基于Pro/E的動態(tài)拆裝虛擬模型庫的創(chuàng)建

劉梅英，皮永飛

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北武漢 430070）

0 引言

工程實(shí)際中經(jīng)常會應(yīng)用實(shí)物反求技術(shù)，對已有先進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)行拆裝測繪，整理出一套完整圖樣，為測繪仿制或自行設(shè)計(jì)提供寶貴的資料和經(jīng)驗(yàn)。因此測繪技術(shù)對工程技術(shù)人員而言是一項(xiàng)重要的基本技能。

拆裝測繪是依據(jù)機(jī)械專業(yè)大學(xué)生將來的工程設(shè)計(jì)需要而設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，目前有的高校放在工程圖學(xué)課程結(jié)束后進(jìn)行集中測繪，也有的高校放在機(jī)械設(shè)計(jì)課程結(jié)束后開設(shè)機(jī)構(gòu)認(rèn)知與拆裝測繪綜合實(shí)驗(yàn)課程。該實(shí)踐環(huán)節(jié)要求學(xué)生在充分研究測繪對象的結(jié)構(gòu)、原理和功能后，對部件進(jìn)行系統(tǒng)的拆卸、測量、繪圖和組裝，既有徒手作圖，也有尺規(guī)制圖和計(jì)算機(jī)繪圖的訓(xùn)練，充分鍛煉了學(xué)生的綜合制圖能力，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的具體體現(xiàn)［1］。

為了進(jìn)一步提高拆裝測繪實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)效果，指導(dǎo)學(xué)生對測繪對象的認(rèn)知及有序地拆裝測繪，研究建立了基于Pro/E的動態(tài)拆裝虛擬模型庫。通過虛擬模型庫的中的模型、運(yùn)動仿真和拆裝演示，了解閥、泵、減速器等部件的用途、工作原理和裝配關(guān)系，了解各組成部分零件在部件中的作用及形狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)學(xué)生對機(jī)械零件的感性認(rèn)知。Pro/E是美國參數(shù)技術(shù)公司PTC（Parametric Technology Corporation）推出的3D CAD軟件，具有基于特征、全參數(shù)、全相關(guān)和單一數(shù)據(jù)庫等特點(diǎn)。自推出以來，由于其強(qiáng)大的功能，很快得到工程設(shè)計(jì)人員的歡迎，并迅速成為當(dāng)今世界最為流行的CAD軟件之一［2］。

1 動態(tài)拆裝虛擬模型庫的建立

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動態(tài)拆裝虛擬模型庫中的模型既有經(jīng)典的拆裝測繪部件，如齒輪油泵、手壓閥、減速器、球閥、安全閥、虎鉗、千斤頂?shù)?，也有部分專業(yè)課程中涉及到的部件，如雙聯(lián)葉片泵、農(nóng)機(jī)傳動裝置等。每個(gè)模型下均可以查看該部件的三維模型、分解圖、運(yùn)動仿真動畫及動態(tài)拆裝動畫。總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 動態(tài)拆裝虛擬模型庫的總體設(shè)計(jì)

1.2 動態(tài)拆裝模型的制作

動態(tài)拆裝虛擬模型庫中每個(gè)模型均采用自底向上的裝配設(shè)計(jì)方法，即首先對拆裝對象進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)零件的形狀特點(diǎn)不同采用不同的建模方法，完成最底層的零件的建模。然后利用“組件”模塊根據(jù)部件或設(shè)備的裝配關(guān)系將多個(gè)零件進(jìn)行組裝，并創(chuàng)建爆炸分解圖［2］。然后利用“機(jī)構(gòu)”模塊對運(yùn)動部件進(jìn)行運(yùn)動仿真。最后利用“動畫”模塊創(chuàng)建有序地動態(tài)拆裝過程的動畫，模擬實(shí)際的拆裝過程。其基本流程如圖2所示。

圖2 創(chuàng)建動態(tài)拆裝模型的基本流程

下面以雙聯(lián)葉片泵為例，簡要說明動態(tài)拆裝虛擬模型的制作步驟。雙聯(lián)葉片泵由兩個(gè)單級葉片泵在一個(gè)泵體內(nèi)并聯(lián)組成，常用于有快速進(jìn)給和工作進(jìn)給要求的機(jī)械加工的專用機(jī)床中。兩個(gè)葉片泵的轉(zhuǎn)子由同一傳動軸帶動旋轉(zhuǎn)，有各自獨(dú)立的出油口，兩個(gè)泵可以是相等流量的，也可以是不等流量的。其結(jié)構(gòu)由泵體、泵軸、轉(zhuǎn)子、定子、配油盤及端蓋組成。

