對活塞連桿機構(gòu)運動分析畢業(yè)設(shè)計

1、2013級畢業(yè)設(shè)計說明書畢業(yè)設(shè)計說明書題目：運用 Pro/E對活塞連桿機構(gòu)進行運動學(xué)分析姓 名：趙紅偉學(xué) 號：41310227院 系：數(shù)控工程學(xué)院專業(yè)：數(shù)控技術(shù)班 級：數(shù)控3102指導(dǎo)老師：李娜 完成時間：2012年12月14日目錄內(nèi)容摘要 1關(guān)鍵字 11. 緒論 21.1選題的依據(jù)及其意義 21.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 31.3課題內(nèi)容 32. 機構(gòu)簡介 42.1活塞連桿機構(gòu)的基本構(gòu)造 42.2 工作原理 43. pro/e裝配與運動仿真 43.1 Pro/E 簡介 43.2 裝配 53.3 運動仿真及分析 9參考文獻 15致謝 16內(nèi)容摘要：活塞連桿是機械行業(yè)中常見的曲柄滑塊機構(gòu)，應(yīng)用

2、該機構(gòu)最典型 的實例就是發(fā)動機氣缸，它可以將燃氣能源轉(zhuǎn)換為機械動能，它的作用是承受氣 體壓力，并將此力通過活塞銷傳給連桿以推動曲軸旋轉(zhuǎn)。廣泛應(yīng)用到動力機械的 動力源，如汽車、輪船、飛機等。本次設(shè)計是通過這些特點對活塞連桿進行Pro/E三維建模，并對模型進行整體裝配，并完成傳動部分的運動仿真，并對其進行運 動分析。關(guān)鍵詞：活塞連桿機構(gòu)、三維建模、裝配、運動學(xué)分析。1. 緒論1.1選題的依據(jù)及其意義在產(chǎn)品的開發(fā)過程中，有關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、操作性能、生產(chǎn)工藝、裝 配性能，甚至維護性能等等許多問題都需要在開發(fā)過程的前期解決。一般，人 們借助理論分析、CAD和各種比例的實物模型，或參考前期產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)

3、驗來 解決有關(guān)新產(chǎn)品開發(fā)的各種問題。由于有關(guān)裝配、操作和維修的問題往往只會 在產(chǎn)品的后期或在最終產(chǎn)品試車過程中、甚至在投入使用一段時間后才能暴露 出來，尤其是有關(guān)維修的問題往往是在產(chǎn)品已經(jīng)售出很長時間以后才被發(fā)現(xiàn)。 為了解決這些問題，有事產(chǎn)品就不得不返回設(shè)計構(gòu)造階段以便進行必要的設(shè)計 變更。這樣的產(chǎn)品開發(fā)程序不但效率低、耗時，費用也高。為了解決這些問題，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)運而生。仿真技術(shù)是利用計算機技術(shù)對所要進行的生產(chǎn)和制造活動進行全面的建模和仿真，包括產(chǎn)品的設(shè)計、加工、裝配、各參數(shù)的設(shè)計改進等等。在產(chǎn)品的設(shè)計階段就實時地模擬出產(chǎn)品的形狀 和工作狀況、制造過程、檢查產(chǎn)品的可制造性和設(shè)計合理性，以便

4、及時修改設(shè) 計，更有效地靈活組織生產(chǎn)，縮短產(chǎn)品研制周期，獲得最好的產(chǎn)品質(zhì)量和效益。在Pro/E環(huán)境下，對活塞連桿機構(gòu)建立了精確的參數(shù)化模型。通過定義各 種約束，在裝配模塊中確定了原動件與從動件的關(guān)系。并使用機構(gòu)運動分析模 塊，通過定義機構(gòu)的連接與伺服電機，實現(xiàn)了活塞的運動過程仿真。參數(shù)化設(shè) 計的本質(zhì)是在可變參數(shù)的作用下，系統(tǒng)能夠自動維護所有的不變參數(shù)，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)方面都具有較大的應(yīng)用價值。虛擬裝配是在虛擬環(huán)境中，利 用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將設(shè)計的產(chǎn)品三維模型進行預(yù)裝配虛擬裝配可幫助產(chǎn)品擺脫對 于試制物理樣機并裝配物理樣

