单位文秘网 2021-07-27 08:13:49 点击: 次
摘 要:本文分析了传统授课方式在运动学教学中存在的弊端,并以理论力学运动学中的习题为例,说明如何将Pro/ENGINEER的运动仿真模块(Mechanism Design eXtension)应用到运动学的教学过程中。实现Pro/ENGINEER运动仿真与传统教学有机结合,以提高教学效果。
关键词:运动仿真 运动学 教学效果
中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)03(a)-0131-01
理论力学是机械类专业的技术基础课,在教材结构上通常由静力学、运动学和动力学三篇组成。运动学不仅是理论力学教学过程中重要的一环,在整个机械工程教育中也起着承上启下的作用。因此运动学授课质量的好坏将直接影响到机械工程专业的教育质量。
因此,本文将Pro/ENGINEER的运动仿真模块引入到运动学课程的教学中,以刚体运动课后习题为例,说明如何在Pro/ENGINEER软件中建立机构模型并进行运动仿真和结果输出。
1 Pro/ENGINEER运动仿真模块(MDX)简介
Pro/ENGINEER软件(简称Pro/E)是由美国参数科技公司(Parametric Technology Corporation简称PTC)开发的大型CAD/CAE/CAM软件。自开发以来,以全参数化尺寸驱动、基于特征、单一全关联的数据库等优点,成为国际参数化的行业标准,深受用户好评[2]。
Mechanism Design eXtension(简称MDX)是Pro/E包含运动的一个模块,能够与Pro/E结合使用设计机构并进行模拟仿真校验。此外MDX模块的主要功能有:
1)能够适时改变构建尺寸来满足设计的需要;2)交互的拖动并调整机构;3)运动包络体及运动干涉分析;4)能够定义分析特定的机构运动,如凸轮、齿轮、槽等;4)支持族表及替换;6)能够设计生成动画数据并能重复利用。
MDX的操作流程:[3]
1)以连接方式建立欲分析的机构;2)补足相关的运动配合条件;3)设定初始位置;4)加入驱动条件;4)设定分析条件并仿真;播放、输出分析结果。
2 MDX运动仿真功能在运动学教学中的应用
利用MDX模块对运动学的机构进行运动仿真,不仅可以省去大量繁琐的计算,而且可以形象直观的看到机构的逼真模型及各机构的运动轨迹,方便的求出机构各点的位置、速度和加速度。此外利用Pro/E的参数化设计功能还可以对机构模型进行编辑修改通过一个模板模型衍生出不同的机构模型。本文结合运动学典型例题5-2正弦机构(见图1)利用MDX的运动仿真功能对机构进行建模、装配以及运动仿真的相关设置,并利用参数化设计输出执行机构在不同初始条件下的位移、速度、加速度曲线,以此说明Pro/E的运动仿真模块(MDX)在运动学教学中的应用。
2.1 Pro/ENGINEER运动仿真模型建立
(1)通过Pro/E软件,建立正弦机构各部分的三维立体模型,初设曲柄长度为100mm。
(2)利用“连接”装配各零件。其中支座和滑槽使用刚性连接固定,曲柄与支座、滑块与曲柄均用“销钉”连接,滑块与执行机构、执行机构与滑槽均采用“滑动杆”连接,完成机构装配。
(3)定义驱动速度。进入MDX模块,定义伺服电动机。初设伺服电动机转动角速度为45°/s。
(4)模型运动时间设定为16s,帧频设定为10。
2.2 Pro/ENGINEER运动仿真结果分析
1)仿真结果验证:曲柄与滑块铰接处x方向的位移容易计算,由计算公式
周期为
2)执行机构的位移、速度、加速度相对计算较为繁琐,但是通过仿真很容易做出执行机构的位移、速度、加速度曲线。通过分析易知,执行机构的运动为平动,故执行机构各点处的运动轨迹、速度、加速度均相同,也即可用执行机构底端重点A点的运动表述执行机构的运动。利用MDX可同时绘出A处的位移、速度、加速度曲线。
3)通过参数化设计可以随时改变曲柄的长度或者伺服电动机的角速度,以调节执行机构的运动状态。分别绘出曲柄为150mm,角速度为45°/s和曲柄长度为100mm,角速度为60°/s时,执行机构的位移、速度和加速度曲线。
4)MDX不但能绘制各种运动曲线,还能够保存其对应的数据,以.grt图表文件的格式提供给设计者使用,从该图表文件中可以查出任意时刻执行机构的位移、速度、加速度数值。以曲柄长度为100mm,角速度为45°/s的正弦机构为例,当t=2s时,其位移为-100mm,速度为0mm/s,加速度为61.685mm/s2,与理论计算数值完全符合。
3 结论
运动学是研究物体运动的几何性质的科学,是面向工程的综合性和系统性很强的一门课程,单纯依靠传统的教学模式难以动态演示机构的运行情况,因此有必要重视计算机仿真技术在教学中的应用。MDX作为Pro/E的集成模块专注于机构分析,简单易行,教师可在教学中利用MDX模块随时运行机构分析,观察机构的整体运动及其实现的运动功能,并可适时输出各个零件的运动轨迹、速度和加速度图以验证计算结果,从而使运动学教学更加直观生动。将Pro/E的运动仿真模块应用到运动学的教学中,不仅可以帮助学生理解基本概念、基础理论和计算方法,还有助于培养学生的创新意识,有助于教师提高课堂教学质量和教学效果。
参考文献
[1] 高世凡.浅谈Pro/Engineer运动仿真在机械设计中的应用[J].机电工程技术,2009,38(7):164~167.
[2] 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,2007,6(5):74~75.
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