《機械原理》教學中Pro/E與Simmechanics的應用

陳慧鵬,陳國金 (杭州電子科技大學機械工程學院，浙江 杭州 310037)

《機械原理》教學中Pro/E與Simmechanics的應用

陳慧鵬,陳國金 (杭州電子科技大學機械工程學院，浙江 杭州 310037)

論述了在《機械原理》教學中利用仿真手段進行可視化教學的必要性，以實例介紹了采用Pro/E和Simmechnics進行建模和機構運動仿真分析的步驟及特點。Pro/E和Simmechnics改變了傳統的圖解設計不夠直觀的情況，為《機械原理》課程設計的改進提供了一個嘗試的經驗。

《機械原理》；Pro/E；Simmechanics；運動仿真

作為主干技術基礎課，《機械原理》是以機械共性問題為研究對象的，機械或機構的運動學和動力學分析貫穿于整個教學之中[1-2]。然而，目前的2種主要分析手段——圖解法和解析法存在作圖繁瑣或編程復雜等不足，而且如果對改進的結構方案與原方案的對比分析，則以上2種方法基本上難以完成，這不僅影響了《機械原理》課程的教學效果，也使得學生的學習積極性下降。由于以上原因，在教學中引入Pro/E軟件進行機構的三維建模，通過Pro/E與Simmechanics的接口將模型導入Simmechanics中進行運動和動力學仿真分析，能夠使學生利用先修課程——工程圖學中的繪圖知識和Pro/E建模工具，快速簡便的在Simmechanics環境中進行直觀的動力學仿真分析，充分調動學生學習積極性，提高了學習自主性和創造力，培養了學生運用現代化的手段解決設計問題的能力。

下面以連桿機構中的曲柄搖桿機構的運動和動力學分析為例，來說明Pro/E和Simmechanics在《機械原理》課程教學中的應用。

1 曲柄搖桿機構Pro/E三維建模

圖1 曲柄搖桿機構三維模型

利用Pro/E的三維參數化建模功能[3]，建立桿件模型，并進行裝配，如圖1所示。為方便建模，機架(Frame)長度為100mm，曲柄(Crank)長度為50mm，連桿(Rod)長度為80mm，搖桿(Rocker)長度為75mm。這樣既滿足桿長之和條件，同時也可以避免因為搖桿因長度和擺角問題對曲柄運動產生干涉現象。完成三維模型的建立之后，在Pro/E通過同Matlab/Simechanics接口進行數據交換(見圖2)，產生TEST.xml文件，為后續工作做準備。

注意最后需要將這里所建的模型和產生的xml文件要復制到后續的Matlab的工作目錄中以便后面仿真獲得較好的實物動畫效果。

2 Simmechanics動力學分析

筆者利用Simmechanics結合Simulink和Matlab對一個機械系統進行建模仿真[4]。在Simmechanics環境中，對機構系統進行建模和仿真，有一套工具來設定機構的各種特性，如質量特性，可能的運動約束，坐標系統，還可以初始化和測量機構系統的運動。通過一系列相關聯的模塊來表示一個機構系統，就如同Simulink模型一樣，而且可以將Simmechanics作為Simulink的一個分級子系統嵌入Simulink環境中，將表示各種機構的模塊在普通Simulink窗口中繪制出來，并通過它自己提供的檢測與驅動模塊在Simulink中獲得整個系統的仿真結果[5]。

圖2 產生TEST.xml文件

圖3 Simulink初始模型

Simmechanics包含了剛體模塊組(Bodies)、運動副模塊組(Joins)、約束與傳動模塊組(Constraints&Driver)、檢測與驅動模塊組(Seneors&Actuators)、力元件模塊組(Force Elements)、輔助工具模塊組(Utilities)、接口模塊組(Interface Elements)[6]。通過在Matlab命令窗口通過mech_import(‘*.xml’)或者是import_physmod(‘*.xml’)導入，得到如圖3所示的Simulink模型。

2.1添加驅動

Simmechanics通過Sensors&Actuators模塊對模型實施運動的加載以及相應檢測量的測量。從Simulink常用模塊中選取Constant模塊，曲柄采用10rad/S的角速度進行勻速運轉，這里需要注意的就是Joint Actuator模塊里面需要輸入的是Motion還是Force，同時采用Motion的時候需要給定3個輸入變量角度、角速度和角加速度。這三者之間的互為微分和積分的關系，因此當確定輸入運動的某一個變量的時候，可以采用微分和積分模塊對其余2個變量進行計算。在Joint Actuator中還需要注意的就是要設置單位。Simmechanics里的Body Actuator模塊輸入的則是對Body施加的Torque(力矩)或者是Force(力)。

其他一些常用的XY圖像以及數據傳輸到工作空間的操作和普通的simulink模型相同。最終得到的模型如圖4所示。

2.2檢測模塊

Simmechanics檢測模塊主要包括Joint Sensor和Body Sensor，通過Body Sensor模塊可以檢測構件上某些點的運動軌跡、速度、加速度、角速度和角加速度。Joint Sensor可以針對不同的運動副檢測相應的變量值。這里因為都是旋轉副，所以可以檢測到旋轉的角度、角速度、角加速度、計算力矩。

在test模型中，取連桿的左端點(CS4)、右端點(CS5)和質心(CG)，取搖桿的上的某一點CS4(該點距離質心10mm)，同時將他們各個運動狀態的數據信息輸入到工作空間中以便后續的分析使用。這些數據類型如圖5所示，分別為坐標位置、速度、角速度、加速度和角加速度，可以通過在工作空間中添加命令進行一些數據上的對比和獲取。圖6是桿件左右端點的軌跡圖。

3 結論

通過對曲柄搖桿機構在Pro/E中的建模和 SimMechanics中的仿真可以得出以下結論。

(1) 只要在Pro/E中對仿真模型做適當修改，就可以對曲柄滑塊、雙搖桿等其他機構進行運動和動力學分析，與傳統的《機械原理》課教學方法相比可視化效果好，易于更改調整、對比分析。

圖4 四桿機構完整模型

圖5 輸出數據類型 圖6 桿件端點軌跡圖

(2) 將Pro/E建模和SimMechanics仿真應用到《機械原理》課堂教學中具有較大的新穎性，補充了圖解法、解析法的不足，體現了教學的革新，調動學生的學習積極性，提高學生的學習興趣，增強了學生分析問題、解決問題的能力。

[1]王知行，劉廷榮. 機械原理[M]. 北京:高等教育出版社，2000.

[2]華大年. 機械原理[M].北京:高等教育出版社，1994.

[3]董亞峰，程鵬飛，黃莉. Proe運動仿真功能在實驗教學中的應用[J]. 山西農業大學學報, 2007(S1)：74-75.

[4]徐生林，劉艷娜. 兩足機器人的SimMechanics建模[J]. 浙江大學學報(工學版)， 2010(7)：1361-1367.

[5]楊綠云，郭飛. 基于SimMechanics的六桿機構動力學仿真[J]. 華北水利水電學院學報，2010(4)：86-88.

[6]解本銘，孔維定. 基于SimMechanics的三自由度并聯打磨機構動力學分析與仿真[J]. 機電產品開發與創新，2011(4)：82-84.

[編輯] 洪云飛

N4

A

1673-1409(2013)22-0135-03

2013-05-12

浙江省輪機與港口裝備技術創新團隊子項目 (2012R10003-01)。

陳慧鵬(1978-)，男，博士，講師，現主要從事機械設計、仿真和優化方面的教學與研究工作。