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摘 要：活塞式压缩装置是汽车的重要部件之一，实现汽车在行进过程中的变速及倒车等功能。在传统的设计下，二维零件图无法在计算机中对装置进行虚拟装配和运动仿真分析。本文针对活塞式压缩装置在Pro/E Wildfire软件设计中，实现曲柄连杆机构和活塞的虚拟装配和运动分析，检查关键点的位移、速度和加速度的问题，并介绍了具体的操作方法，显示三维软件设计的巨大优势，并根据仿真结果精化和优化系统的设计与过程，能缩短设计周期和降低开发成本。
关键词：活塞式压缩装置；虚拟装配；运动分析；Pro/E Wildfire
0 绪论
虚拟技术是利用软件虚拟设计环境下，来完成立体模型生成、装配的最终设计。它是按照一定的连接约束条件，将各个部分组织成一个部件或机器并能满足设计功能的过程，而且能够满足特定的功能，最后利用仿真技术对装配结果进行评估和优化。本文使用Pro/ENGINEER软件来对活塞式压缩装置进行装配与仿真分析，通过设置真实环境中的工作状况参数，并对它进行分析和判断，从而尽早能够找到设计缺陷和潜在的危险发生，在设计阶段就可以提前进行改善和修正，减少后期真实样机修改的代价，大大缩短设计时间，以适应日趋激烈的市场竟争和迅速变化的市场需求[1]。
1 虚拟装配
机构动力学分析 (Mechanism)模块是Pro/E Wildfire软件的一个非常重要的模块，该模块能够对机构或部件进行定义，使机构或部件中的各个零件移动、旋转以及对它的运动进行分析研究。可组成零件之间的连接及装配的自由度，并设置相应的电机驱动产生设计要求的运动；在观察机构或部件运动时可以记录分析过程的一些测量物理量，如位移、力、力矩、而且可以显示测量的位移、速度、加速度波形图等。下图所示的是机构仿真与分析的工作流程[2]。
活塞式压缩装置各零部件的实体模型是建立压缩装置的关键步骤，其主要由轴承、偏心轮、一个主要连杆、两个辅助连杆、三个活塞等组成。实体模型的建立是实现装配和运动仿真的基础，比较直观地再现了活塞式压缩装置的工作原理。如下图2、图3、图4、图5、图6、图7所示。
组件要运动，在组件组装时就不能被死锁即完全约束，而是要局部约束。所谓局部约束并不是装配过程不完全组装，而是根据各部分或组件的运动方式以及彼此之间的相对运动情况，通过Pro/E中提供的各种连接方式(connection)来设定，局部限制部分或组件的运动自由度。一共提供8种连接形式：pin(销钉)、slider (滑块)、rigid(固定)、plallar(平面)、bearing(轴承)、ball(球) 、cylinder(圆柱)。如下图8所示每两个零件连接组成，图9每两个零件连接关系。图10总装配图[3]。
2 运动设置
进入机构动力学分析模块 (Mechanism)，根据机构或部件实际所需要的力、力矩、位移来定义机构或部件的运动所需的伺服电机作为动力源，从而驱动虚拟机构的运动，仿真结果可以看出力、力矩对机构运动的影响。然后可确定运动速度，接着它可以自动进行运动分析，可以看到该机构的运动仿真画面。如图11伺服电动机类型定义，图12 伺服电动机轮廓定义，图13 活塞式压缩装置虚拟装配动态连接关系图，图14 电动机图形工具。
3 运动分析
机构运动分析(mechanism)，可以把静态的虚拟装配设计转换为可以运动的虚拟样机，并通过运动仿真，观察它们如何动作。选择功能菜单下Mechanism：(1)点选质量属性，选取整个装配图，设置密度，然后设置活塞压缩机的质量；(2)该机构设置1个原动件，使活塞压缩机具有确定的运动，点选伺服电机；(3)进行运动仿真，点选运动分析图标，观看运动效果，查看测量结果，点选测量结果分析图标，分别测量3个活塞运动过程中的受力状况。机构运动包括各个运动构件的速度和加速度在每个时刻的变化[4]。选择活塞的最高的圆心点作为测量对象，如下图15 选择分析定义机构，图16 关键点测量结果，图17 电动机动力曲线，图18 三点各自的位置分析结果，19 三点各自的速度分析结果，图20 三点各自的加速度分析结果。
4 结论
虚拟机构或部件设计技术为产品设计与开发提供了数字化设计平台，利用Pro/E Wildfire软件建立了活塞式压缩装置的实体模型，并在机构运动分析(mechanism)模块中进行运动仿真，就能够及早发现机构或部件参数设计上的错误，以检验生产的产品的是否具有装配性。并且能够进行虚拟运动仿真，体现了分析过程的思想。从而避免了真实的物理样品试制过程中出现的问题，大大缩短了产品的开发时间和费用。其结果形象直观，仿真效果良好，为机构的设计提供了一种方便、实用的分析方法。
因此机构或部件建模与运动仿真在新产品的研发过程中具有非常重要的作用，保证了产品的能够迅速推向市场，赢得消费者的认可。
参考文献
[1] 王吉奎.陈志刚.基于Pro/E及ADAMS的反铲式挖掘机工作装置机构的建模与运动仿真[J] 现代制造工程，2006,(5)
[2] 卢存光.段钦华.2K-H型行星轮系的功率流、效率与自锁[J] 机械设计与研究，2007,(4)
[3] 黄爱文.卢炎麟.基于Pro/E的反铲式挖掘机工作装置的建模与运动仿真[J]煤矿机械，2008,(9)
