对活塞连杆机构运动分析毕业设计.docx

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对活塞连杆机构运动分析毕业设计

对活塞连杆机构运动分析毕业设计（总17页）

2013级毕业设计说明书

毕业设计说明书题目：

运用Pro/E对活塞连杆机构进行运动学分析

姓名：

赵红伟

学号：

院系：

数控工程学院

专业：

数控技术

班级：

数控3102

指导老师：

李娜

完成时间：

2012年12月14日

内容摘要…………………………………………………………………………1

关键字……………………………………………………………………………1

1.绪论…………………………………………………………………………2

选题的依据及其意义…………………………………………………2

国内外研究现状及发展趋势…………………………………………3

课题内容………………………………………………………………3

2.机构简介………………………………………………………………………4

活塞连杆机构的基本构造……………………………………………4

工作原理………………………………………………………………4

3.pro/e装配与运动仿真………………………………………………………4

Pro/E简介……………………………………………………………4

装配……………………………………………………………………5

运动仿真及分析………………………………………………………9

参考文献…………………………………………………………………………15

致谢………………………………………………………………………………16

内容摘要:

活塞连杆是机械行业中常见的曲柄滑块机构，应用该机构最典型的实例就是发动机气缸，它可以将燃气能源转换为机械动能，它的作用是承受气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。

广泛应用到动力机械的动力源，如汽车、轮船、飞机等。

本次设计是通过这些特点对活塞连杆进行Pro/E三维建模，并对模型进行整体装配，并完成传动部分的运动仿真，并对其进行运动分析。

关键词:

活塞连杆机构、三维建模、装配、运动学分析。

1．绪论

选题的依据及其意义

在产品的开发过程中,有关产品的结构、功能、操作性能、生产工艺、装配性能，甚至维护性能等等许多问题都需要在开发过程的前期解决。

一般，人们借助理论分析、CAD和各种比例的实物模型，或参考前期产品的开发经验来解决有关新产品开发的各种问题。

由于有关装配、操作和维修的问题往往只会在产品的后期或在最终产品试车过程中、甚至在投入使用一段时间后才能暴露出来，尤其是有关维修的问题往往是在产品已经售出很长时间以后才被发现。

为了解决这些问题，有事产品就不得不返回设计构造阶段以便进行必要的设计变更。

这样的产品开发程序不但效率低、耗时，费用也高。

为了解决这些问题，虚拟仿真技术应运而生。

仿真技术是利用计算机技术对所要进行的生产和制造活动进行全面的建模和仿真，包括产品的设计、加工、装配、各参数的设计改进等等。

在产品的设计阶段就实时地模拟出产品的形状和工作状况、制造过程、检查产品的可制造性和设计合理性，以便及时修改设计，更有效地灵活组织生产，缩短产品研制周期，获得最好的产品质量和效益。

在Pro/E环境下，对活塞连杆机构建立了精确的参数化模型。

通过定义各种约束，在装配模块中确定了原动件与从动件的关系。

并使用机构运动分析模块，通过定义机构的连接与伺服电机，实现了活塞的运动过程仿真。

参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数，参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。

虚拟装配是在虚拟环境中，利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型进行预装配虚拟装配可帮助产品摆脱对于试制物理样机并装配物理样机的依赖，可以有效地提高产品装配建模的质量与速度。

通过在计算机软件平台下对整套装置的设计仿真分析，能够及时地发现设计中的缺陷，并根据分析结果进行实时改进。

参数化建模、虚拟装配、运动仿真贯穿于整个计算机辅助设计全过程，可显著地缩短研发周期，降低设计成本，提高工作效率。

本次建模与运动仿真分析实现了活塞摇杆的电子样机设计，对现实发动机制造过程有一定的指导意义。

国内外研究现状及发展趋势

当今任何一个国家，若其要在综合国力上取得优势地位，就必须在科学技术上取得优势。

九十年代以来，随着以计算机技术为主的信息技术的发展，世界经济格局发生了巨大的变化，逐步形成了一个统一的一体化市场，经济循环加大，加快市场竞争日趋激烈，从而也迫切要求对产品设计的研究能有进一步的突破，为了缩短产品的设计周期、提高生产的质量、降低生产成本，就需要在产品的设计阶段进行预测。

