基于PRO/E的陶瓷零件快速成型机的仿真设计

张 菲, 高东强

(陕西科技大学机电工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引 言

机械产品的运动分析和仿真已经成为计算机辅助工程(CAE)中不可缺少的重要环节，同时也成为机械设计的必经过程.进行机械产品设计时，通常要进行机构的运动分析，以此来验证机构设计的合理性和可行性.对于尚处于设计阶段的产品来说，产品可装配性的好坏,最经济直观的是在计算机上仿真产品的实际装配和运动过程，进行生动直观的产品预装配、干涉检测以及产品运动协调性的验证，以检查各零部件与装配有关的问题而不需要设计者做出物理样机.三维设计软件Pro/Engineer 2001是美国PTC(美国参数技术公司)推出的一款CAD/CAM/CA一体化软件.

图1 Pro/E仿真流程图

Pro/E的运动仿真与动态分析功能集成在“机构”模块中，包括Mechanism Design(机械设计)和Mechanism Dynamics(机械动态)两个方面的分析功能[1].使用“机械设计”分析功能相当于进行机械运动仿真，包括创建某种机构、定义特定运动副、创建能使其运动起来的伺服电动机，实现机构的运动模拟，还可以通过观察与记录分析测量诸如位置、速度、加速度等运动特征，并可以通过图形直观地显示这些测量量、创建轨迹曲线和运动包络，用物理方法描述运动.

根据所设计陶瓷快速成型机的工作原理，作者利用Pro/E建模以及仿真其运动，使其完整的运动得以展示，有助于对其运动的直观理解，并可在此基础上分析其运动规律，提出更好的优化设计方法.

1 利用Pro/E进行仿真的设计过程

利用Pro/E进行仿真的设计过程主要可以分为两个步骤：一是定义一个机构，二是使其运动.其过程如图1所示[2].

2 三维实体模型的建立与虚拟装配

装入元件时有两种方式：接头连接与约束连接.向组件中增加元件时，会弹出“元件放置”窗口，此窗口有3个页面：“放置”、“移动”、“连接”.传统的装配元件方法是在“放置”页面给元件加入各种固定约束，将元件的自由度减少到0，因元件的位置被完全固定，这样装配的元件不能用于运动分析(基体除外).另一种装配元件的方法是在“连接”页面给元件加入各种组合约束，如“销钉”、“圆柱”、“刚体”、“球”、“6DOF”等等，使用这些组合约束装配的元件，因自由度没有完全消除(刚体、焊接、常规除外)，元件可以自由移动或旋转，这样装配的元件可用于运动分析.接头连接所用的约束都是能实现特定运动(含固定)的组合约束，包括：销钉、圆柱、滑动杆、轴承、平面、球、6DOF、常规、刚性、焊接，共10种.在具体实现铺料机构的运动仿真之前，需要建立运动模型和设置运动环境，包括建立连接、连接轴设置、运动副、伺服电机以及电机运行的时间序列.这里用到的连接主要是销钉联接(Pin)、圆柱连接(Cyl2inder)、齿轮连接(Gear).譬如，水平丝杠与机架、竖直丝杠与机架等采用销钉连接.料斗装置中由电机带动齿轮传动使得搅拌轴转动，因此这里要用到齿轮运动副(GearPairs)，在设置齿轮运动副的时候要注意选择齿轮相对固定体(Ground)设置的连接，否则很难实现齿轮的正确运动，伺服电机主要设置为基于销钉联接的匀速圆周运动，在设置好这些环境之后就可以实现机构的运动仿真[3，4].图2为铺料机构的整机爆炸图.

图2 铺料机构爆炸图

图3 铺料机各零件图

陶瓷快速成型机铺料机构需满足以下运动要求： (1)丝杠驱动料斗装置沿导轨的x向正反向移动； (2)丝杠驱动料斗装置沿导轨的z向正反向移动； (3)料斗装置的搅拌机构用来搅拌浆料.