[4] 邢亮.沈豫鄂.PROE运动仿真中单向匀速电机实现往复直线运动的方式及分析[J]舰船电子工程，2009,(9)
作者简介：
肖新华（1979-），男，讲师，高校研究生学位，从事机械设计与制造方面的研究。
自然科学类 黄石理工学院青年项目：10yjz12Q
关键词：活塞式压缩装置；虚拟装配；运动分析；Pro/E Wildfire
0 绪论
虚拟技术是利用软件虚拟设计环境下，来完成立体模型生成、装配的最终设计。它是按照一定的连接约束条件，将各个部分组织成一个部件或机器并能满足设计功能的过程，而且能够满足特定的功能，最后利用仿真技术对装配结果进行评估和优化。本文使用Pro/ENGINEER软件来对活塞式压缩装置进行装配与仿真分析，通过设置真实环境中的工作状况参数，并对它进行分析和判断，从而尽早能够找到设计缺陷和潜在的危险发生，在设计阶段就可以提前进行改善和修正，减少后期真实样机修改的代价，大大缩短设计时间，以适应日趋激烈的市场竟争和迅速变化的市场需求[1]。
1 虚拟装配
机构动力学分析 (Mechanism)模块是Pro/E Wildfire软件的一个非常重要的模块，该模块能够对机构或部件进行定义，使机构或部件中的各个零件移动、旋转以及对它的运动进行分析研究。可组成零件之间的连接及装配的自由度，并设置相应的电机驱动产生设计要求的运动；在观察机构或部件运动时可以记录分析过程的一些测量物理量，如位移、力、力矩、而且可以显示测量的位移、速度、加速度波形图等。下图所示的是机构仿真与分析的工作流程[2]。
活塞式压缩装置各零部件的实体模型是建立压缩装置的关键步骤，其主要由轴承、偏心轮、一个主要连杆、两个辅助连杆、三个活塞等组成。实体模型的建立是实现装配和运动仿真的基础，比较直观地再现了活塞式压缩装置的工作原理。如下图2、图3、图4、图5、图6、图7所示。
组件要运动，在组件组装时就不能被死锁即完全约束，而是要局部约束。所谓局部约束并不是装配过程不完全组装，而是根据各部分或组件的运动方式以及彼此之间的相对运动情况，通过Pro/E中提供的各种连接方式(connection)来设定，局部限制部分或组件的运动自由度。一共提供8种连接形式：pin(销钉)、slider (滑块)、rigid(固定)、plallar(平面)、bearing(轴承)、ball(球) 、cylinder(圆柱)。如下图8所示每两个零件连接组成，图9每两个零件连接关系。图10总装配图[3]。
2 运动设置
进入机构动力学分析模块 (Mechanism)，根据机构或部件实际所需要的力、力矩、位移来定义机构或部件的运动所需的伺服电机作为动力源，从而驱动虚拟机构的运动，仿真结果可以看出力、力矩对机构运动的影响。然后可确定运动速度，接着它可以自动进行运动分析，可以看到该机构的运动仿真画面。如图11伺服电动机类型定义，图12 伺服电动机轮廓定义，图13 活塞式压缩装置虚拟装配动态连接关系图，图14 电动机图形工具。
3 运动分析
机构运动分析(mechanism)，可以把静态的虚拟装配设计转换为可以运动的虚拟样机，并通过运动仿真，观察它们如何动作。选择功能菜单下Mechanism：(1)点选质量属性，选取整个装配图，设置密度，然后设置活塞压缩机的质量；(2)该机构设置1个原动件，使活塞压缩机具有确定的运动，点选伺服电机；(3)进行运动仿真，点选运动分析图标，观看运动效果，查看测量结果，点选测量结果分析图标，分别测量3个活塞运动过程中的受力状况。机构运动包括各个运动构件的速度和加速度在每个时刻的变化[4]。选择活塞的最高的圆心点作为测量对象，如下图15 选择分析定义机构，图16 关键点测量结果，图17 电动机动力曲线，图18 三点各自的位置分析结果，19 三点各自的速度分析结果，图20 三点各自的加速度分析结果。
4 结论
虚拟机构或部件设计技术为产品设计与开发提供了数字化设计平台，利用Pro/E Wildfire软件建立了活塞式压缩装置的实体模型，并在机构运动分析(mechanism)模块中进行运动仿真，就能够及早发现机构或部件参数设计上的错误，以检验生产的产品的是否具有装配性。并且能够进行虚拟运动仿真，体现了分析过程的思想。从而避免了真实的物理样品试制过程中出现的问题，大大缩短了产品的开发时间和费用。其结果形象直观，仿真效果良好，为机构的设计提供了一种方便、实用的分析方法。
因此机构或部件建模与运动仿真在新产品的研发过程中具有非常重要的作用，保证了产品的能够迅速推向市场，赢得消费者的认可。
参考文献
[1] 王吉奎.陈志刚.基于Pro/E及ADAMS的反铲式挖掘机工作装置机构的建模与运动仿真[J] 现代制造工程，2006,(5)
[2] 卢存光.段钦华.2K-H型行星轮系的功率流、效率与自锁[J] 机械设计与研究，2007,(4)
[3] 黄爱文.卢炎麟.基于Pro/E的反铲式挖掘机工作装置的建模与运动仿真[J]煤矿机械，2008,(9)
[4] 邢亮.沈豫鄂.PROE运动仿真中单向匀速电机实现往复直线运动的方式及分析[J]舰船电子工程，2009,(9)
作者简介：
肖新华（1979-），男，讲师，高校研究生学位，从事机械设计与制造方面的研究。
自然科学类 黄石理工学院青年项目：10yjz12Q