Proe活塞机构运动仿真分析毕设

摘要
使用Pro/E 软件构建活塞机构的三维模型，对模型进行装配，并用Mechanism 模块对活塞机构进行运动仿真，得到活塞的位移、速度、加速度的运动仿真曲线图；并从理论角度运用数理方法建立运动方程，借助Matlab simulink仿真模块对活塞机构进行仿真得到活塞的位移、速度、加速度的理论曲线。

根据Pro/E运动仿真结果分析表明设计的活塞机构满足要求，活塞运动正常；对比Matlab simulink仿真结果表明Pro/E进行模拟比数值理论方法更具优越性。

关键词：Pro/E Simulink 活塞机构运动仿真
ABSTRACT
The paper constructs the three-dimensional model of piston mechanism by using Pro/E software ,gets the assembly model , makes the piston mechanism motion simulation by using Mechanism module and obtains the displacement, velocity , acceleration of slider and the motion simulation curve. From a theoretical point of view by means of mathematical methods to establish the motion equation ,and making simulation by means of Matlab Simulink simulation module and obtaining the displacement ,velocity, acceleration curve.
According to the Pro/E simulation results show that the piston mechanism design to meet the requirements, the piston motion is normal; Compared with the Matlab Simulink simulation results show that the Pro/E simulation than numerical theory method is more superiority.
Key words: Pro/E Simulink Piston mechanism Motion simulation
目录
第一章绪论 (1)
1.1 选题依据及其意义 (1)
1.2 国外研究现状及发展趋势 (2)
1.3 课题容 (3)
第二章活塞机构简介 (5)
2.1 活塞机构的基本构造 (5)
2.2 工作原理 (7)
2.3 本章小结 (7)
第三章Pro/E的建模及装配 (9)
3.1 Pro/E简介 (9)
3.1.1 简介 (9)
3.1.2 主要特性 (9)
3.1.3 主要模块 (10)
3.2 机构的建模与装配 (11)
3.2.1 三维造型建模 (11)
3.2.2 整体装配 (14)
3.3 本章小结 (18)
第四章运动仿真及分析 (19)
4.1 Pro/E运动仿真 (19)
4.1.1 Mechanism模型的构建 (19)
4.1.2 运动仿真 (23)
4.2 Simulink仿真 (26)
4.2.1 Simulink模型的构建 (26)
4.2.2 仿真 (30)
4.3 仿真结果对比分析 (32)
4.4 本章小结 (33)
第五章总结与展望 (35)
致 (37)
参考文献 (38)
第一章绪论
1.1 选题依据及其意义
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，有些产品就不得不返回设计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，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。

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。

在进行机械产品设计时，设计者都要进行机构的运动分析，以此来验证机构设计的合理性和可行性。

运动仿真技术是上世纪80 年代迅速发展起来的一项通过在虚拟环境中模拟系统的运动，从而得到系统的三维动态效果，以此来代替物理样机进行仿真试验的计算机辅助工程技术。

运动仿真技术能够在不浪费制造和试验物理样机所需时间、经费的前提下，通过反复修改系统动力学模型，进行不同设计方案的仿真试验，获得最优的设计方案。

[1]
在Pro/E环境下，对活塞连杆机构建立了三维模型，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机构的设计，对现实发动机制造过程有一定的指导意义。

1.2 国外研究现状及发展趋势
计算机仿真技术是通过对系统模型的实验去研究现实世界中已经存在的或已在设计中的系统。

从本质上说，计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟真实系统进行科学实验的技术，它是对真实物理系统的抽象，既可以反映真实系统的本质特征，又易于进行试验分析。

用户在这些抽象模型上可以更高效、节省、更灵活地对物理系统进行了解和设计。

20世纪80年代后期，仿真技术在诸多方面都发生了十分重大的转变。

仿真研究的对象也由连续系统转向了离散事件系统，仿真也由实验转向了建模与结果分析。

应用领域也由航空航天转向了制造业，并从研究对象(产品)的动力学、运动学特性及加工、装配过程，扩大到了制造系统的设计和运行。

制造的分布性使得仿真与网络技术相结合，出现了分布式仿真。

近年来信息技术的发展，特别是高性能海量并行处理技术、可视化技术、分布处理技术和虚拟现实技术的发展，使得仿真环境下建立一体化的交互式多维信息仿真模型成为可能，并可使之形成一些新的发展方向，如可视化仿真、多媒体仿真和虚拟现实仿真等。

