機械創(chuàng)新設(shè)計虛擬實驗平臺的建立

童小利金秋春

1.鄭州航空工業(yè)管理學院機電工程學院 河南鄭州 450015 2.鄭州航空工業(yè)管理學院計算機科學與應(yīng)用學院 河南鄭州 450015

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現(xiàn)代教育技術(shù)與裝備

機械創(chuàng)新設(shè)計虛擬實驗平臺的建立

童小利1金秋春2

1.鄭州航空工業(yè)管理學院機電工程學院 河南鄭州 450015 2.鄭州航空工業(yè)管理學院計算機科學與應(yīng)用學院 河南鄭州 450015

摘 要：利用VC++，Pro/E及其二次開發(fā)軟件Pro/toolkit設(shè)計出“零件庫”和“機構(gòu)庫”并存的機械創(chuàng)新設(shè)計虛擬實驗平臺。提出了一種著眼于機構(gòu)（組件）的整體結(jié)構(gòu)規(guī)劃與更新的“機構(gòu)庫”構(gòu)建方法，可直接對機構(gòu)進行參數(shù)的修改和更新、運動仿真分析，使得機構(gòu)參數(shù)調(diào)整和運動分析變得更加簡單。此外該方法為不同尺寸同類型的系列化產(chǎn)品開發(fā)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：機械創(chuàng)新設(shè)計；虛擬實驗平臺；Pro/E；機構(gòu)（組件）參數(shù)化

機械創(chuàng)新設(shè)計實驗是一個綜合設(shè)計性實驗。傳統(tǒng)的機械創(chuàng)新設(shè)計實驗受設(shè)備數(shù)量和實驗時間的影響，不可能讓每個學生的創(chuàng)新設(shè)計的實驗方案都能得以實現(xiàn)和完成。改善實驗條件、改革實驗教學方法、更新實驗教學內(nèi)容、提高實驗教學的質(zhì)量，把數(shù)字化、虛擬實驗引入實驗教學已成為一種必然的趨勢［1］。虛擬仿真技術(shù)在機械工程實驗教學中的應(yīng)用，彌補了儀器設(shè)備不足的問題，使學生人人都可以參與，是對傳統(tǒng)實驗教學儀器設(shè)備的補充和擴展。

劉國亮等以UGNX軟件為開發(fā)平臺，利用VC++6.0面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，在UG/OpenAPI開發(fā)平臺上，建立了三維機械創(chuàng)新設(shè)計的構(gòu)件庫，實現(xiàn)參數(shù)化尺寸驅(qū)動［2］。朱漢松等運用Pro/E的二次開發(fā)工具Pro/toolkit建立了包含連桿、滑塊、螺栓等零件的工具箱［3］。他們?yōu)闄C械創(chuàng)新設(shè)計創(chuàng)建了一個方便快捷的虛擬仿真實驗平臺，他們的實驗平臺只是針對單個零件進行了參數(shù)化的設(shè)計，并建立了由參數(shù)化零件組成的零件庫，在對機構(gòu)進行運動參數(shù)修改時需要回到零件的層面修改零件參數(shù)。本文主要研究了不僅針對零件而且針對機構(gòu)建立了零件庫和常用機構(gòu)庫并存的虛擬實驗平臺，該虛擬實驗平臺既可以利用“零件庫”進行機構(gòu)的搭接，也可直接調(diào)用“機構(gòu)庫”里的機構(gòu)，直接對機構(gòu)進行運動參數(shù)的修改、更新以及運動仿真分析，使得參數(shù)調(diào)整和運動分析得以簡化。方便學生以機構(gòu)為單位進行機械創(chuàng)新實驗，大大降低了實驗的難度，節(jié)省了實驗的時間，可使學生把注意力更多地放在機構(gòu)本身的機構(gòu)組成原理及運動特性分析上。

1　參數(shù)模型化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計是一種使用重要幾何參數(shù)快速構(gòu)造和修改幾何模型的造型方法，采用參數(shù)化模型通過調(diào)整參數(shù)來修改和控制幾何形狀［4］。參數(shù)化設(shè)計可以大大提高模型的生成和修改的速度，在產(chǎn)品的系列設(shè)計、相似設(shè)計及專用CAD系統(tǒng)開發(fā)方面具有較大的應(yīng)用價值。