5、機的依賴，可以有效地提高產(chǎn)品裝配建模的質(zhì)量 與速度。通過在計算機軟件平臺下對整套裝置的設(shè)計仿真分析，能夠及時地發(fā) 現(xiàn)設(shè)計中的缺陷，并根據(jù)分析結(jié)果進行實時改進。參數(shù)化建模、虛擬裝配、運 動仿真貫穿于整個計算機輔助設(shè)計全過程，可顯著地縮短研發(fā)周期，降低設(shè)計 成本，提高工作效率。本次建模與運動仿真分析實現(xiàn)了活塞搖桿的電子樣機設(shè) 計，對現(xiàn)實發(fā)動機制造過程有一定的指導(dǎo)意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢當(dāng)今任何一個國家，若其要在綜合國力上取得優(yōu)勢地位，就必須在科學(xué)技術(shù) 上取得優(yōu)勢。九十年代以來，隨著以計算機技術(shù)為主的信息技術(shù)的發(fā)展，世界經(jīng)濟格局發(fā)生了巨大的變化，逐步形成了一個統(tǒng)一的一體化市場，經(jīng)濟循環(huán)加

6、大， 加快市場競爭日趨激烈，從而也迫切要求對產(chǎn)品設(shè)計的研究能有進一步的突破， 為了縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期、提高生產(chǎn)的質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，就需要在產(chǎn)品的設(shè) 計階段進行預(yù)測。計算機輔助設(shè)計，將難以用語言表達的復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，應(yīng)用 多媒體技術(shù)以多樣化的方式表現(xiàn)的屏幕上， 達到了以直觀和形象的形式學(xué)習(xí)機械 設(shè)計知識的目的。九十年代后隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，其系統(tǒng)性能提高，價格降低， pro/e開始在設(shè)計領(lǐng)域全面普及，成為必不可少設(shè)計工具，pro/e之所以在短短的時間內(nèi)發(fā)展如此迅速，是因為它是人類在二十世紀取得的重大科技成就之一， 它幾乎推動了一切領(lǐng)域的設(shè)計革命，徹底改變了傳統(tǒng)的手工設(shè)計繪圖方式，極大 的提高

7、了產(chǎn)品開發(fā)的速度和精度。應(yīng)用pro/e技術(shù)業(yè)進行產(chǎn)品設(shè)計，能使設(shè)計、生產(chǎn)維修工作快速成而高效地進行，所帶來的經(jīng)濟效益是十分明顯的。Pro/e技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用水平已成為和衡量一個國家的科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化的 重要標(biāo)志。近幾年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，pro/e技術(shù)已經(jīng)由發(fā)達國家向發(fā)展中國家擴展，而且發(fā)展的勢頭非常迅猛。因為當(dāng)今世界工業(yè)產(chǎn)品的市場競 爭，歸根結(jié)底是設(shè)計手段和設(shè)計水平的競爭， 發(fā)展中國家的工業(yè)產(chǎn)品要在世界市 場占有一席之地，就必須采用pro/e技術(shù)的研究和開發(fā)工作起步相當(dāng)較晚，自八 十年代開始，CA取術(shù)應(yīng)用工作才逐步得到了開展，隨后 pro/e也有了應(yīng)用，國 家逐步認識到開

8、展pro/e應(yīng)用工程的必要性和可靠性，并在全國各個行業(yè)大力推 廣pro/e技術(shù)，同時展開pro尼技術(shù)的不斷研究，開發(fā)與廣泛應(yīng)用，對 pro/e 技術(shù)提出越來越高的要求，因此pro/e從本身技術(shù)的發(fā)展來看，其發(fā)展趨勢是集 成化、智能化和標(biāo)準化，也只有不斷完善，創(chuàng)新才能在日益激烈的競爭中立于不 敗之地。1.3課題內(nèi)容本課題是利用Pro/E軟件的仿真功能對活塞的運動過程進行動畫模擬，并對 活塞、連桿等進行一些簡單的數(shù)據(jù)分析及計算，以確定設(shè)計的合理性，可行性， 最終完成設(shè)計。該設(shè)計具體研究方法及主要內(nèi)容是使用Pro/E軟件仿照發(fā)動機氣缸活塞連桿機構(gòu)，繪制出活塞、搖桿、及其他零部件實體圖。繪制好活塞連桿