计算机辅助设计，将难以用语言表达的复杂的机械结构，应用多媒体技术以多样化的方式表现的屏幕上，达到了以直观和形象的形式学习机械设计知识的目的。

九十年代后随着CAD技术的发展，其系统性能提高，价格降低，pro/e开始在设计领域全面普及，成为必不可少设计工具，pro/e之所以在短短的时间内发展如此迅速，是因为它是人类在二十世纪取得的重大科技成就之一，它几乎推动了一切领域的设计革命，彻底改变了传统的手工设计绘图方式，极大的提高了产品开发的速度和精度。

应用pro/e技术业进行产品设计，能使设计、生产维修工作快速成而高效地进行，所带来的经济效益是十分明显的。

Pro/e技术的发展与应用水平已成为和衡量一个国家的科学技术现代化和工业现代化的重要标志。

近几年来，随着计算机技术的飞速发展，pro/e技术已经由发达国家向发展中国家扩展，而且发展的势头非常迅猛。

因为当今世界工业产品的市场竞争，归根结底是设计手段和设计水平的竞争，发展中国家的工业产品要在世界市场占有一席之地，就必须采用pro/e技术的研究和开发工作起步相当较晚，自八十年代开始，CAD技术应用工作才逐步得到了开展，随后pro/e也有了应用，国家逐步认识到开展pro/e应用工程的必要性和可靠性，并在全国各个行业大力推广pro/e技术，同时展开pro/e技术的不断研究，开发与广泛应用，对pro/e技术提出越来越高的要求，因此pro/e从本身技术的发展来看，其发展趋势是集成化、智能化和标准化,也只有不断完善，创新才能在日益激烈的竞争中立于不败之地。

课题内容

本课题是利用Pro/E软件的仿真功能对活塞的运动过程进行动画模拟，并对活塞、连杆等进行一些简单的数据分析及计算，以确定设计的合理性，可行性，最终完成设计。

该设计具体研究方法及主要内容是使用Pro/E软件仿照发动机气缸活塞连杆机构，绘制出活塞、摇杆、及其他零部件实体图。

绘制好活塞连杆机构后，然后对设计进行仿真，包括运动干涉检测、活塞运动轨迹、速度及加速度的检测。

2.机构简介

活塞连杆机构的基本构造

活塞连杆组是发动机的传动件，它把燃烧气体的压力传给曲轴，使曲轴旋转并输出动力。

活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销及连杆等组成活塞连杆组把燃烧气体的压力传给曲轴，使曲轴旋转并输出动力；活塞的顶部还与汽缸盖、汽缸比共同组成燃烧室。

工作原理

活塞的顶部直接与高温燃气接触，活塞的温度也很高，高温使活塞的机械性能下降，热膨胀量增加；活塞在作功行程中，承受燃气的高压冲击（3~5mP），活塞在汽缸中高速运动，平均速度达到8~12m/s，要求活塞质量小，热膨胀系数小，导热性好和耐磨。

一般采用铝合金，个别柴油机也采用高级铸铁或耐热钢。

3.Pro/E的装配与运动仿真

E简介

Pro-E是Pro/Engineer的简称，更常用的简称是ProE或Pro/E，Pro/E是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的重要产品，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。

pro-e作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的模具和产品设计三维CAD/CAM软件之一。

Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。

另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。

Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。

它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。

　　Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。

（1）.参数化设计

　　相对于产品而言，可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。

（2）.基于特征建模

　　　Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如系列化快餐托盘设计[1]腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。

这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活，特别是在设计系列化产品上更是有得天独到的优势。

　　（3）.单一数据库

Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。

所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。

换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。

例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。

这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。

这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。

（4）.直观装配管理

　　Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“贴合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。

