Pro/E在《机械原理》教学中的应用

车焕文 包头铁道职业技术学院，包头 014040

Pro/E在《机械原理》教学中的应用

车焕文 包头铁道职业技术学院，包头 014040

本文从当前机械原理教学中存在的问题出发，说明了应用Pro/E软件进行机构建模和仿真分析的步骤和特点，并阐述了该软件在机械原理教学中应用的目的、方法和内容及所取得的成果。

1 引言

机械原理是一门以机器、机构为研究对象的技术基础课，其中对机械或机构进行运动学和动力学分析是贯穿于这门课程的主线[1]。目前对机械、机构进行运动、动力分析的主要方法有2种，一是图解法，二是解析法。图解法的特点是形象直观，但大都是用于机构少的平面机构，一张图纸只能反映一个位置的情况，且准确性差。解析法的特点是可以获得精确的计算结果[2]，但由于机械的多样性和组成机械的机构尺寸参数的复杂性，教学模型的建立和计算程序的编制相当繁琐，若想进一步对机械机构的方案进行对比分析或变参数分析，用以上两种方法则更难以想象，这在很大程度上影响到这门课程的教学效果和学生的学习积极性。

将Pro/E软件用在机械原理教学中，教师在教学中可以随时运行机构分析，观察机构的整体运动轨迹和各零件之间的相对运动，输出个零件的运动轨迹和运动速度图，并且能进一步对机械机构的方案进行对比分析或变参数分析，从而使机械原理教学直观、生动，在很大程度上提高学生的学习积极性。

2 Pro/E软件简介

Pro/E系统是美国参数技术公司的产品，被广泛应用于机械、电子、汽车、模具、航天、家电、工业设计等行业。Pro/E是一款参数化建模软件，具有丰富的零件实体建模功能，能进行变量化的草图轮廓绘制，并能自动进行动态约束检查。通过拉伸、旋转、薄壁特征、抽壳、特征阵列以及打孔等操作，更简便地实现机械产品的开发设计。

Pro/E的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据；Pro/E是基于特征的参数化造型，这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易地进行修改、装配、加工、制造以及其他学科都使用这些领域独有的特征。通过给这些特征设置参数，然后修改参数很容易地进行多次设计迭代，实现产品开发。

Pro/E-Mechanism是Pro/E包含运动的一个模块，能够对设计进行模拟仿真校验，如运动仿真显示、运动干涉检验、运动轨迹、位移、速度、加速度计算等[3]。

3 Pro/E在机械原理教学中的应用

3.1 Pro/E参数化设计

在机械原理教学中想要实现变参数分析就要用到Pro/E参数化设计。用Pro/E进行参数化设计，只需将某机构的零件设计成一个模型，在模型上标注尺寸，尺寸线可以看成一个有向线段，上面的尺寸数字就是参数名，其方向反映了几何数据的变动趋势，长短反映了参数现值，这样就建立了几何实体和参数间的关系，由用户输入的参数名找到对应的实体，进而根据参数值对实体进行编辑修改，以得到新的模型，实现参数化设计。许多机械零件的形状结构具有共同特征，只是在相对大小或局部特征上存在一定的差异，能够通过一个模板模型衍生出不同的模型[4]。

3.2 Pro/E运动仿真在机械原理教学中的应用

机构运动包括自由度的计算、各个构件位移、速度和加速度的计算以及构件会不会干涉、还有如何改变构件的尺寸来满足设计的需要等内容。

本文通过在Pro/E平台下，对四连杆典型机构进行建模、装配以及运动仿真的相关设置，在不考虑模型系统的作用力情况下对机构进行分析运动，并测量主体位置、速度和加速度的改变，检查元件之间的关系，输出运动轨迹。四杆机构是机械原理中最常见的机构，该机构中存在转动副，以销钉作为连接方式。其工作原理是当曲柄匀速转动时，通过连杆带动摇杆左右摆动。该机构具有急回的特性，即四杆机构工作时摇杆慢慢向前摆动，完成一次工作后摇杆急速返回原来的位置。