9、機構(gòu)后，然后 對設(shè)計進行仿真，包括運動干涉檢測、活塞運動軌跡、速度及加速度的檢測。2. 機構(gòu)簡介2.1活塞連桿機構(gòu)的基本構(gòu)造活塞連桿組是發(fā)動機的傳動件，它把燃燒氣體的壓力傳給曲軸，使曲軸旋轉(zhuǎn) 并輸出動力?；钊B桿組主要由活塞、活塞環(huán)、活塞銷及連桿等組成活塞連桿組 把燃燒氣體的壓力傳給曲軸，使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出動力；活塞的頂部還與汽缸蓋、 汽缸比共同組成燃燒室。2.2工作原理活塞的頂部直接與高溫燃氣接觸，活塞的溫度也很高，高溫使活塞的機械性 能下降，熱膨脹量增加；活塞在作功行程中，承受燃氣的高壓沖擊(35mp ，活塞在汽缸中高速運動，平均速度達到 812m/s,要求活塞質(zhì)量小，熱膨脹系數(shù) 小，導(dǎo)熱性

10、好和耐磨。一般采用鋁合金，個別柴油機也采用高級鑄鐵或耐熱鋼。3. Pro/E的裝配與運動仿真3.1Pro/E 簡介Pro-E是Pro/Engineer的簡稱，更常用的簡稱是 ProE或Pro/E，Pro/E是 美國參數(shù)技術(shù)公司(Parametric Techno logy Corporation，簡稱PTC的重要產(chǎn)品，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。pro-e作為當(dāng)今世界機械CAD/CAE/CA領(lǐng)域的新標(biāo)準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今主流的模具和產(chǎn)品 設(shè)計三維CAD/CAMk件之一。Pro/E第一個提出了參數(shù)化設(shè)計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊

11、化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進行選擇，而不 必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起， 實現(xiàn)并行工程設(shè)計。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機上。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計、鈑 金設(shè)計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。(1).參數(shù)化設(shè)計相對于產(chǎn)品而言，可以把它看成幾何模型，而無論多么復(fù)雜的幾何模型，都 可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全 約束，這就是參數(shù)化的基本概念。(2) .基于特征建模Pro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的

12、 基于特征的功能去生成模型，如 系列化快餐托盤設(shè)計1腔、殼、倒角及圓角， 您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了在設(shè)計 上從未有過的簡易和靈活，特別是在設(shè)計系列化產(chǎn)品上更是有得天獨到的優(yōu)勢。(3) .單一數(shù)據(jù)庫Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫， 使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作， 不管他是哪一個部門的。換言之， 在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán) 節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC (數(shù)控)工具路徑也會自

13、動更新；組裝工 程圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與 工程設(shè)計的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。這一優(yōu)點，使得設(shè)計更 優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。(4) .直觀裝配管理Pro/ENGINEER勺基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如“貼合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來， 同時保持設(shè)計意圖。高級的功 能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。(5) .易于使用菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預(yù)先選取的最普通選項， 同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學(xué)

14、習(xí)和使 用。3.2裝配(1)組裝活塞選擇菜單欄的【文件】-【設(shè)置工作目錄】，系統(tǒng)彈出“選取工作目錄” 對話框，選擇活塞零件圖所在文件夾，單擊【確定】按鈕，完成工作目錄的設(shè)置。選擇菜單欄的【文件】一【新建命令】，系統(tǒng)彈出【新建】對話框，點選【組件】，取消【使用缺省模版】的選擇，單擊【確定】按鈕，系統(tǒng)彈出新文件選項對話框，如圖'ml尸空子類型0爲(wèi)計亙換工吿i+劃膜日&咼“匸百化表示譽稱 ssafflWl址用容稱n使用缺肯損換1 iffis 取港1單擊【確定】按鈕，選擇 mmns-asm-design,單擊【確定】，進入裝配設(shè)計 模塊。(2).創(chuàng)建骨架模塊單擊【創(chuàng)建按鈕】，系統(tǒng)彈出元