因铺料机构的零件较多，且配合精确，建立模型时，应兼顾零件尺寸及装配尺寸，以免在后续装配过程中造成干涉.建立好零件模型后，分析铺料机构的组成模块，分别先对各组成模块进行虚拟装配.根据设计，该铺料机构分为水平装置、升降装置、料斗装置以及其他周边设施，按照如上分类，先建立各个模块的装配文件，最后按照整体顺序插入安装.所建立铺料机构各分支模块如图4所示.

图4 铺料机构各模块分解图

建立好各大模块后，将其按照顺序整体装配，因后续要涉及到仿真操作，因此整机装配过程中需设定各个零件的装配关系.以装配图4中的(c)与(d)模块为例展开描述.首先分析二者之间的运动关系，根据要求，模块(d)需要沿着模块(c)在x方向运动，为螺母丝杠连接装配.先导入模块(c)完成其装配，之后导入模块(d)，导入设置操作中可以看到如图5所示的几种约束关系.然后开始选择各约束，第一个为“圆柱”约束关系，即螺母可以沿着丝杠做直线运动，选择好约束关系之后，设置各参照；第二个为“槽”约束关系，即螺母上的点沿着螺纹旋转运动，同上设置各参数，槽连接时所选择的参照分别为丝杠的内螺纹以及螺母外螺纹上的点.完成上述两步操作之后，丝杠螺母连接已成功定义，也即料斗装置可以绕着丝杠运动了，但料斗的位置还没有约束，加入驱动后，料斗整体便会绕着丝杠回转，因此此时还需再额外定义一个约束，可选择“常规”约束关系，设定料斗的导轨槽与模块(c)或者(a)的导轨之间的面为参照，这样就约束了料斗的方向，到此，模块(d)便完成了装配[5，6].所选择的约束如图5所示.料斗装置的装配结果如图6所示.

图5 料斗装置装配参数设置 图6 料斗装置装配结果

3 仿真设计

在将零件装配完之后，就要进行仿真过程的设计，主要包括以下步骤[7]：

(1)机构运动参数的设置.铺料机构装配完并确定下来后,进入机构模块,通过“插入→ 伺服电动机”创建驱动器,定义输入载荷.通过“分析→机构分析→分析定义”设置仿真运动参数,从而完成铺料机构运动模型的参数设置.为了使模型能真实反映实际机构的运动规律,必须精确地描述驱动件的运动规律.

(2)运动仿真过程.运动模型的参数设置后, 即可进行机构的运动仿真.通过运行“机构分析”,即可将仿真结果以动画形式在屏幕上显示.如果执行“轨迹曲线”命令,还可得到机构运动轨迹的仿真结果.

(3)干涉检查.干涉检查的目的是分析机构可能出现的运动干涉及“死点”位置.利用Pro/E自动检查各部件在运动过程中的干涉问题,不仅准确,而且效率高, 使得干涉问题在设计过程中就能得到有效解决.通过干涉检查,对发现出现干涉的部位,可以通过修改对应零部件特征的方法,逐一予以解决.

(4)结果分析.运动学分析的目的是通过考察各零部件的相对运动状态,检验机构是否发生干涉并考察和评价系统的速度和加速度特征,其主要研究内容是机构的位置、速度和加速度分析.仿真分析有助于分析运动时产生的结果,并能提供相应的改进信息.

按照以上仿真步骤分别设定参数，该机构需完成浆料搅拌、料斗水平往复运动、铺料台垂直往复运动等3大运动，按照要求需要3个独立电机来达到运动要求，依次定义各个电机的参数(如图7(2)、7(3)所示)，最后得到如图7(1)所示的电动机列表.设定完电机之后，即可开始运动分析定义操作，如图7(4)所示.因为是多个电机的配合运动，这里需要设定各电机的运动以及终止时间[8,9].

