機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)虛實(shí)方法的對(duì)比研究

馬澤九，蔡立山，胡曉珍

（浙江海洋學(xué)院，浙江 舟山 316022）

0 引言

高校普遍存在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)設(shè)備臺(tái)套數(shù)少的問題。而應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，建立機(jī)械創(chuàng)新虛擬實(shí)驗(yàn)室，可使學(xué)生能在計(jì)算機(jī)上對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理和創(chuàng)新機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真，既可以解決由于硬件設(shè)備少而帶來的影響，還可以減少因?qū)W生的盲目動(dòng)作帶來時(shí)間浪費(fèi)及誤操作使設(shè)備損壞，提高實(shí)驗(yàn)開設(shè)的效率［1］；因此高校開設(shè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為機(jī)械學(xué)科機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

目前，該實(shí)驗(yàn)的開設(shè)方式歸納起來有3 種［2-3］：一是基于實(shí)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備的創(chuàng)意拼裝；二是基于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的虛擬拼裝實(shí)驗(yàn)；三是兩者結(jié)合，先進(jìn)行虛擬拼裝實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行實(shí)物拼裝實(shí)驗(yàn)。比較起來，第一種方式下學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中機(jī)構(gòu)的拼裝、調(diào)整花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)；第二種方式下對(duì)學(xué)生動(dòng)手操作能力的培養(yǎng)有所欠缺；第三種方式避免了前二種實(shí)驗(yàn)方式存在的缺點(diǎn)，學(xué)生按照設(shè)計(jì)題目擬定多種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行機(jī)構(gòu)虛擬拼裝及運(yùn)動(dòng)仿真，比較得出最佳方案，最后進(jìn)行實(shí)物拼裝并測(cè)定執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。這中間虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否可以完全指導(dǎo)實(shí)物實(shí)驗(yàn)，其可靠性有待驗(yàn)證，由此本文對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的虛實(shí)方法進(jìn)行對(duì)比研究。

1 虛實(shí)方法對(duì)比研究的方案

虛實(shí)方法對(duì)比研究的方案采用基于Pro/E 的虛擬裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用Mechanism 模塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析，然后對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真分析結(jié)果與實(shí)物拼裝后測(cè)定執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行比較分析。

虛實(shí)方法的對(duì)比研究分為三個(gè)步驟進(jìn)行：1）以飛剪機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)構(gòu)各構(gòu)件進(jìn)行三維造型—虛擬拼裝—運(yùn)動(dòng)仿真；2）在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行飛剪機(jī)構(gòu)實(shí)物拼裝—運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)定；3）虛實(shí)方法對(duì)比分析—結(jié)論。

1.1 機(jī)構(gòu)的虛擬拼裝及運(yùn)動(dòng)仿真分析

1）虛擬零件的三維造型。為了便于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的虛擬拼裝，需要新建一個(gè)存放三維虛擬零件的文件夾。再根據(jù)實(shí)際測(cè)量尺寸，對(duì)飛剪機(jī)構(gòu)各個(gè)零件進(jìn)行三維造型。圖1為齒輪的三維造型，圖2為連桿的三維造型。為了裝配時(shí)方便調(diào)用，需要對(duì)每一類零件進(jìn)行編號(hào)。

圖1 齒輪的三維造型

圖2 連桿的三維造型

圖3 飛剪機(jī)構(gòu)裝配圖

2）虛擬拼裝。進(jìn)行虛擬拼裝時(shí)新建組件，將選好的零件調(diào)入到Pro/E 裝配界面中，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求添加約束條件，形成裝配體之后將其保存到之前創(chuàng)建的零件庫文件中，若不存在同一個(gè)文件，下次調(diào)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)零件丟失問題，需要重新選取裝配零件。圖3 是飛剪機(jī)構(gòu)的虛擬裝配圖。

3）運(yùn)動(dòng)仿真分析。Pro/E 三維軟件不僅具有造型功能，而且可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的模擬運(yùn)動(dòng)仿真及分析。打開裝配圖，選擇菜單欄的“應(yīng)用程序”的“機(jī)構(gòu)”，進(jìn)入到運(yùn)動(dòng)仿真界面。首先需要給原動(dòng)件添加運(yùn)動(dòng)參數(shù)，比如電動(dòng)機(jī)，需要設(shè)定模擬轉(zhuǎn)速；有些機(jī)構(gòu)需要設(shè)定齒輪副，設(shè)定齒輪的分度圓直徑和傳動(dòng)比。然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，將仿真分析的結(jié)果以MPG、AVI 的格式導(dǎo)出動(dòng)畫或以表格形式導(dǎo)出分析圖。圖4～6 是飛剪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果，分別代表導(dǎo)桿的位移、速度和加速度。