15、件創(chuàng)建對話框，如圖1.2口元祥置潼I爲(wèi)I在“元件創(chuàng)建”對話框中，單選【骨架模型】，單擊【確定】，系統(tǒng)彈出 “創(chuàng)建”選項，單擊【空】，單擊【確定】，進入元件創(chuàng)建。單擊工具欄【軸】按鈕，系統(tǒng)彈出“基準軸”對話框，如圖 1.3。雙選 FRONT.RIGH兩個基準面作為參照面，所創(chuàng)建的基準軸穿過兩個參照面，單擊【確 定】，創(chuàng)建基準軸完成。(3).裝配活塞選擇菜單欄的【窗口】-【激活】，激活現(xiàn)在裝配模塊單擊工具欄【裝配】，系統(tǒng)彈出“打開”對話框，選擇元件 prtOOl,單擊 【打開】，就將活塞添加到當(dāng)前模塊了 在【將約束轉(zhuǎn)化為機構(gòu)連接】框中選擇“滑動桿”，單擊【放置】，單擊 【軸對齊】，在3D模型中選擇

16、上面創(chuàng)建的基準軸和活塞垂直軸線，單擊【旋轉(zhuǎn)】，選取活塞的DTM1基準面和組件的RIGHT基準面。在【放置】的【狀態(tài)】的“完成連接定義”，單擊【完成】。如圖1.6(4).裝配底座單擊【裝配】，系統(tǒng)彈出“打開”對話框，選擇元件prt006，單擊【打開】， 底座就添加在組件模塊中了。選擇【將約束轉(zhuǎn)化為機構(gòu)連接】中的“用戶定義”，單擊【放置】，在3D 模型中選擇底座的基準面和組件的基準面，然后在將其他兩個基準面進行約束。在【狀態(tài)】框中顯示“完成連接定義”，單擊【完成】。如圖1.7(5).裝配輸出軸單擊【裝配】，系統(tǒng)彈出“打開”對話框，選擇元件prt0005，單擊【打開】，軸就添加在組件模塊中了。選擇【

17、將約束轉(zhuǎn)化為機構(gòu)連接】中的“銷釘”，單擊【放置】，單擊【軸對 齊】，在3D模型中選擇底座軸線和輸出軸的軸線，單擊【平移】，在3D模型中選 擇曲柄的側(cè)面和底座的內(nèi)側(cè)面。在【狀態(tài)】框中顯示“完成連接定義”，單擊【完成】。如圖1(6).裝配連桿單擊【裝配】，系統(tǒng)彈出“打開”，選擇元件prt0004.單擊【打開】，連桿 就添加在組件模塊中了。選中【將約束轉(zhuǎn)化為機構(gòu)連接】中的“銷釘”，單擊【放置】，單擊【軸對齊】， 在3D模型中選擇輸出軸的軸線和連桿空軸線，單擊【平移】，在3D模型中選擇 輸出軸曲柄側(cè)面和連桿外側(cè)面。單擊【放置】-【新建集】，即創(chuàng)建了一個新的連接。選擇【將約束轉(zhuǎn)化為機構(gòu)連接】 中的銷釘，

18、單擊【放置】，單擊【軸對齊】， 在3D模型中選擇活塞孔的軸線和連桿孔的軸線，單擊【平移】，在3D模型中選 擇活塞內(nèi)側(cè)面和連桿外側(cè)面。在【狀態(tài)】中顯示“完成連接定義”，單擊【完成】。如圖1.10裝配完成3.3運動仿真及分析運動分析對活塞連桿機構(gòu)進行運動仿真，可以進一步分析其運動是否合理 結(jié)構(gòu)是否發(fā)生運動干涉等信息.(1).添加伺服電機選擇菜單欄的【應(yīng)用程序】-【機構(gòu)】，系統(tǒng)進入機構(gòu)平臺。 單擊【伺服電動機】，系統(tǒng)彈出“伺服電動機”對話框，如圖2.1.點選【從動圖元】的【運動軸】，單擊【選取】，選取旋轉(zhuǎn)軸。如圖2.2在伺服電動機定義中，單擊【輪廓】，選擇【規(guī)范】中的“速度”，選擇 【?！恐械摹俺?shù)

