基于Pro/E的液压系统的动画制作

张丽珍 曹小龙 孙 涛

上海海洋大学工程学院 上海 201306

☆现代教育技术与装备☆

基于Pro/E的液压系统的动画制作

张丽珍 曹小龙 孙 涛

上海海洋大学工程学院 上海 201306

制作动画进行演示是提高课堂教学质量普遍采用的方法，液压系统或元件由于存在油液的流动，在通用的三维设计软件中制作动画有一定的困难。利用三维设计软件Pro/E建模并制作出液压系统工作原理动画，以机床工作台液压系统和电液换向阀为例，详细介绍了分别使用该软件的动画环境和机构环境制作液压油液动画的方法。

动画制作；液压系统；Pro/E

液压系统的结构复杂，系统工作过程抽象，在教科书中，多数液压元件及系统回路的结构与工作原理均是用文字和一些简单的图形符号来描述，在学习过程中学生很难理解。因此将元件的动作、系统的回路从静止不动的图形符号变成形象的动画，并运用到液压与气压课程教学中，可将静止、抽象的内容转变为生动、形象的知识，加深学生对内容的理解与掌握，降低理解难度，调动学生的学习兴趣，提高教学效果。液压传动中为了清楚介绍系统或元件的工作原理，油液的流动情况必不可少。由于无法直接定义液体属性，所以用三维设计软件仿真液体的流动效果有一定的难度。

在Pro/E中，有两种环境可以进行机构的工作动画仿真，一是机构环境，二是动画环境[1]。两者区别非常大，在机构环境中可以有动态的弹簧，而在动画环境中没有弹簧的动态演示。在哪一个环境中制作仿真动画要根据不同的机构情况来判断，并且在不同的环境下制作流体动画需要不同的方法。笔者以机床工作台液压系统和电液换向阀为例，介绍如何在Pro/E软件的机构环境和动画环境中制作液压元件或系统的动画，为液压系统的动画制作提供一种新方法。

1 动画环境中制作动画

在Pro/E软件的动画环境下制作机构仿真是一个比较传统的方法，以机床工作台液压系统为例来讲述制作的方法及过程。

1.1 机床工作台液压系统的工作过程

机床工作台的液压传动系统(如图1所示)在《液压与气压传动》教材中一般都出现在绪论中[2]，用来讲述液压传动系统的组成，它由油箱1、过滤器2、液压泵3、溢流阀4、换向阀5、节流阀6、换向阀7和液压缸8等组成，在引出液压系统的组成前，先要给学生讲清楚它的工作过程。工作台9的前进或后退由换向阀7所处的不同工作位置(左位或右位)决定，工作位置的切换由控制手柄控制，为了说明不同的工作位置，书上用2张图来表达换向阀的工作状态，由于无法表述液压油液的流动情况，上课时学生理解起来比较吃力。所以要制作出各换向阀处于不同工作状态时油液的流动情况，还要能反映出管路中油液是高压还是低压。

图1 机床工作台液压系统

1.2 动画制作过程

此系统的动画过程主要是反映出油液的流动过程、换向阀阀芯的移动、液压缸的移动及工作台的前进和后退，换向阀阀芯、液压缸和工作台的移动制作用一般方法即可，关键是液压油液的流动效果制作。油液流动效果的基本制作思路是：用显色板来表示液压油液，显色板就是形状与相应管道截面尺寸相同的薄板。显色板分为红色和绿色两种，红色表示高压液压油，绿色表示低压液压油。在液压工作台的三维模型建立起来后，将这些形状不同的显色板装配到对应的管道内部。

将环境设置到动画模式下，在制作动画时，主要用到定时透明命令。定时透明命令由2个参数来定义，即时间和透明度。当把透明度设为100时，对象不显示；当透明度设为0时，对象显示。

假设液压泵在0s开启，液压油经过1s到达液压泵，则油箱与液压泵之间的管道在1s时应该充满低压液压油，即在1s时此段管道内的绿色显色板显示，定义管道内显色板透明度为0，时间为1s；液压泵出来的是高压油，以1s作为时间单位，那么在2s时，液压泵和换向阀5之间的管道内充满高压油，此时此段管道内的红色显色板显示，定义此显色板透明度为0，时间为2s。

以相同的方法分别定义换向阀5的容腔、换向阀5和节流阀6之间管道、节流阀6和换向阀7之间管道、换向阀7的容腔、换向阀7和液压缸8之间的管道以及液压缸内的显色板，再定义运动速度及时间，即可实现此段时间内液压油的流动效果。

当高压液压油到达液压缸8的左腔时，推动工作台9向右移动。此时液压缸左腔充满高压油，右腔回油，充满低压油。由于工作台要以一定的速度运动到最右端，因此，显色板的变化要和工作台的运动相匹配，即当工作台向右移动距离L时，左腔红色“前进”L，右腔绿色“倒退”L。在这种情况下，需要将显色板进行“分割”，如工作台的运动速度为1mm/s，方向向右，则此时显色板宽度设为1mm，若工作台在10s时开始向右运动，则在11s时其向右运动的距离为1mm，此时定义液压缸左腔相应的一块红色显色板透明度为0，显示时间为10s, 定义液压缸右腔的相应的绿色显色板透明度为100，时间为10s，这样左腔高压液压油前进1mm，活塞和工作台前进1mm，并且右腔的绿色液压油后退1mm，即表示了液压工作台在高压油的作用下向右移动。