圖4 導(dǎo)桿位移結(jié)果

1.2 實(shí)物拼裝及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)定

本文采用ZNH-B 平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合測(cè)試分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由機(jī)架、裝拆平臺(tái)、電動(dòng)機(jī)、皮帶傳動(dòng)裝置、低副桿組、凸輪、齒輪齒條、槽輪、各種回轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副等基本構(gòu)件和聯(lián)接件組成，可拼裝多種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案。機(jī)構(gòu)的曲柄在微型電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下便能進(jìn)行機(jī)構(gòu)模擬運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)配有測(cè)試儀，連接直線位移和多角位移等傳感器，對(duì)主、從動(dòng)件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)［4］。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書提供的方法，按照虛擬拼裝后裝配圖的零件尺寸、安裝方式進(jìn)行拼裝。拼裝過程中學(xué)生可以在動(dòng)手的同時(shí)對(duì)零件機(jī)構(gòu)有更深刻的感性認(rèn)識(shí)，更好地了解機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理。由于之前已經(jīng)進(jìn)行過虛擬裝配仿真，所以在實(shí)物拼裝時(shí)按照拼裝的順序能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成。然后給機(jī)構(gòu)裝配上相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)定。圖7為實(shí)驗(yàn)臺(tái)上搭好的飛剪機(jī)構(gòu)實(shí)物裝配圖。圖8為飛剪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)測(cè)定圖，三條曲線分別代表導(dǎo)桿的位移、速度和加速度。

圖7 飛剪機(jī)構(gòu)實(shí)物裝配圖

圖8 飛剪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)測(cè)定

2 虛實(shí)方法分析對(duì)比

2.1 位移比較

Pro/E 仿真分析時(shí)，得出導(dǎo)桿的最大移動(dòng)距離為169.863 mm，最小移動(dòng)距離為37.871 mm，所以得出導(dǎo)桿的最大位移為169.863-37.871=131.992 mm；而實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大距離為145.727 mm，最小距離為13.091 mm，所以最大位移為145.727-13.091=132.636 mm。

由此可得，在Pro/E 下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真測(cè)得的位移與實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的值基本一致。

2.2 速度比較

Pro/E 仿真分析時(shí)，導(dǎo)桿的速度最大為97.891 mm/s，返回時(shí)的最高速度為129.783 mm/s，實(shí)驗(yàn)測(cè)得導(dǎo)桿的最大速度為90.789 mm/s，返回時(shí)的最大速度為103.471 mm/s，從兩圖都可以看出推桿的速度具有周期性。

由于實(shí)驗(yàn)過程中零件受到摩擦力因素的干擾，而在Pro/E 下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真是理想狀態(tài)下，沒有受到摩擦力等因素的干擾，所以Pro/E 下測(cè)得的速度比實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的數(shù)值略大，但還是具有可比性的。

2.3 加速度比較

Pro/E仿真分析時(shí)，導(dǎo)桿的最大加速度為200.299 mm2/s，返回時(shí)的最大加速度為228.195 mm2/s；實(shí)驗(yàn)測(cè)得導(dǎo)桿的最大加速度為186.096 mm2/s，返回時(shí)的最大加速度為206.076 mm/s。

同樣，由于實(shí)驗(yàn)過程中零件受到摩擦力因素的干擾，所以Pro/E 下測(cè)得的加速度比實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的數(shù)值略大，但仍具有可比性。

3 結(jié)論

1）虛實(shí)結(jié)合地開設(shè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣邔?shí)驗(yàn)效率。改善了由實(shí)際硬件條件造成的諸多不便，同時(shí)避免實(shí)驗(yàn)器材的損壞，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用。

2）虛實(shí)結(jié)合地開設(shè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣邔W(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，加深了學(xué)生對(duì)于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能力。

3）虛擬實(shí)驗(yàn)由于一些條件與實(shí)驗(yàn)存在差別，所以虛擬仿真只能作為參考，而不能取代實(shí)驗(yàn)。只有兩者有機(jī)結(jié)合才能開創(chuàng)好機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

［1］劉天祥，張?jiān)莆?，魏文?機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2005，22（1）：166-167.

［2］楊文敏，朱山立，吳明亮.虛實(shí)結(jié)合開設(shè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23（11）：21-23.

［3］賴德華，張建輝，趙京，等.機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的探索［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（2）：118-120.

［4］朱漢松.基于Pro/E 的典型機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2006.