高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。

　　（5）.易于使用

　　菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。

装配

（1）组装活塞

选择菜单栏的【文件】→【设置工作目录】,系统弹出“选取工作目录”对话框，选择活塞零件图所在文件夹，单击【确定】按钮，完成工作目录的设置。

选择菜单栏的【文件】→【新建命令】，系统弹出【新建】对话框，点选【组件】，取消【使用缺省模版】的选择，单击【确定】按钮，系统弹出新文件选项对话框，如图

单击【确定】按钮，选择mmns-asm-design,单击【确定】，进入装配设计模块。

（2）.创建骨架模块

单击【创建按钮】，系统弹出元件创建对话框，如图

在“元件创建”对话框中，单选【骨架模型】，单击【确定】，系统弹出“创建”选项，单击【空】，单击【确定】，进入元件创建。

单击工具栏【轴】按钮，系统弹出“基准轴”对话框，如图。

双选两个基准面作为参照面，所创建的基准轴穿过两个参照面，单击【确定】，创建基准轴完成。

（3）.装配活塞

选择菜单栏的【窗口】→【激活】，激活现在装配模块。

单击工具栏【装配】，系统弹出“打开”对话框，选择元件prt001,单击【打开】，就将活塞添加到当前模块了.

在【将约束转化为机构连接】框中选择“滑动杆”，单击【放置】，单击【轴对齐】，在3D模型中选择上面创建的基准轴和活塞垂直轴线，单击【旋转】，选取活塞的DTM1基准面和组件的RIGHT基准面。

在【放置】的【状态】的“完成连接定义”，单击【完成】。

如图

（4）.装配底座

单击【装配】，系统弹出“打开”对话框，选择元件prt006，单击【打开】，底座就添加在组件模块中了。

选择【将约束转化为机构连接】中的“用户定义”，单击【放置】，在3D模型中选择底座的基准面和组件的基准面，然后在将其他两个基准面进行约束。

在【状态】框中显示“完成连接定义”，单击【完成】。

如图

（5）.装配输出轴

单击【装配】，系统弹出“打开”对话框，选择元件prt0005，单击【打开】，轴就添加在组件模块中了。

选择【将约束转化为机构连接】中的“销钉”，单击【放置】，单击【轴对齐】，在3D模型中选择底座轴线和输出轴的轴线，单击【平移】，在3D模型中选择曲柄的侧面和底座的内侧面。

。

在【状态】框中显示“完成连接定义”，单击【完成】。

如图1

（6）.装配连杆

单击【装配】，系统弹出“打开”，选择元件prt0004.单击【打开】，连杆就添加在组件模块中了。

选中【将约束转化为机构连接】中的“销钉”，单击【放置】，单击【轴对齐】，在3D模型中选择输出轴的轴线和连杆空轴线，单击【平移】，在3D模型中选择输出轴曲柄侧面和连杆外侧面。

单击【放置】→【新建集】，即创建了一个新的连接。

选择【将约束转化为机构连接】中的销钉，单击【放置】，单击【轴对齐】，在3D模型中选择活塞孔的轴线和连杆孔的轴线，单击【平移】，在3D模型中选择活塞内侧面和连杆外侧面。

在【状态】中显示“完成连接定义”，单击【完成】。

如图

装配完成。

运动仿真及分析

运动分析对活塞连杆机构进行运动仿真,可以进一步分析其运动是否合理,结构是否发生运动干涉等信息.

（1）.添加伺服电机

选择菜单栏的【应用程序】→【机构】，系统进入机构平台。

单击【伺服电动机】，系统弹出“伺服电动机”对话框，如图.

点选【从动图元】的【运动轴】，单击【选取】，选取旋转轴。

如图

在伺服电动机定义中，单击【轮廓】，选择【规范】中的“速度”，选择【模】中的“常数”，在【A】框中输入50，单击【确定】。

完成伺服电动机的创建。

注：

速度为50mm/s。

（2）.自由度分析

单击【机构分析】，系统弹出“分析定义”对话框，如图.