PRO/ENGINEER具有強大的設(shè)計、分析、制造功能，為用戶提供了多種二次開發(fā)工具。常用的二次開發(fā)工具有：族表（Family Table）、用戶定義特征（UDF）、Pro/Program、J-link、Pro/toolkit等［5］。故采用Pro/Engineer軟件進行零件和機構(gòu)模型的參數(shù)化的設(shè)計。

1.1零件參數(shù)化設(shè)計

零件參數(shù)化的設(shè)計首先要根據(jù)設(shè)計要求，確定所設(shè)計的零件的模型幾何結(jié)構(gòu)約束關(guān)系、驅(qū)動尺寸以及非驅(qū)動尺寸與驅(qū)動尺寸之間的關(guān)系。其中關(guān)系包括用數(shù)值約束關(guān)系和結(jié)構(gòu)約束關(guān)系兩種。數(shù)值約束關(guān)系是指各參數(shù)間一定的數(shù)值關(guān)系（如等式關(guān)系d0=d1+10、不等式關(guān)系d0+d1＞d2+d3或條件關(guān)系IF（d0+1）＞=d1）。確定完零件的驅(qū)動尺寸和關(guān)系后，通過“參數(shù)”創(chuàng)建驅(qū)動參數(shù)，該參數(shù)值可以修改。然后通過“關(guān)系”創(chuàng)建非驅(qū)動尺寸的數(shù)值約束關(guān)系，最后將各驅(qū)動和非驅(qū)動參數(shù)同模型尺寸關(guān)聯(lián)起來。為了后面實現(xiàn)機構(gòu)參數(shù)化，建立零件參數(shù)和機構(gòu)參數(shù)之間的聯(lián)系，還需要利用“程序”即Pro/Program中的Input段進行設(shè)置以驅(qū)動用參數(shù)命名的變量名。按照此方法建立了零件庫中的零件，包括連桿、螺母、螺栓、直齒輪、齒條、傳動軸、鏈輪、凸輪、滑動桿等零件參數(shù)化建模。

下面以連桿模型創(chuàng)建為例，詳細零件參數(shù)化設(shè)計的詳細過程。

1.1.1連桿數(shù)學模型的建立

連桿數(shù)學模型的建立，主要是確定驅(qū)動尺寸以及數(shù)值約束關(guān)系。在分析連桿模型（如圖1所示）的特點，確定連桿有兩個驅(qū)動尺寸：一個是孔的直徑Φd2大小，一個是孔間距d1。數(shù)值約束關(guān)系有：d3=2×d2，d0=0.5×d2。

圖1　連桿模型

1.1.2建立連桿零件驅(qū)動參數(shù)

打開Pro/Engineer實體建模環(huán)境，新建一個名為liangan.prt的零件。在Pro/E菜單欄下，選擇【工具】－【參數(shù)】命令，在彈出的對話框中定義所創(chuàng)建特征的參數(shù)D和L（如圖2所示），其中D為孔的直徑，L為孔間距。

圖2　連桿參數(shù)的建立

1.1.3建立三維模型

按照常規(guī)建模方法—創(chuàng)建草圖、創(chuàng)建特征來創(chuàng)建連桿模型，所創(chuàng)建的連桿模型如圖1所示。

1.1.4建立連桿零件各尺寸、參數(shù)之間的關(guān)系

在菜單欄里選擇【工具】－【關(guān)系】命令，在彈出對話框中設(shè)置參數(shù)之間關(guān)系（如圖3所示），圖中d0，d1，d2，d3為創(chuàng)建連桿零件時系統(tǒng)自動分配的尺寸名稱，D，L為上步定義的驅(qū)動參數(shù)名，圖3中等式d2=D，d1=L 將圖1中的模型的驅(qū)動尺寸d1，d2同圖2中所建立的驅(qū)動參數(shù)D，L相聯(lián)系起來。

圖3　連桿關(guān)系的建立

1.1.5連桿Pro/Program程序的建立

在菜單欄里選擇【工具】－【程序】命令，選擇菜單管理器的“編輯設(shè)計”，打開程序，在記事本文件中的INPUT參數(shù)聲明區(qū)中定義孔中心距L為可輸入?yún)?shù)，其程序如圖4所示。