这3种仿真呈递进关系：可视化仿真强调可视的、灵活的仿真分析环境；多媒体仿真除可视化之外还强调多样化的多媒体集成，如音像合成效果等；虚拟现实仿真则强调投入感、沉浸感和多维信息的人机交互性。

[1] 机构运动仿真技术就是通过运用机构中的后处理功能可以查看当前机构的运
动，并且为研究机构模型提供方便。

PRO/EWildfire 是美国PTC 公司最新推出的一套从设计到制造的机械自动化软件，产品设计师可以利用该软件轻松的完成部件、整机模型的装配，并对设计的产品预先进行静态分析、装配干涉检验等操作。

Pro/E 系统提供了完善的仿真功能，通过对机构实体模型添加运动副、驱动器实现对机构运动速度、轨迹、位移、运动干涉等情况的分析，为机构的设计与检验提供数据支持，使得原来在二维图纸上难以表达和设计的运动变得直观和易于修改。

分析结束后PRO/E还可以将仿真的结果以MPEG、JPEG等格式输出，帮助用户更好的完成机构设计。

[2]它包含的Mechanism 模块是一个完整的三维实体静力学、运动学、动力学仿真模块，是机构运动分析强有力的工具，可快速创建机构虚拟模型并能方便地进行分析。

Mecha-nism 模块集成于Pro / Engineer 中，操作直观简便，易于掌握。

[2]
应用pro/e技术进行产品设计，能使设计、生产维修工作快速而高效地进行，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衡量一个的科学技术现代化和工业现代化的重要标志。

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，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。

1.3 课题容
本毕设是利用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；同时应用Matlab的Simulink仿真模块进行理论分析，对比两者结果，分析两者仿真的优缺点。

本毕设具体研究方法及主要容是使用Pro/E软件构造活塞连杆机构，绘制出
活塞、连杆、底座及曲轴的三维实体图，绘制好活塞连杆机构后，然后进行整体装配构造活塞机构，最后利用mechanism模块对设计进行运动仿真，包括运动干涉检测、活塞运动轨迹、速度及加速度的检测，绘制出活塞的位置、速度、加速度的仿真曲线图；同时，分析活塞机构的运动方程，利用Matlab的Simulink模块构造仿真模型，编写必要的函数，运行仿真得到活塞的位置、速度、加速度的理论曲线。

最后，对两者结果进行分析，得出结论。

本论文章节安排：
第一章绪论：主要本毕设的选题依据及其意义，国外研究现状及发展趋势以及本毕设的课题容。

第二章活塞机构简介：本章主要重点介绍活塞机构的基本构造及其工作原理。

第三章Pro/E的建模及装配：本章前部分主要介绍Pro/E的主要特性及主要模块，后半部分主要讲述使用Pro/E软件进行活塞机构的三维建模及其装配过程。

第四章运动仿真及分析：本章主要讲述如何使用Pro/E软件进行活塞机构的运动仿真分析以及simulink模块进行曲柄滑块机构的运动仿真分析。

第五章总结与展望：本章主要叙述整个毕设过程所遇到的问题及如何解决问题，以及通过毕设自己所学习到的知识和自己的感悟。

致：感毕设过程中来自老师及同学的帮助。

参考文献：毕设过程中所参考的文献资料。

第二章活塞机构简介
2.1 活塞机构的基本构造
活塞机构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。

活塞机构主要由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分组成。

1.机体组
机体组主要由气缸体、气缸垫、气缸盖、曲轴箱、汽缸套及油底壳构成，该部分主要是构造活塞机构的外部特征。

机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。

因此，机体必须要有足够的强度和刚度。

气缸体是发动机各个机构和系统的装配基体，是发动机中最重要的一个部件。

气缸体有水冷式缸体和风冷式气缸体。

气缸盖的主要作用是封闭气缸上部，与活塞顶部和气缸壁一起构成燃烧室。

气缸盖与气缸体之间装有气缸衬垫，其作用是保证气缸盖与气缸体间的密封，防止燃烧室漏气、水套漏水。

油底壳的主要作用是储存机油并封闭曲轴箱。

油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成。

2.活塞连杆组
活塞连杆组主要是由活塞、活塞环、活塞销、连杆组成，是活塞机构的主体部分，负责活塞机构中动力的传递。

（1）活塞
活塞的作用是与气缸盖、气缸壁等共同组成燃烧室，并承受气缸中气体压力，通过活塞销将作用力传给连杆，以推动曲轴旋转。

活塞可分为头部、环槽部和裙部三部分。

活塞头部活塞是燃烧室的组成部分，其形状取决于燃烧室的形式。

常见的活塞头部形状有平顶式、凹顶式和凸顶式。

活塞环槽活塞环安装在活塞环槽。

汽油机一般由2～3道环槽,上面1～2道用来安装气环,实现气缸的密封;最下面的一道用来安装油环.在油环槽底面上钻有许多径向回油孔,当活塞向下运动时,油环把气缸壁上多余的机油刮下来经回油孔流回油底壳。