19、”，在【A】框中輸入50,單擊【確定】。完成伺服電動機 的創(chuàng)建。 注：速度為50mm/So(2). 自由度分析單擊【機構(gòu)分析】，系統(tǒng)彈出“分析定義”對話框，如圖 2.3.自向廈快瞬.詛走呃選擇【類型】中的“力平衡”，單擊自由度中的【 DOF右邊的按鈕，在文本框中顯示的數(shù)即為自由度。如果沒有伺服電動機，自由度則為1.注：一個自由度的機構(gòu)，只需要一個伺服電動機就能驅(qū)動它。 動畫單擊【機構(gòu)分析】，系統(tǒng)彈出“分析定義”對話框，選擇【類型】中的“運動學(xué)”，在【終止時間】框中輸入 50.注：給定時間為50秒。單擊【運行】，模型就開始運動。如下圖:注：生成的視頻文件截圖(4).運動包絡(luò)單擊【回放】，系統(tǒng)彈出

20、“回放”對話框。單擊【創(chuàng)建運動包絡(luò)】，系統(tǒng) 彈出“創(chuàng)建運動包絡(luò)”對話框，單擊【讀取元件】中的【選取】，在3D模型中選 擇連桿，單擊【預(yù)覽】。如圖2.4注：連桿的運動軌跡(5).分析測量結(jié)果單擊【測量】，系統(tǒng)彈出“測量結(jié)果”對話框，單擊【創(chuàng)建新測量】，系統(tǒng)彈出“測量定義”對話框。在“測量定義”對話框中，選擇【類型】中的“位置”，單擊【點或運動軸】中的【選取】，在3d模型中選擇活塞的孔軸線，如圖2.6在“測量定義”對話中【測量】中的“ measureT ,選中【結(jié)果集】中“an alysisdefi nitio n3”選項，單擊【檢測選定結(jié)果集所選測量的圖形】，系統(tǒng)彈出圖形工具對話框。如圖框中，單

21、擊【確定】，返回“測量結(jié)果”對話框X守別點“測量” 即生成位移曲線。同時可生成速度和加速度曲線。如圖 1、2、3nfIDO1050095.00AfiO8A.00«! -50.00M 5.00 10.CD i5.002-0 0&25 J# 0® 35.CD 40.00 45 00 50 時煎聆An-glyiisDefinii icnij 'B-sojurtl I de g)t圖1注：橫軸代表時間，豎軸代表活塞位移分析：該圖為活塞位移曲線圖?；钊敹藶榱泓c，以-90處為中心點，活塞從 初始值為-86.9928處開始運動做往復(fù)運動，經(jīng)過 50秒在-93.0072處

22、結(jié)束運動。 可以看出，活塞的總位移成余弦規(guī)律，位移圖比較平穩(wěn)。Ana I y 5 i sDef i(1 i 11 t>n3 <運昭)*15.00so-5.()0-15.000 SO 5 00 io M 15.M 20聊2$ M鈾.M 35 M枷血舫血帥仙 itMC#) Andlys isDef i n i H Oh3: mcisur*? g, yfc )圖2注：橫軸代表時間，豎軸代表活塞速度分析：該圖為活塞速度曲線圖?；钊勺钕露艘运俣葹?13.0607mm/s開始向上 做減速運動，后由0開始做加速運動，由此反復(fù)運動，50秒后到最下端結(jié)束運 動。可以看出，活塞的速度曲線成余弦規(guī)律，

23、具有周期性變化規(guī)律。A <11fli5血sDe f i n10.OB J&.«!> J-I5.0D誇 © °M0 00 5 0O IQ M I 5.叩加 OD 2$巧 DIMQ.M 45 OD 50 M An q Ii 汕電 f i M 11> n3: ： m電(3古1歎3 < deg/ "J圖3 注：橫軸代表時間，豎軸代表活塞加速度分析：該圖為活塞加速度曲線圖。加速度代表活塞的速度快慢的變化它是速度 的導(dǎo)數(shù)，因此權(quán)限與速度曲線的變化規(guī)律基本一致，可以看出 ，活塞的加速度曲 線成正弦規(guī)律仍然具有周期性變化規(guī)律。AnalysiiDefini - ion3 適辨)0.00<0.00 J-iO.CtJ _« -60.00 _00 35.00 40.45 0 0 50 00< deg<de St