压缩装置运行仿真设计

　　在机械产品设计中，离不开机构运动的问题。

　　例如活塞压缩机的设计就包含曲柄连杆机构的运动问题，需要确定连杆运动时是否会与十字头导筒或活塞内壁发生干涉。在传统的二维设计模式下，由于零件无实体概念，无法在计算机中对其进行虚拟装配，因此无法模拟机构的运动情况，只能运用图解法进行研究，其缺点是效率低下，且精度不高。

　　Pro/ ENGINEER的运动学分析模块Pro/ M ECHAN ISM可以进行装配的运动学分析和仿真。这样可以使得原来在二维图纸上难以表达和设计的运动学问题变得非常直观和易于修改，并且能够大大简化机构的设计开发过程，缩短其开发周期，减少开发费用，同时提高设计质量。运动仿真的结果不仅能以动画的形式表现出来，还能以参数的形式输出，从而可以获知零件之间是否干涉，干涉的体积有多大等。根据仿真的结果对所设计的零件进行修改，直到不发生干涉为止。

　　2 Pro/ E中运动仿真的实现在Pro/ E中，用户可以通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来，以实现机构的运动仿真。而机构又是由构件组合而成的，其中每个构件都是以一定的方式至少与另一个构件相连接，这种连接既使两个构件直接接触，又使两个构件产生一定的相对运动。创建机构的过程与零件装配的过程极为相似。

　　要使组件运动，在装配时就不能对其完全约束，而只能部分约束。所谓部分约束并不是装配不完全，而是根据各组件之间的相对运动，通过连接设定限制组件的运动自由度。连接能够限制主体的自由度，仅保留所需的自由度，以产生机构所需的运动类型。装配过程进入元件放置对话框，展开连接，在此Pro/ E提供了刚性、销钉、滑动杆、圆柱、平面、球、焊接、轴承等8种连接形式。

　　在机械设计中，根据机构运动特点选择合适的连接形式对运动元件进行适当的约束，使机构按照预定的规律进行运动，再为机构添加适当的驱动器，就能够在计算机上实现机构的运动仿真。

　　3压缩机的运动仿真3 1运动机构的建立3 1 1按照常规方法装配固定零件为了便于后面对运动件的连接操作，同时尽量简化模型，加快系统运行速度，对于与机构运动无关的零件，如机身体、阀盖、螺栓等，暂时不必添加进组件中来，而只需装配曲轴箱、主轴承、十字头导筒等零件。

　　3 1 2用连接装配曲轴单击将元件添加到组件按钮，在弹出的对话框内浏览并选择曲轴模型文件，单击打开按钮后，图形窗口显示曲轴零件模型并打开元件放置对话框。不对曲轴添加约束，直接单击连接按钮启用连接，在展开的连接设置界面中为曲轴选择销钉连接。

　　分别添加曲轴主轴颈回转轴与主轴承孔轴线的轴对齐约束和曲轴前端轴颈端面与止推轴承端面的平移约束，完成后放置状态栏显示完成连接定义，表明曲轴已经以连接方式装配进组件。确认并关闭对话框，完成曲轴的装配。

　　3 1 3用连接装配十字头按照类似的步骤，为十字头设置滑动杆连接。根据十字头工作时的实际情况，分别添加十字头回转轴与十字头导筒回转轴的轴对齐约束和十字头对称基准面与导筒相应基准面的旋转约束。

　　3 1 4用连接装配连杆连杆是把曲轴的回转运动转换为十字头的往复运动的部件，因此需要分别定义其大头与曲轴的曲柄销及小头与十字头销之间的两处连接。由于本公司的活塞压缩机采用连杆小头定位，即靠连杆小头端面与十字头体上的十字头销孔内端面来对连杆进行轴向定位，而连杆大头的轴向平移自由度不受约束，因此应为连杆小头设置销钉连接，使其仅具有绕十字头销轴线的旋转自由度，限制其沿十字头销轴线的平移自由度。而为大头设置圆柱连接，不对其沿曲柄销轴线的平移自由度进行约束。

　　小头的销钉连接与前述曲轴的连接设置方法相同，为其添加小头衬套内孔与十字头销的轴对齐约束和连杆小头端面与十字头销孔内端面的平移约束；对于大头的圆柱连接只需添加连杆大头瓦内孔与曲柄销的轴对齐约束即可。

　　3 1 5按照同样的方法，完成其余3列的十字头和连杆的装配3 1 6装配活塞活塞是随着十字头进行往复运动的，即活塞与十字头是相对静止的。因此对活塞的装配就不必使用连接，而可以像对一般零件那样添加约束进行装配，具体操作不再赘述。值得注意的是，这时约束参照一定要选取与活塞相对静止的十字头上的基准，才能实现活塞随十字头一起运动。