若温度过高，第一道环容易产生积碳，出现过热卡死现象。

活塞裙部活塞裙部起导向作用。

（2）活塞环
活塞环安装在活塞环槽，用来密封活塞与气缸壁之间的间隙，防止窜气，同时使活塞往复运动便顺捷。

活塞环包括气环和油环两种。

气环的作用是保证活塞与气缸壁间的密封，防止高温高压燃气进入曲轴箱；同时还将活塞顶部的大部分热量传导给气缸，再由冷却水或空气带走。

油环主要是刮油、布油和辅助密封作用。

油环用来刮除气缸比上多余的机油，并在气缸比上铺涂一层均匀机油膜，这样即可以防止机油串入，又可以减小活塞与气缸的磨损与摩擦阻力。

（3）活塞销
活塞销的作用是连接活塞与连杆小端，将活塞承受的气体的作用力传递给连杆。

活塞销为中空的圆柱体，一般采用低碳钢、低碳合金钢渗碳淬火或用45号中碳钢高频淬火。

根据活塞销的固定方式的不同，可分为全浮式或半浮式两种。

（4）连杆
连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，从而使活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。

连杆承受活塞销传来得气体的作用力以及本身摆动和活塞组往复运动时的惯性力，这些力的大小和方向都是周期性变化的，因此，连杆受到的是压缩、拉升和弯曲等较边载荷。

3.曲轴飞轮组
曲柄飞轮组主要由曲轴、飞轮以及其它零件组成。

曲轴是发动机最重要的机件之一。

其作用是将活塞连杆组传来的气体作用力
转变成曲轴的旋转力矩对外输出，并驱动发动机的配气机构及其他辅助装置工作。

飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，外缘上压有一个齿圈，与起动机的驱动齿轮啮合，供起动机发动机时使用。

2.2 工作原理
活塞机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分。

在做功冲程中，它将燃料燃烧产生的气体作用在活塞顶上的膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力；在其它冲程中，则依靠曲柄和飞轮的转动惯性、通过连杆带动活塞上下运动，为下一次做功创造条件。

（1）将气体的压力变为曲轴的转矩
（2）将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动
（3）把燃烧作用在活塞顶上的力转变为曲轴的转矩，以向工作机械输出机械能.
2.3 本章小结
活塞机构是典型的曲柄滑块机构，主要由机体组、活塞连杆组、曲柄飞轮组三部分组成。

机体组主要由气缸体、气缸垫、气缸盖、曲轴箱、汽缸套及油底壳构成；活塞连杆组主要是由活塞、活塞环、活塞销、连杆组成；曲柄飞轮组主要由曲轴、飞轮以及其它零件组成。

活塞机构的主要功能是通过活塞连杆组来实现的，在做功冲程中连杆组把燃烧后产生的气体作用在活塞顶上的压力转变为曲柄旋转的转矩，不断输出动力。

在其它冲程中，则依靠曲柄飞轮的转动惯性进行后续的运动。

第三章Pro/E的建模及装配
3.1 Pro/E简介
3.1.1 简介
Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。

Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。

Pro/Engineer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CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国产品设计领域占据重要位置。

[11]
3.1.2 主要特性
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。

[10]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，我们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。

3．单一数据库（全相关）
Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的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。

3.1.3 主要模块
Pro/E软件提供了大量的模块供用户使用，其中主要的模块介绍如下。

1. Engineer
Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色，实体或线框造型，完整工程图的产生及不同视图展示（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。

Pro/Engineer 是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽壳（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。

这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不像其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其他相关的特征也会自动修正。

这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。

Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用C语言编程，以增强软件的功能。

Pro/Engineer功能如下：
（1）特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）；
（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；
（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计；
（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM 的各种能用零件设计的程序化方法等）。

