8）翻蓋機構(gòu)動態(tài)分析：

在考慮重力的作用下翻蓋機構(gòu)踏板處受60N力各連接處作用反力動態(tài)分析如圖6所示，分析結(jié)果為進一步對連接處銷軸強度校核奠定基礎(chǔ)。

基于Pro/Mechanism翻蓋機構(gòu)的運動分析結(jié)果可知，該機構(gòu)最大開度為818mm，滿足開合度大于700mm的設(shè)計要求；初始開合力為53N，最大開合度開合力為60N，符合人機工程學要求；翻蓋機構(gòu)僅在重力中用下即可完成關(guān)閉，實現(xiàn)了隨開隨閉的功能。

3基于Pro/Mechanica翻蓋機構(gòu)的有限元分析

Pro/Mechanica主要包括Structure和Thermal兩個模塊，其中Pro/Mechanica Structure用來進行零件和組件模式下的結(jié)構(gòu)分析，其分析種類有靜態(tài)分析、模態(tài)分析、屈曲分析、接觸分析預應(yīng)力分析和振動分析等，通過指定設(shè)計參數(shù)，能夠在給出變化范圍內(nèi)進行靈敏度分析，并借助優(yōu)化分析為模型尋找到最佳參數(shù)。

基于Pro/Mechanica結(jié)構(gòu)有限元分析的一般步驟：模型簡化-進入結(jié)構(gòu)分析環(huán)境-定義材料屬性-（增加理想化模型）-施加約束、載荷-建立分析-運行分析-獲取結(jié)果。

翻蓋機構(gòu)在踏板處受60N力作用下，整機應(yīng)力分析如圖7所示、位移分析如圖8所示，根據(jù)結(jié)果判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，進而再進行修改和優(yōu)化。

4結(jié)語

本文基于Pro/Engineer軟件通過自頂而下設(shè)計方法完成了翻蓋機構(gòu)設(shè)計，并應(yīng)用Pro/Mechanica/Mechanism功能進行了翻蓋機構(gòu)的運動分析和有限元分析，達到了預期設(shè)計要求，體現(xiàn)出了Pro/Engineer軟件在整機機構(gòu)設(shè)計中的功用，極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品市場競爭力。