图7 电机参数设置

按照运动顺序，第一步，料斗装置开始沿丝杠运动在铺料台上铺石蜡浆料，铺设完毕后料斗复位；第二步，等待石蜡浆料冷却，当石蜡凝固符合雕刻要求时，雕刻机装置按照分层的图形开始准备雕刻石蜡成型，雕刻结束后雕刻机复位；第三步，料斗装置沿丝杠运动在先前的石蜡层上铺设陶瓷浆料，从而使得浆料填补到在石蜡上雕刻的槽，铺料结束后料斗复位，停止铺料；第四步，电机驱动丝杠带动铺料台沿着z方向向下移动预设高度，运动到位后再由铺料装置配合雕刻装置完成下一层的雕刻，如此反复直至分层加工结束.根据如上的运动过程，以完成一层的雕刻加工为例，3个电机的运动时间顺序为控制搅拌轴运动的电机自始至终都要开启，然后，控制料斗铺料运动的水平电机正反转完成铺料工序，随后，控制铺料台运动的电机正转驱动铺料台降低一定高度.

已知参数：所选电机型号为57BYG096型步进电机，空载启动转速n=360 r/min；水平丝杠的螺纹长度为L1=340 mm，螺距为S1=4 mm，垂直丝杠的螺纹长度为L2=80 mm，螺距为S2=2 mm.

(1)由电机的转速可知转一圈所需时间

T1=1/n=1/360 min=1/6 s

(1)

则料斗一个往复的时间为

T2=2×L/4×T1=2×340/4×1/6≈28 s

(2)

由此可以得出如图7(4)所示的Serve Motor 1的设定时间为0～28 s，Serve Motor 2的设定时间为开始到终止.

(2)设定某工件加工的分层厚度为L2=2 mm，也即当上一次的分层图形雕刻完毕之后，铺料台要向下移动2 mm.

T3=L2/S2×T1=2/2×1/6≈1/6 s

(3)

根据计算结果，则Serve Motor 3的设定时间为28～28.167 s. 时间设定完毕之后，就可以进行仿真了，通过仿真动画可以了解到机构运动的整个过程，真实地反映了该成型运动，为分析其运动提供参考.

4 结束语

由于此新型陶瓷快速成型机正处在研制设计阶段，通过应用Pro/E进行虚拟装配和运动仿真，可以更直观地对其进行干涉检测以及进行各部件之间的间隙调整.与通过样机实验反馈相比，可以大大缩短设备的设计研发周期，降低产品生产成本，为设计提供了一个有效的开发途径.

参考文献

[1] 徐文杰，王秀峰，于成龙，等.陶瓷零件快速成形技术研究新进展[J].陶瓷，2009，3：10-14.

[2] 林水雄，余伟铬，刘 峰.基于MATLAB及Pro/E对曲柄导杆滑块组合机构的仿真[J].机械设计与制造，2009，3：86-88.

[3] 邢月卿，王德忠.基于Pro/E建模的激光模切机的动态仿真设计[J].科技创新导报，2008，(5)：21-24.

[4] 孙洪吉，魏延刚.基于Pro/E3.0的三环减速器的虚拟装配及运动仿真[J].计算机应用技术，2008，3(35)：27-29.

[5] 周尔民，肖 乾.基于Pro/E wildfire实现变速器的虚拟装配和运动仿真[J].煤矿机械，207，2：87.

[6] Mukesh K.Agarwala. FDC, rapid fabrication of structural components[J]. The American Ceramic Society Bulletin, 1996, 75 (11): 60-65.

[7] Klosterman A.Don. Automated fabrication of structural polymer and ceramic matrix composites via laminated object manufacturing (LOM)[J]. Evolving Technologies for the Competitive Edge Proceedings of the 1997 42nd International SAMPE Symposium and Exhibition, 2001, 42(1): 764-774.

[8] 王旭峰，张学军，李永奎.清田整地机械起膜和碎土装置的运动仿真[J].农机化研究，2008，2：36-38.

[9] 董亚峰，程鹏飞，黄 莉.Pro/e运动仿真功能在实验教学中的应用[J].山西农业大学学报，2007，5(6)：74-75.