　　3 1 7装配联轴器按照上一步的方法，用约束装配联轴器，使之与曲轴一起转动。至此，已完成了压缩机运动机构的建立。完成机构连接定义的压缩机运动机构模型如所示。

　　3 2运动仿真3 2 1进入Pro/ M ECHANISM模块选择应用程序下拉菜单中的M echa nism命令，进入Pro/ E的运动学分析模块。此时，可以单击拖动按钮，然后用鼠标左键拖动曲轴进行旋转，观察各列连杆和十字头、活塞是否随之按照正确的规律运动，从而初步验证机构连接关系是否已经正确定义。

　　3 2 2设置驱动驱动就是机构的动力源，和电动机一样能够产生旋转及平移的动力，并可以使用参数进行控制。这里需要为曲轴定义驱动。单击定义伺服电动机按钮，在弹出的伺服电动机对话框中单击新建按钮，弹出伺服电动机定义对话框。

　　首先在如所示的类型选项卡上，选取从动图元确定伺服电机所作用的主体，可以选取连接轴，例如销钉、滑动杆，也可以选取点或平面，从而使主体产生旋转或平移运动。这里选取连接轴，并在图形窗口中选择曲轴上的销钉连接。然后进入如所示的轮廓选项卡，在此设置驱动速度为36 deg/ s，即每10 s旋转1周；初始角度设置为0.确认并关闭对话框，完成伺服电动机的定义。

　　3 2 3设定分析条件并运行完成机构的连接和驱动的设置后，就可以为运动设置一定的条件及环境，进行机构运动的分析。

　　选择M echanism下拉菜单中的分析命令，在弹出的对话框中单击新建按钮，弹出分析定义对话框如所示。在分析定义对话框中，选择类型为运动学，开始时间为0，结束时间为10，在10 s内曲轴正好转过一周。帧频和*小间隔保留默认值。如果模型中定义有多个电动机，在电动机选项卡上可以指定分析中哪些电动机起驱动作用。由于前面只定义了一个电动机，系统会自动将其设为当前电动机，因此这里不必对电动机选项卡进行设置。

　　设置完成后单击对话框下部的运行按钮，系统即开始运行分析，同时主窗口右下角会显示工作进度条。待分析完成后，关闭分析定义对话框。

　　3 2 4获取分析结果机构的运动分析运行完成后，就可以使用回放、测量等功能进一步研究运动的过程。在压缩机运动机构的设计中，连杆与十字头导筒的干涉问题是比较关键的，在传统的二维设计模式下，由于无法建立机构的运动模型来模拟传动机构的实际运动情况，因此连杆与十字头导筒的干涉检查是一项比较困难的工作。而在基于Pro/ E软件平台的三维设计模式下，通过建立传动机构的运动模型，对机构的运动进行模拟，可以由软件计算出零件之间在运动时是否发生干涉。单击回放分析按钮，打开回放对话框如所示。

　　选择全局干涉模式，由Pro/ E在回放分析过程中计算运动零件间的干涉情况。单击对话框左上角的播放当前结果集按钮，开始处理动画帧，然后逐帧分析运动零件之间的干涉情况。处理完成后，弹出动画播放控制面板。

　　单击控制面板上的播放按钮，即可在屏幕上看到机构运动的情况。如果运动零件之间存在干涉，Pro/ E会以红色将干涉区域显示出来。从上面的例子可见，利用Pro/ E的实体建模和运动分析功能，使得原来在二维设计模式下较为困难的运动干涉检查问题变得十分简单，根据干涉检查的结果，可以对运动零件做相应的修改。

　　3 2 5生成运动仿真动画视频文件运动分析完成后，可以生成动画的视频文件。

　　这样，在不安装Pro/ E软件的计算机上，可以用媒体播放软件如超级解霸等播放运动仿真动画。同时，这些视频文件可以用于制作产品的多媒体演示和宣传资料。在动画播放控制面板上，单击捕获按钮，弹出捕获对话框。在此接受默认的视频文件名，将类型设置为MPEG，勾选照片级渲染帧复选框，其余选项保留默认值。单击确定按钮，系统开始逐帧渲染模型生成动画视频文件。视频文件生成后，用媒体播放软件播放的压缩机运动仿真画面如所示。

　　4结论本文利用Pro/ E的运动学分析模块Pro/ MECHANISM ，实现了活塞压缩机曲柄连杆机构的运动学分析和仿真，解决了在传统的二维设计模式下较为困难的连杆与十字头导筒的运动干涉检查问题，显示出利用Pro/ E软件以三维模式进行压缩机设计的巨大优势。