（5）贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。

其它辅助模块将进一步提高扩展Pro/ENGINEER的基本功能。

2. ASSEMBL Y
Pro/ASSEMBL Y是一个参数化组装管理系统，能提供用户自定义手段去生成一组组装系列及可自动地更换零件。

Pro/ASSEMBL Y是Pro/ADSSEMBL Y的一个扩展选项模块，只能在Pro/Engineer环境下运行，它具有如下功能：
（1）在组合件自动零件替换（交替式）
（2）规则排列的组合（支持组合件子集）
（3）组装模式下的零件生成（考虑组件已存在的零件来产生一个新的零件）（4）Pro/ASSEMBL Y里有一个Pro/Program模块，它提供一个开发工具。

使用户能自行编写参数化零件及组装的自动化程序，这种程序可使不是技术性用户也可产生自定义设计，只需要输入一些简单的参数即可
（5）组件特征（绘零件与广组件组成的组件附加特征值。

如：给两种零件之间加一个焊接特征等）
3.2 机构的建模与装配
3.2.1 三维造型建模
活塞机构主要由活塞、连杆、曲轴以及底座构成[2]，且本次主要是进行活塞机构的运动仿真分析，所以在使用Pro/E进行建模时主要构建以上零部件，包括活塞、连杆、曲轴及底座。

由于没有查到具体的国标尺寸，因此建模时具体尺寸自己根据实际经验定义，活塞机构是典型的曲柄滑块机构，所以其中主要尺寸为曲轴轴向至连杆大端轴线距离为R1=70mm，连杆长度为R2=250mm，偏心距为0。

通过经验来大体确定各零部件的具体尺寸并记录下来，具体尺寸确定后，接下来就是进行活塞机构的各零部件的三维建模。

[11]
1.活塞的建模
单击【拉伸】，草绘一个直径为100的圆，设置拉伸长度为120.
单击【拉伸】，选择圆柱底面草绘一个直径为80，设置拉伸长度为80，去除材料。

同样，采用【拉伸】，草绘草图，进行拉伸和去除材料得到活塞下半部分的活塞销孔特征的构建以及连杆小端连接处特征的构建。

单击【旋转】，草绘两个形，旋转设置去除材料，得到活塞槽特征的构建。

各特征构建步骤及最终活塞模型构建如图3.1。

图3. 1活塞
2.连杆组的建模
连杆组主要由连杆、连杆端盖、螺栓螺母组成，由于螺栓螺母只起到连接的作用，所以建模时只构建连杆和端盖的三维模型，然后将两者进行装配得到连杆组的三维模型。

首先利用【拉伸】命令来构建模型的大致外型，然后再进行【倒角】、【孔】以及【镜像】操作来构建一些其它的细节特征。

构建的连杆、端盖以及装配好的连杆组的三维模型如图3.2。

图3. 2连杆及端盖
3.曲轴的建模
曲轴的三维建模首先通过两次【拉伸】，拉伸出曲轴左侧的飞轮和左轴的特征，然后进行【镜像】得到右侧特征，最后再通过【拉伸】得到其它特征，最终得到的曲轴的三维模型如图3.3。

图3. 3曲轴
4.底座的建模
底座的三维模型由于特征比较多，所以建模过程比较复杂。

首先通过【旋转】构建出底座中间部分的特征，然后进行【拉伸】构建出底座一侧的特征，再进行【镜像】得到底座的整体模型，最后通过【倒角】、【孔】来构建其它细节特征。

构建的底座三维模型如图3.4。

图3. 4底座
3.2.2 整体装配
Proe中，零件的装配过程，实际上就是一个约束限位的过程，根据不同的零件模型及设计需要，选择合适的装配约束类型，从而完成零件模型的定位。

传统的装配元件方法是在“放置”页面给元件加入各种固定约束，将元件的自由度减少到0，因元件的位置被完全固定，这样装配的元件不能用于运动分析；另一种装配元件的方法是在“连接”页面给元件加入各种组合约束。

[3]
在proe中常用的连接类型有如下几种：
1.刚性:刚性连接，自由度为零，零件装配处于完全约束状态。

2.销钉：销钉连接，自由度为1，零件可沿某一轴旋转。

3.滑动杆：滑动连接，自由度为1，零件可沿某一轴平移。

4.圆柱：缸连接，自由度为2，零件可沿某一轴平移或旋转。

5.平面：平面连接，自由度为2，零件可在某一平面自由移动，也可绕该平面的法线方向旋转，该类型需满足平面约束关系。

6.球：球连接，自由度为3，零件可绕某点自由旋转，但不能进行任何方向的平移，该类型需满足点对齐约束条件。

在本次毕设过程中由于要进行活塞机构的运动仿真分析，所以在进行活塞机构的装配时选择第二种连接方式即机构连接，曲柄与基座、曲柄与连杆、连杆与。