《机械原理》教学中Pro/E与Simmechanics的应用

陈慧鹏,陈国金 (杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 310037)

《机械原理》教学中Pro/E与Simmechanics的应用

陈慧鹏,陈国金 (杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 310037)

论述了在《机械原理》教学中利用仿真手段进行可视化教学的必要性，以实例介绍了采用Pro/E和Simmechnics进行建模和机构运动仿真分析的步骤及特点。Pro/E和Simmechnics改变了传统的图解设计不够直观的情况，为《机械原理》课程设计的改进提供了一个尝试的经验。

《机械原理》；Pro/E；Simmechanics；运动仿真

作为主干技术基础课，《机械原理》是以机械共性问题为研究对象的，机械或机构的运动学和动力学分析贯穿于整个教学之中[1-2]。然而，目前的2种主要分析手段——图解法和解析法存在作图繁琐或编程复杂等不足，而且如果对改进的结构方案与原方案的对比分析，则以上2种方法基本上难以完成，这不仅影响了《机械原理》课程的教学效果，也使得学生的学习积极性下降。由于以上原因，在教学中引入Pro/E软件进行机构的三维建模，通过Pro/E与Simmechanics的接口将模型导入Simmechanics中进行运动和动力学仿真分析，能够使学生利用先修课程——工程图学中的绘图知识和Pro/E建模工具，快速简便的在Simmechanics环境中进行直观的动力学仿真分析，充分调动学生学习积极性，提高了学习自主性和创造力，培养了学生运用现代化的手段解决设计问题的能力。

下面以连杆机构中的曲柄摇杆机构的运动和动力学分析为例，来说明Pro/E和Simmechanics在《机械原理》课程教学中的应用。

1 曲柄摇杆机构Pro/E三维建模

图1 曲柄摇杆机构三维模型

利用Pro/E的三维参数化建模功能[3]，建立杆件模型，并进行装配，如图1所示。为方便建模，机架(Frame)长度为100mm，曲柄(Crank)长度为50mm，连杆(Rod)长度为80mm，摇杆(Rocker)长度为75mm。这样既满足杆长之和条件，同时也可以避免因为摇杆因长度和摆角问题对曲柄运动产生干涉现象。完成三维模型的建立之后，在Pro/E通过同Matlab/Simechanics接口进行数据交换(见图2)，产生TEST.xml文件，为后续工作做准备。

注意最后需要将这里所建的模型和产生的xml文件要复制到后续的Matlab的工作目录中以便后面仿真获得较好的实物动画效果。

2 Simmechanics动力学分析

笔者利用Simmechanics结合Simulink和Matlab对一个机械系统进行建模仿真[4]。在Simmechanics环境中，对机构系统进行建模和仿真，有一套工具来设定机构的各种特性，如质量特性，可能的运动约束，坐标系统，还可以初始化和测量机构系统的运动。通过一系列相关联的模块来表示一个机构系统，就如同Simulink模型一样，而且可以将Simmechanics作为Simulink的一个分级子系统嵌入Simulink环境中，将表示各种机构的模块在普通Simulink窗口中绘制出来，并通过它自己提供的检测与驱动模块在Simulink中获得整个系统的仿真结果[5]。

图2 产生TEST.xml文件

图3 Simulink初始模型

Simmechanics包含了刚体模块组(Bodies)、运动副模块组(Joins)、约束与传动模块组(Constraints&Driver)、检测与驱动模块组(Seneors&Actuators)、力元件模块组(Force Elements)、辅助工具模块组(Utilities)、接口模块组(Interface Elements)[6]。通过在Matlab命令窗口通过mech_import(‘*.xml’)或者是import_physmod(‘*.xml’)导入，得到如图3所示的Simulink模型。

2.1添加驱动

Simmechanics通过Sensors&Actuators模块对模型实施运动的加载以及相应检测量的测量。从Simulink常用模块中选取Constant模块，曲柄采用10rad/S的角速度进行匀速运转，这里需要注意的就是Joint Actuator模块里面需要输入的是Motion还是Force，同时采用Motion的时候需要给定3个输入变量角度、角速度和角加速度。这三者之间的互为微分和积分的关系，因此当确定输入运动的某一个变量的时候，可以采用微分和积分模块对其余2个变量进行计算。在Joint Actuator中还需要注意的就是要设置单位。Simmechanics里的Body Actuator模块输入的则是对Body施加的Torque(力矩)或者是Force(力)。

其他一些常用的XY图像以及数据传输到工作空间的操作和普通的simulink模型相同。最终得到的模型如图4所示。

2.2检测模块

Simmechanics检测模块主要包括Joint Sensor和Body Sensor，通过Body Sensor模块可以检测构件上某些点的运动轨迹、速度、加速度、角速度和角加速度。Joint Sensor可以针对不同的运动副检测相应的变量值。这里因为都是旋转副，所以可以检测到旋转的角度、角速度、角加速度、计算力矩。

在test模型中，取连杆的左端点(CS4)、右端点(CS5)和质心(CG)，取摇杆的上的某一点CS4(该点距离质心10mm)，同时将他们各个运动状态的数据信息输入到工作空间中以便后续的分析使用。这些数据类型如图5所示，分别为坐标位置、速度、角速度、加速度和角加速度，可以通过在工作空间中添加命令进行一些数据上的对比和获取。图6是杆件左右端点的轨迹图。

3 结论

通过对曲柄摇杆机构在Pro/E中的建模和 SimMechanics中的仿真可以得出以下结论。

(1) 只要在Pro/E中对仿真模型做适当修改，就可以对曲柄滑块、双摇杆等其他机构进行运动和动力学分析，与传统的《机械原理》课教学方法相比可视化效果好，易于更改调整、对比分析。

图4 四杆机构完整模型

图5 输出数据类型 图6 杆件端点轨迹图

(2) 将Pro/E建模和SimMechanics仿真应用到《机械原理》课堂教学中具有较大的新颖性，补充了图解法、解析法的不足，体现了教学的革新，调动学生的学习积极性，提高学生的学习兴趣，增强了学生分析问题、解决问题的能力。

[1]王知行，刘廷荣. 机械原理[M]. 北京:高等教育出版社，2000.

[2]华大年. 机械原理[M].北京:高等教育出版社，1994.

[3]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]. 山西农业大学学报, 2007(S1)：74-75.

[4]徐生林，刘艳娜. 两足机器人的SimMechanics建模[J]. 浙江大学学报(工学版)， 2010(7)：1361-1367.

[5]杨绿云，郭飞. 基于SimMechanics的六杆机构动力学仿真[J]. 华北水利水电学院学报，2010(4)：86-88.

[6]解本铭，孔维定. 基于SimMechanics的三自由度并联打磨机构动力学分析与仿真[J]. 机电产品开发与创新，2011(4)：82-84.

[编辑] 洪云飞

N4

A

1673-1409(2013)22-0135-03

2013-05-12

浙江省轮机与港口装备技术创新团队子项目 (2012R10003-01)。

陈慧鹏(1978-)，男，博士，讲师，现主要从事机械设计、仿真和优化方面的教学与研究工作。