1）零件建模

Pro/E建模需首先繪制二維截面草圖，經(jīng)過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描或混合等方法創(chuàng)建基本特征，然后利用陣列特征等工具對零件進(jìn)行編輯得到零件的三維實(shí)體模型。雙聯(lián)葉片泵主要組成零件的三維模型如圖3所示。

2）組件裝配

完成零件建模后，將各個(gè)零件按設(shè)計(jì)要求裝配在一起才能形成一個(gè)完整的產(chǎn)品或機(jī)構(gòu)裝置。Pro/E提供的“組件”模塊是通過設(shè)置零件間的約束，來限制零件間的自由度，以模擬現(xiàn)實(shí)生活中機(jī)構(gòu)零件的裝配效果。為了便于觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以將外殼零件作透明化處理或生成剖視圖，雙聯(lián)葉片泵裝配模型如圖4所示。利用［視圖］、［分解］、［分解視圖］來生成爆炸分解圖（圖5）。分解圖對于表達(dá)裝配體的結(jié)構(gòu)組成和各個(gè)零件的相對位置十分有利。

圖3 雙聯(lián)葉片泵主要組成零件的三維模型

3）運(yùn)動仿真

Pro/E提供的“機(jī)構(gòu)”模塊可模擬模型的工作狀況。在裝配環(huán)境下創(chuàng)建連接類型、設(shè)置伺服電機(jī)，創(chuàng)建運(yùn)動副，設(shè)置運(yùn)動環(huán)境，然后運(yùn)行機(jī)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)人員可以觀察機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)動軌跡和各零件之間的相對運(yùn)動，將分析結(jié)果輸出MPG格式文件保存［3］。

4）動畫制作

Pro/E提供的“動畫”模塊可以實(shí)現(xiàn)部件或設(shè)備的動態(tài)拆裝過程，能夠?qū)⒅庇^細(xì)致的三維實(shí)體及之間的裝配關(guān)系清晰地表達(dá)出來。制作時(shí)使用鼠標(biāo)直接拖動組件，仿照動畫影片制作過程，一步步產(chǎn)生關(guān)鍵幀，最后連續(xù)播映這些關(guān)鍵制造影像。使用該功能相當(dāng)自由，無需在運(yùn)動組件上設(shè)定任何連接和伺服電動機(jī)［3］。

1.3 動態(tài)拆裝虛擬模型庫用戶界面的開發(fā)

為了達(dá)到良好的教學(xué)效果，利用Visual Basic（VB）來開發(fā)動態(tài)拆裝虛擬模型庫用戶界面，使用VB中的image控件來展示裝配模型的三維模型及爆炸分解圖，使用windows media player控件來展示運(yùn)動仿真動畫和動態(tài)拆裝動畫［4］。用戶根據(jù)需要選定要拆裝的部件，然后可選擇查看該部件的三維模型圖片或者爆炸分解圖，也可選擇查看該部件的運(yùn)動仿真動畫，或者動態(tài)拆裝動畫，整個(gè)操作過程簡便、直觀，動畫播放速度適中，利于輔助教學(xué)和學(xué)生自學(xué)。

2 結(jié)語

拆裝測繪實(shí)踐環(huán)節(jié)可增強(qiáng)學(xué)生對機(jī)械零部件的感性認(rèn)識，同時(shí)綜合訓(xùn)練學(xué)生的制圖能力。該模型庫的建立不僅對于拆裝測繪實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效指導(dǎo)，提升教學(xué)效果，也為后續(xù)機(jī)械設(shè)計(jì)和專業(yè)課程學(xué)習(xí)提供了良好的素材庫，從不同角度和層面認(rèn)知設(shè)備，啟迪學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新思維。同時(shí)，使學(xué)生了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和理念，增強(qiáng)應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)的意識和學(xué)習(xí)興趣。

［1］王國順，謝軍.機(jī)械制圖實(shí)踐教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［2］王詠梅，李春茂，張瑞萍，等.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 中文版基礎(chǔ)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

［3］喬建軍，王保平，胡仁喜，等.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 動力學(xué)與有限元分析從入門到精通［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］劉彬彬，安劍，等.Visual Basic從入門到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.