圖4　連桿程序設(shè)計

1.2機構(gòu)參數(shù)化設(shè)計

Program模塊具有將Pro/Engineer軟件的模型樹（modeltree）中每個特征的詳細信息記錄下來的特點，使用時不必也不需要重新撰寫設(shè)計步驟，只需幾個相關(guān)語法指令就可以讓整個零件或組件變得彈性化與多樣化，它使用簡單、靈活，可以方便地進行零件的參數(shù)化設(shè)計和造型［6］。機構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計是建立在零件參數(shù)化設(shè)計的基礎(chǔ)上的。利用上述建立好的參數(shù)化零件搭建所要設(shè)計的機構(gòu)的裝配模型，然后利用Pro/ Program編程建實現(xiàn)通過機構(gòu)裝配模型向其零件模型進行參數(shù)傳遞，對零件的形狀和尺寸進行控制，從而實現(xiàn)了通過機構(gòu)的參數(shù)來控制整個機構(gòu)的運動尺寸。

下面以一個擺動導(dǎo)桿—雙搖桿機構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計為例詳細介紹機構(gòu)（組件）的參數(shù)化設(shè)計過程。

1.2.1擺動導(dǎo)桿—雙搖桿機構(gòu)分析

圖5　擺動導(dǎo)桿－雙搖桿機構(gòu)運動簡圖

擺動導(dǎo)桿—雙搖桿機構(gòu)（如圖5所示）由曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)構(gòu)成，桿1、滑塊2和導(dǎo)桿3和機架6構(gòu)成曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)，導(dǎo)桿3、滑塊2以及搖桿5組成雙搖桿機構(gòu)，該機構(gòu)是由曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)串聯(lián)組合而成的。曲柄1為主動件，以角速度ω1=30轉(zhuǎn)/分勻速轉(zhuǎn)動，構(gòu)件1，AC，CF、構(gòu)件4，5尺寸均可在允許范圍內(nèi)調(diào)整。測試參數(shù)：擺桿5的角位移、角速度和角加速度。曲柄1可由零件庫里的齒輪構(gòu)成，滑塊2的鉸鏈拼裝在齒輪上不在回轉(zhuǎn)軸線的孔中。

1.2.2創(chuàng)建擺動導(dǎo)桿—雙搖桿機構(gòu)

打開Pro/Engineer實體建模環(huán)境，新建一個名為baidongdaoganshuangyaogan.asm的組件。然后將第一步創(chuàng)建的參數(shù)化零件齒輪（桿1）、滑動桿（桿3）、連桿（桿4、桿5）和銷釘?shù)妊b配到組件中，創(chuàng)建的機構(gòu)如圖6所示。

圖6　擺動導(dǎo)桿—雙搖桿機構(gòu)模型

注意為方便參數(shù)的傳遞桿4和桿5由連桿零件liangan.prt另存為兩不同的文件名liangan4.prt，liangan5.prt。

1.2.3 導(dǎo)桿—雙搖桿機構(gòu)程序設(shè)計

機構(gòu)（即組件）參數(shù)化設(shè)計是通過Program模塊中的Execute……End Execute來實現(xiàn)的。這個語句只用于組件中，它的作用是從組件向零件傳遞參數(shù)，以通過組件中的某些參數(shù)去控制構(gòu)成組件的零件的形狀或尺寸。該語句段，第一行是Execute，最后一行是End Execute，中間的每一行是一個賦值語句。

這樣，再生時給變量輸入新值，零件（part）的形狀或尺寸就可以自動按要求變化。

因為導(dǎo)桿—雙搖桿機構(gòu)程序設(shè)計機構(gòu)中包含的零件很多，不能將組件參數(shù)向零件參數(shù)一一列舉出來，特選組件參數(shù)向連桿4傳遞的程序的編寫，如下所示。

在導(dǎo)桿—雙搖桿機構(gòu)菜單欄里選擇【工具】－【程序】命令，選擇菜單管理器的“編輯設(shè)計”，打開程序，在INPUT……END INPUT語句中添加如下程序

INPUT

L4 NUMBER

"添加桿件4在導(dǎo)桿—雙搖桿機構(gòu)中的變量名"

