机构运动创新实验虚实方法的对比研究

马泽九，蔡立山，胡晓珍

（浙江海洋学院，浙江 舟山 316022）

0 引言

高校普遍存在机构创新设计设备台套数少的问题。而应用虚拟仪器技术，建立机械创新虚拟实验室，可使学生能在计算机上对机构运动原理和创新机构运动形式进行机构仿真，既可以解决由于硬件设备少而带来的影响，还可以减少因学生的盲目动作带来时间浪费及误操作使设备损坏，提高实验开设的效率［1］；因此高校开设机构运动创新设计虚拟实验已经成为机械学科机构创新设计发展的必然趋势。

目前，该实验的开设方式归纳起来有3 种［2-3］：一是基于实物实验设备的创意拼装；二是基于虚拟实验系统的虚拟拼装实验；三是两者结合，先进行虚拟拼装实验，然后进行实物拼装实验。比较起来，第一种方式下学生在实验过程中机构的拼装、调整花费的时间较长；第二种方式下对学生动手操作能力的培养有所欠缺；第三种方式避免了前二种实验方式存在的缺点，学生按照设计题目拟定多种机构运动方案，虚拟实验系统上进行机构虚拟拼装及运动仿真，比较得出最佳方案，最后进行实物拼装并测定执行构件的运动参数。这中间虚拟实验结果是否可以完全指导实物实验，其可靠性有待验证，由此本文对机构运动创新实验的虚实方法进行对比研究。

1 虚实方法对比研究的方案

虚实方法对比研究的方案采用基于Pro/E 的虚拟装配实验系统，利用Mechanism 模块进行机构运动仿真分析，然后对虚拟实验的仿真分析结果与实物拼装后测定执行构件的运动参数进行比较分析。

虚实方法的对比研究分为三个步骤进行：1）以飞剪机构为研究对象，对机构各构件进行三维造型—虚拟拼装—运动仿真；2）在实验室进行飞剪机构实物拼装—运动参数的测定；3）虚实方法对比分析—结论。

1.1 机构的虚拟拼装及运动仿真分析

1）虚拟零件的三维造型。为了便于机构运动的虚拟拼装，需要新建一个存放三维虚拟零件的文件夹。再根据实际测量尺寸，对飞剪机构各个零件进行三维造型。图1为齿轮的三维造型，图2为连杆的三维造型。为了装配时方便调用，需要对每一类零件进行编号。

图1 齿轮的三维造型

图2 连杆的三维造型

图3 飞剪机构装配图

2）虚拟拼装。进行虚拟拼装时新建组件，将选好的零件调入到Pro/E 装配界面中，根据机构运动要求添加约束条件，形成装配体之后将其保存到之前创建的零件库文件中，若不存在同一个文件，下次调用时会出现零件丢失问题，需要重新选取装配零件。图3 是飞剪机构的虚拟装配图。

3）运动仿真分析。Pro/E 三维软件不仅具有造型功能，而且可以进行机构运动的模拟运动仿真及分析。打开装配图，选择菜单栏的“应用程序”的“机构”，进入到运动仿真界面。首先需要给原动件添加运动参数，比如电动机，需要设定模拟转速；有些机构需要设定齿轮副，设定齿轮的分度圆直径和传动比。然后进行运动仿真，将仿真分析的结果以MPG、AVI 的格式导出动画或以表格形式导出分析图。图4～6 是飞剪机构运动分析结果，分别代表导杆的位移、速度和加速度。

图4 导杆位移结果

1.2 实物拼装及运动参数的测定

本文采用ZNH-B 平面机构创意组合测试分析实验台。该实验台由机架、装拆平台、电动机、皮带传动装置、低副杆组、凸轮、齿轮齿条、槽轮、各种回转副和移动副等基本构件和联接件组成，可拼装多种机构运动方案。机构的曲柄在微型电机的驱动下便能进行机构模拟运动。实验台配有测试仪，连接直线位移和多角位移等传感器，对主、从动件的回转运动和直线运动进行运动检测［4］。

根据实验指导书提供的方法，按照虚拟拼装后装配图的零件尺寸、安装方式进行拼装。拼装过程中学生可以在动手的同时对零件机构有更深刻的感性认识，更好地了解机构运动原理。由于之前已经进行过虚拟装配仿真，所以在实物拼装时按照拼装的顺序能够在较短的时间内完成。然后给机构装配上相应的电动机、传感器、数据采集装置，进行运动参数的测定。图7为实验台上搭好的飞剪机构实物装配图。图8为飞剪机构实验测定图，三条曲线分别代表导杆的位移、速度和加速度。

图7 飞剪机构实物装配图

图8 飞剪机构实验测定

2 虚实方法分析对比

2.1 位移比较

Pro/E 仿真分析时，得出导杆的最大移动距离为169.863 mm，最小移动距离为37.871 mm，所以得出导杆的最大位移为169.863-37.871=131.992 mm；而实验测得的最大距离为145.727 mm，最小距离为13.091 mm，所以最大位移为145.727-13.091=132.636 mm。

由此可得，在Pro/E 下进行运动仿真测得的位移与实验台测得的值基本一致。

2.2 速度比较

Pro/E 仿真分析时，导杆的速度最大为97.891 mm/s，返回时的最高速度为129.783 mm/s，实验测得导杆的最大速度为90.789 mm/s，返回时的最大速度为103.471 mm/s，从两图都可以看出推杆的速度具有周期性。

由于实验过程中零件受到摩擦力因素的干扰，而在Pro/E 下进行运动仿真是理想状态下，没有受到摩擦力等因素的干扰，所以Pro/E 下测得的速度比实验台测得的数值略大，但还是具有可比性的。

2.3 加速度比较

Pro/E仿真分析时，导杆的最大加速度为200.299 mm2/s，返回时的最大加速度为228.195 mm2/s；实验测得导杆的最大加速度为186.096 mm2/s，返回时的最大加速度为206.076 mm/s。

同样，由于实验过程中零件受到摩擦力因素的干扰，所以Pro/E 下测得的加速度比实验台测得的数值略大，但仍具有可比性。

3 结论

1）虚实结合地开设机构运动方案创新设计实验能够提高实验效率。改善了由实际硬件条件造成的诸多不便，同时避免实验器材的损坏，节约了实验时间和费用。

2）虚实结合地开设机构运动方案创新设计实验能够提高学生的创新设计能力，加深了学生对于机构运动的认识，同时也加强了计算机辅助设计能力。

3）虚拟实验由于一些条件与实验存在差别，所以虚拟仿真只能作为参考，而不能取代实验。只有两者有机结合才能开创好机构运动创新设计实验。

［1］刘天祥，张云文，魏文军.机构创新设计实验台的总体设计［J］.农机化研究，2005，22（1）：166-167.

［2］杨文敏，朱山立，吴明亮.虚实结合开设机构运动方案创新设计实验［J］.实验技术与管理，2006，23（11）：21-23.

［3］赖德华，张建辉，赵京，等.机构创新设计实验的探索［J］.实验技术与管理，2005，22（2）：118-120.

［4］朱汉松.基于Pro/E 的典型机构参数化设计及运动仿真［D］.长沙：中南大学，2006.