Pro/ENGINEER運(yùn)動(dòng)仿真模塊在運(yùn)動(dòng)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要:本文分析了傳統(tǒng)授課方式在運(yùn)動(dòng)學(xué)教學(xué)中存在的弊端，并以理論力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)中的習(xí)題為例，說(shuō)明如何將Pro/ENGINEER的運(yùn)動(dòng)仿真模塊(Mechanism Design eXtension)應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)學(xué)的教學(xué)過程中。實(shí)現(xiàn)Pro/ENGINEER運(yùn)動(dòng)仿真與傳統(tǒng)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，以提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞:運(yùn)動(dòng)仿真 運(yùn)動(dòng)學(xué) 教學(xué)效果

中圖分類號(hào):G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)03(a)-0131-01

理論力學(xué)是機(jī)械類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，在教材結(jié)構(gòu)上通常由靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三篇組成。運(yùn)動(dòng)學(xué)不僅是理論力學(xué)教學(xué)過程中重要的一環(huán)，在整個(gè)機(jī)械工程教育中也起著承上啟下的作用。因此運(yùn)動(dòng)學(xué)授課質(zhì)量的好壞將直接影響到機(jī)械工程專業(yè)的教育質(zhì)量。

因此，本文將Pro/ENGINEER的運(yùn)動(dòng)仿真模塊引入到運(yùn)動(dòng)學(xué)課程的教學(xué)中，以剛體運(yùn)動(dòng)課后習(xí)題為例，說(shuō)明如何在Pro/ENGINEER軟件中建立機(jī)構(gòu)模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)果輸出。

1 Pro/ENGINEER運(yùn)動(dòng)仿真模塊(MDX)簡(jiǎn)介

Pro/ENGINEER軟件(簡(jiǎn)稱Pro/E)是由美國(guó)參數(shù)科技公司(Parametric Technology Corporation簡(jiǎn)稱PTC)開發(fā)的大型CAD/CAE/CAM軟件。自開發(fā)以來(lái)，以全參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)、基于特征、單一全關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)際參數(shù)化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，深受用戶好評(píng)[2]。

Mechanism Design eXtension(簡(jiǎn)稱MDX)是Pro/E包含運(yùn)動(dòng)的一個(gè)模塊，能夠與Pro/E結(jié)合使用設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)并進(jìn)行模擬仿真校驗(yàn)。此外MDX模塊的主要功能有:

1)能夠適時(shí)改變構(gòu)建尺寸來(lái)滿足設(shè)計(jì)的需要;2)交互的拖動(dòng)并調(diào)整機(jī)構(gòu);3)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體及運(yùn)動(dòng)干涉分析;4)能夠定義分析特定的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，如凸輪、齒輪、槽等;4)支持族表及替換;6)能夠設(shè)計(jì)生成動(dòng)畫數(shù)據(jù)并能重復(fù)利用。

MDX的操作流程:[3]

1)以連接方式建立欲分析的機(jī)構(gòu);2)補(bǔ)足相關(guān)的運(yùn)動(dòng)配合條件;3)設(shè)定初始位置;4)加入驅(qū)動(dòng)條件;4)設(shè)定分析條件并仿真;播放、輸出分析結(jié)果。

2 MDX運(yùn)動(dòng)仿真功能在運(yùn)動(dòng)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

利用MDX模塊對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，不僅可以省去大量繁瑣的計(jì)算，而且可以形象直觀的看到機(jī)構(gòu)的逼真模型及各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，方便的求出機(jī)構(gòu)各點(diǎn)的位置、速度和加速度。此外利用Pro/E的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能還可以對(duì)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行編輯修改通過一個(gè)模板模型衍生出不同的機(jī)構(gòu)模型。本文結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)典型例題5-2正弦機(jī)構(gòu)(見圖1)利用MDX的運(yùn)動(dòng)仿真功能對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模、裝配以及運(yùn)動(dòng)仿真的相關(guān)設(shè)置，并利用參數(shù)化設(shè)計(jì)輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)在不同初始條件下的位移、速度、加速度曲線，以此說(shuō)明Pro/E的運(yùn)動(dòng)仿真模塊(MDX)在運(yùn)動(dòng)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1 Pro/ENGINEER運(yùn)動(dòng)仿真模型建立

(1)通過Pro/E軟件，建立正弦機(jī)構(gòu)各部分的三維立體模型，初設(shè)曲柄長(zhǎng)度為100mm。

(2)利用“連接”裝配各零件。其中支座和滑槽使用剛性連接固定，曲柄與支座、滑塊與曲柄均用“銷釘”連接，滑塊與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與滑槽均采用“滑動(dòng)桿”連接，完成機(jī)構(gòu)裝配。

(3)定義驅(qū)動(dòng)速度。進(jìn)入MDX模塊，定義伺服電動(dòng)機(jī)。初設(shè)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為45°/s。

(4)模型運(yùn)動(dòng)時(shí)間設(shè)定為16s，幀頻設(shè)定為10。

2.2 Pro/ENGINEER運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果分析

1)仿真結(jié)果驗(yàn)證:曲柄與滑塊鉸接處x方向的位移容易計(jì)算，由計(jì)算公式

周期為

2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度相對(duì)計(jì)算較為繁瑣，但是通過仿真很容易做出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度曲線。通過分析易知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)為平動(dòng)，故執(zhí)行機(jī)構(gòu)各點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度均相同，也即可用執(zhí)行機(jī)構(gòu)底端重點(diǎn)A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)表述執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。利用MDX可同時(shí)繪出A處的位移、速度、加速度曲線。

3)通過參數(shù)化設(shè)計(jì)可以隨時(shí)改變曲柄的長(zhǎng)度或者伺服電動(dòng)機(jī)的角速度，以調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。分別繪出曲柄為150mm，角速度為45°/s和曲柄長(zhǎng)度為100mm，角速度為60°/s時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度曲線。

4)MDX不但能繪制各種運(yùn)動(dòng)曲線，還能夠保存其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，以.grt圖表文件的格式提供給設(shè)計(jì)者使用，從該圖表文件中可以查出任意時(shí)刻執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度數(shù)值。以曲柄長(zhǎng)度為100mm，角速度為45°/s的正弦機(jī)構(gòu)為例，當(dāng)t=2s時(shí)，其位移為-100mm，速度為0mm/s，加速度為61.685mm/s2，與理論計(jì)算數(shù)值完全符合。

3 結(jié)論

運(yùn)動(dòng)學(xué)是研究物體運(yùn)動(dòng)的幾何性質(zhì)的科學(xué)，是面向工程的綜合性和系統(tǒng)性很強(qiáng)的一門課程，單純依靠傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以動(dòng)態(tài)演示機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況，因此有必要重視計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。MDX作為Pro/E的集成模塊專注于機(jī)構(gòu)分析，簡(jiǎn)單易行，教師可在教學(xué)中利用MDX模塊隨時(shí)運(yùn)行機(jī)構(gòu)分析，觀察機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)動(dòng)及其實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)功能，并可適時(shí)輸出各個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度圖以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，從而使運(yùn)動(dòng)學(xué)教學(xué)更加直觀生動(dòng)。將Pro/E的運(yùn)動(dòng)仿真模塊應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)學(xué)的教學(xué)中，不僅可以幫助學(xué)生理解基本概念、基礎(chǔ)理論和計(jì)算方法，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，有助于教師提高課堂教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 高世凡.淺談Pro/Engineer運(yùn)動(dòng)仿真在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2009，38(7):164～167.

[2] 董亞峰，程鵬飛，黃莉.Proe運(yùn)動(dòng)仿真功能在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，6(5):74～75.