3.2.1 运动仿真的操作流程

1）装配欲分析的机构；2）添加运动配合条件；3）设定初始位置；4）加入驱动条件；5）设定分析条件并仿真；6）播放、输出分析结果。

3.2.2 自由度的计算

四杆机构由4个构件组成，其中一个是机架，可以认为是静止不动的，实际上拥有自由度的构件是3个；有4个转动副。将动力源加在曲柄的位置上，就能使机构运动起来。

3.2.3 曲柄滑块机构的运动仿真分析

曲柄滑块机构由旋转杆（曲柄）、连接杆、摇杆和底座（机架）四个零件构成。在Pro/E中基础模块完成四个零件的建模后，先对该机构进行装配：将底座固定并设置旋转杆的主旋转轴为销钉连接(Pin)，旋转杆和连接杆，连接杆和摇杆以及摇杆与底座之间采用销钉连接(Pin)；然后进入机构运动分析模块(Mechanism)进行伺服电机的设置。由于旋转杆的安装轴为动力源，定义此轴为伺服电机，方向为顺时针，速度为匀速。至此，该曲柄滑块机构的运动仿真装配以及参数设置完成。在分析定义(AnalysisDefinition)的窗口里完成运动时间和帧数的设置，便可观看仿真动画[5,6]。

曲柄的运动是匀角速度的，让我们通过已经装配好的部件，通过Pro/E的“测量结果”的功能，将摇杆的运动行程和时间的曲线图显示出来。

在设计中往往是给出摇杆的回转角度，然后设计出机构中曲柄以及连杆的长度。我们可以规定摇杆的摆动角度，如何改变构件的尺寸来适应这个新的角度，可以通过下面的两种设计方法来实现。方法一：改变曲柄长度。回到曲柄零件图上更改驱动杆的长度尺寸—再生零件图—刷新装配图—在相同的仿真运动条件下观察结果。这种方法最后求得的解不一定准确，并且过程也比较繁琐。方法二：可以通过运动仿真模块中的Trace Curve轨迹曲线来得到，再通过Pro/E的曲线分析和测量功能就可以轻松获得构件运动的数据。

4 结论

运动学是动力学的一部分，它考虑除质量和力之外的所有运动方面。运动分析会模拟机构的运动，满足伺服电动机轮廓和任何接头、凸轮从动机构、槽从动机构或齿轮副连接的要求。运动分析不考虑受力，也不必为机构指定质量属性。模型中的动态图元，如弹簧、阻尼器、重力、力、力矩以及执行电动机等，不会影响运动分析。运动仿真模块仅是Pro/E强大仿真功能的一部分，也就是我们说的mechanism，专注于机构分析；而在日常的教学中发现，学生的理论知识都很好，但是一涉及实践环节，如设计机构的时候就显得有些力不从心。本文旨在提供一种学习方法，使学生在学习理论知识的同时，增加实践方面的能力。

[1]陶峰.ADAMS虚拟样机技术在机械原理教学中的应用[J].化工高等教育.2005（2）：103-104

[2]王知行，刘廷荣.机械原理[M].北京：高等教育出版社.2007.

[3]高秀华.机械三维动态设计仿真技术[M].北京：化工工业出版社.2006

[4]黄圣杰.Proe/ENGINEER2001 高级开发实例[M].北京:电子工业出版社.2002

[5]董亚峰，程鹏飞，黄莉.Proe运动仿真功能在实验教学中的应用[J].山西大学学报.2007（5）：74-75

[6]易飚.Proe（MXD）运动仿真与机构运动分析实例[J].苏州职业大学学报.2004（11）：81-83

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.068

车焕文，男，硕士，高级讲师，包头铁道职业技术学院环机工程系，主要从事机电专业的教学及研究工作。

机械原理；Pro/E；运动仿真