END INPUT

并在Add Part liangan4 ……End Add前添加以下語句：

Execute

L=L4

End Execute

1.2.4機構(gòu)運動仿真

2　機械創(chuàng)新設(shè)計實驗平臺的建立

利用VC++創(chuàng)建用戶界面，通過Pro/E二次開發(fā)工具Pro/toolkit創(chuàng)建嵌套于Pro/E的“機械創(chuàng)新設(shè)計實驗”用戶菜單及其下拉菜單，并將零件或機構(gòu)參數(shù)輸入用戶界面?zhèn)鬟f到Pro/E模型中，利用Pro/toolkit進行零件或機構(gòu)模型參數(shù)檢索和參數(shù)更新編程流程如圖7所示。先編寫了機械創(chuàng)新設(shè)計實驗的資源文件以及對話框的資源文件，后編寫了在Pro/E下注冊及運行文件（dlgtest_PROTK.DAT）。

圖7　零件或機構(gòu)模型參數(shù)檢索和參數(shù)更新流程圖

3　機械創(chuàng)新設(shè)計實驗平臺的使用

3.1機械創(chuàng)新設(shè)計實驗平臺的注冊

點擊Pro/E菜單【工具】—【輔助應(yīng)用程序】，在彈出的對話框中點擊注冊并選擇選擇dlgtest_PROTK. DAT文件進行注冊并運行，則會在Pro/E菜單欄中添加一個【機械創(chuàng)新設(shè)計實驗平臺】菜單（如圖8所示）。

圖8　機械創(chuàng)新設(shè)計實驗菜單

3.2零件庫的使用

點擊【機械創(chuàng)新設(shè)計實驗平臺】—【零件庫】—【連桿】，則會彈出如圖9的對話框，在對話框中輸入?yún)?shù)，點擊“更新模型”按鈕則會自動生成連桿模型。在對話框中輸入不同參數(shù)則生成不同尺寸的連桿模型。

圖9　連桿參數(shù)輸入對話框

3.3機構(gòu)庫的使用

點擊菜單欄的【機械創(chuàng)新設(shè)計實驗】—【機構(gòu)】—【擺動導(dǎo)桿—雙搖桿機構(gòu)】，就會彈出如圖10所示的導(dǎo)桿—雙搖桿機構(gòu)參數(shù)輸入對話框，通過對話框輸入機構(gòu)參數(shù)，點擊“更新”按鈕可生成不同尺寸的導(dǎo)桿—雙搖桿機構(gòu)，同時該機構(gòu)還保留了前面對機構(gòu)進行運動分析的各項設(shè)置，可直接在運動仿真模塊下對機構(gòu)執(zhí)行運動分析并查看測量結(jié)果。

圖10　擺動導(dǎo)桿—雙搖桿機構(gòu)參數(shù)輸入對話框

4　結(jié)束語

利用Pro/E以及二次開發(fā)工具Pro/toolkit開發(fā)出了集零件庫、機構(gòu)庫以及機構(gòu)動畫于一體的機械創(chuàng)新設(shè)計虛擬實驗平臺，為學生在自己的計算機上隨時隨地進行創(chuàng)新設(shè)計提供了一個虛擬的實驗平臺。特別是機構(gòu)庫著眼于整體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的規(guī)劃與更新，可以直接對機構(gòu)尺寸進行修改，避免了裝配關(guān)系遭到破壞、零件再生而產(chǎn)生特征失敗等問題，而且還保留機構(gòu)的運動仿真的各項設(shè)置，可直對機構(gòu)接進行運動分析并查看測量結(jié)果，省去了重新裝配和運動分析定義工作。此外，機構(gòu)庫的建立方法可為不同尺寸的系列化產(chǎn)品的開發(fā)提供了一個簡單方便、可視化的設(shè)計方法。

參考文獻

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［6］ 李世國.Pro/TOOLKIT程序設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

收稿日期：2016-01-20

作者簡介：童小利，碩士，講師。

基金項目：鄭州航空工業(yè)管理學院教育科學研究基金項目（編號：zhjy13－05）。

Building of Virtual Experiment Platform for Mechanical Innovative Design

Tong Xiaoli1， Jin Qiuchun2

1.School of Mechatronics Engineering， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou， 450015，China 2.School of Computer Science and Application， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou， 450015， China

Abstract：A virtual experiment platform for mechanical innovative design was built with component databases and mechanism databases by software VC++ and Pro/toolkit. A build method was proposed keeping the focus on the overall structure plan and updating of mechanism databases. The method could modify and update the parameters and could simulate directly for mechanism， so it was become simply that parameters were modifed and mechanism was simulated. Moreover， the method provided a reference for series products with Different size but with the same type.

Key words：mechanical innovative design； virtual experiment platform； Pro/E； mechanism or component parameter