选择【类型】中的“力平衡”，单击自由度中的【DOF】右边的按钮，在文本框中显示的数即为自由度。

如果没有伺服电动机，自由度则为1.

注：

一个自由度的机构，只需要一个伺服电动机就能驱动它。

（3）.动画

单击【机构分析】，系统弹出“分析定义”对话框，选择【类型】中的“运动学”，在【终止时间】框中输入50.注：

给定时间为50秒。

单击【运行】，模型就开始运动。

如下图：

注：

生成的视频文件截图

（4）.运动包络

单击【回放】，系统弹出“回放”对话框。

单击【创建运动包络】，系统弹出“创建运动包络”对话框，单击【读取元件】中的【选取】，在3D模型中选择连杆，单击【预览】。

如图

注:

连杆的运动轨迹

（5）.分析测量结果

单击【测量】，系统弹出“测量结果”对话框，单击【创建新测量】，系统弹出“测量定义”对话框。

在“测量定义”对话框中，选择【类型】中的“位置”，单击【点或运动轴】中的【选取】，在3d模型中选择活塞的孔轴线，如图

在“测量定义”对话中【测量】中的“measure1”,选中【结果集】中“analysisdefinition3”选项，单击【检测选定结果集所选测量的图形】，系统弹出图形工具对话框。

如图框中，单击【确定】，返回“测量结果”对话框

点“测量”即生成位移曲线。

同时可生成速度和加速度曲线。

如图1、2、3

图1注：

横轴代表时间，竖轴代表活塞位移

分析：

该图为活塞位移曲线图。

活塞顶端为零点，以-90处为中心点，活塞从初始值为处开始运动做往复运动，经过50秒在处结束运动。

可以看出，活塞的总位移成余弦规律，位移图比较平稳。

图2注：

横轴代表时间，竖轴代表活塞速度

分析：

该图为活塞速度曲线图。

活塞由最下端以速度为s开始向上做减速运动，后由0开始做加速运动，由此反复运动，50秒后到最下端结束运动。

可以看出，活塞的速度曲线成余弦规律，具有周期性变化规律。

图3注：

横轴代表时间，竖轴代表活塞加速度

分析：

该图为活塞加速度曲线图。

加速度代表活塞的速度快慢的变化.它是速度的导数，因此权限与速度曲线的变化规律基本一致，可以看出,活塞的加速度曲线成正弦规律.仍然具有周期性变化规律。

.

注：

位移、速度、加速度合图。

分析：

由活塞位移、速度和加速度对应曲线可以得出结论：

位移达到峰值的时候，加速度也达到了反向的峰值，这时候速度刚好为零。

参考文献：

【1】乔建军,proe动力学与有限元分析从入门到精通,机械工业出版社,2010,340～357.

【2】肖继德、陈宁宁，机床夹具，机械工业出版社，2011,5～13

【3】刘建华、杜鑫,机械设计基础,北京交通大学出版社,2010,14～38.

【4】魏增菊、李莉,机械制图,科学出版社,2007

【5】林清安,proe机构设计，2004

【6】孙印杰,proe基础与实例教程,北京电子工业出版社,2008

【7】孙恒，机械原理，高等教育出版社，2003

【8】施平，机械工程专业英语，哈尔滨工业大学出版社，2011

【9】孙印杰等，野火中文版Pro/ENGINEERWidfire基础与实例教程【M】，北京，电子工业出版社，2004.

致谢：

经过一个多月的时间,终于完成了这次的毕业设计.尽管在说明书的设计过程中,遇到了许多困难和不解,但都在老师和同学的帮助下度过了.在这里,尤其要感谢我的指导老师-李娜老师,本课题在选题及研究过程中都得到了李娜老师的悉心指导。

李老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。

李老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神使我获益良多。

对李老师的感激之情是无法用言语表达的。