以此类推，理论上当在t(s)时，某段管道内液压油为高压或低压，则定义此段显色板透明度为0，时间为(t-1)s，此时该处的显色板显示，颜色根据油压的高低决定。

由于液压工作台的动作是往复的，因此在同一位置不同时刻的液压油的压力大小会有所不同。以液压缸8为例，当活塞向右运动时，液压缸右腔中由于回油是低压液压油，当活塞向左运动时液压缸右腔中为高压液压油，需要双显色板，即在同一位置装配两个显色板，分别为红色显色板和绿色显色板。当液压缸内为低压油时，定义缸内绿色显色板为显示，红色显色板不显示；当缸内为高压油时，定义红色显色板为显示，绿色显色板不显示，这样就可以表示同一位置不同时刻液压油压力的高低。

所以，只要将显色板装配好，定时透明的时间与机构相应元件运动的时间相匹配，透明度与液压油压力的变化相吻合，就可以做出液压油液流动的动画效果。在此过程中要注意的是，划分的长方形越多则油液运动就越形象。当然，长方形越多则装配越麻烦，定义透明也越复杂。

2 机构环境下制作动画

在动画环境下制作机构仿真是一个比较传统的方法，但它有局限性，如不能添加虚拟弹簧，像电液换向阀这种弹簧作用较突出的阀体的工作原理动画就无法完成。在这种情况下，在机构环境中制作动画比较合适，下面以三位四通电液换向阀的动画制作为例来介绍。

2.1 电液换向阀简介

图2所示为弹簧对中型三位四通电液换向阀的结构，它由上边的电磁先导阀和下面的液动主阀组成，主阀芯右移或左移由电磁先导阀的工作状态(阀口的通断情况)来决定，当电磁先导阀左边的电磁铁通电后，其阀芯向右运动，从而使压力油通过管道及左边单向阀进入主阀左端空腔，推动主阀芯向右运动，使主阀的P和A通、B和T通。反之当电磁先导阀右边的电磁铁通电后，主阀芯向左运动，使主阀的P和B通、A和T通。电磁先导阀两端和主阀两端都设有弹簧用于对中，两侧单向阀各有1个复位弹簧，所以此阀共有6个弹簧，在此阀的工作过程中需要体现出这6个弹簧的动作，所以在机构环境中制作动画。

图2 电液换向阀结构简图(中位)

2.2 动画制作方法

在制作电液换向阀的动画时，将软件环境切换到机构下进行。同液压工作台一样，用红色显色板与绿色显色板分别表示高压和低压液压油，且形状与管道的截面相同。与机床液压工作台不同的是，电液换向阀显色板的显示与隐藏是由电动机来控制的。定义电动机的主要参数有运动方向和运动速度。基本原理是，在初始状态显色板不显示，当该处油压变化时，电动机启动，使相应的显色板运动到可以看到的位置，这样显色板就可以显示出来，表示此处油液压力的变化。

具体制作方法以电液换向阀左位工作的动画过程为例来讲述。当先导阀左边的电磁铁通电后，先导阀阀芯向右移动，来自主阀P口的控制压力油(高压油)经电磁先导阀的A1口和左单向阀进入主阀左端的容腔，并推动主阀阀芯向右移动，此时，油液经过的管道内油液由低压油变为高压油，即绿色变为红色。要实现这一变化过程，需在此段管道内装配两种显色板，绿色显色板装配在可以看到的位置，红色显色板装配在距离绿色显色板2 000mm的位置。在运动前此段管道显示为绿色，看不到红色显色板，在红色显色板上定义电动机，速度为2 000mm/s，电动机运行时间为1s，这样，当在t(s)时，此段管道内油压由低压油变为高压油，则电动机在(t-1)s开始启动，运行1s后，红色显色板移动到可以看到的位置并覆盖原来的绿色显色板，此时此段管道内显示为红色，即表示液压油压力由低压变为高压。

当主阀芯运动到一定位置时，使主阀P与A，B和T的油路相通，此时右端容腔中的控制液压油(低压油)可通过右边的节流阀经电磁先导阀的B1口和T1口，再从主阀的T口或外接油口流回油箱(主阀芯的移动速度可由右边的节流阀调节)，此过程液压油油压不变化。最后将这一过程导出，电液换向阀的工作动画即可完成了。

3 结束语

由于Pro/E软件不能模拟液体流动的效果，所以就需要用已有的功能去代替它。笔者利用动画环境和机构环境分别完成了液压工作台液压系统和电液换向阀的三维建模和工作动画制作，仿真了液压油液的流动效果。当然，随着科技的进步以及软件本身功能的不断改进和完善，相信在不久的将来，肯定能更加方便和形象地模拟液体的流动，这也将给从事液压工作的人员带来方便。

[1] 邱会朋,杜贵明.Pro/E产品现代设计方法与实例精解[M].北京:清华大学出版社,2009.

[2] 左健民.液压与气压传动[M].北京:机械工业出版社,2000.

Animation of hydraulic system based on Pro/E

Zhang Lizhen, Cao Xiaolong, Sun Tao
Shanghai ocean university, Shanghai, 201306, China

Animation is a general method to improve the teaching quality in class, there are certain diff culties in animating hydraulic system or components using common 3D design softwares because of the f owing of hydraulic liquid. Hydraulic systems are modeled and their working principles are animated using Pro/E software in this paper. Taking the hydraulic system of the workbench and the electrohydraulic reversing valve as examples, the animating methods of hydraulic liquid are introduced detail in animating enviroment and mechanism environment of Pro/E software respectively.

animation; hydraulic system; Pro/E

2011-08-09

张丽珍，博士，教授，系主任。曹小龙，硕士。孙涛，硕士，工程师。

上海海洋大学校级重点课程建设项目。