1、摘 要健骑机是一种作用于腿部及胸部肌群的健身器材。本文首先介绍了健身器材的研究现状，在此基础上指出当前研究中存在的问题。其次，在研究分析滑步机的 组成及其零件间相互关系的条件下，利用机械结构的现代设计方法，在 Pro/Engineer环境下对所要研究的滑步机进行实体建模和运动仿真，得出在传统条件下不能得到的数据资料，从而更好的去确定其机构和其他的相关数据，为滑步机的优化设计打下基础，使之真正起到应有的 锻炼作用。关键词：滑步机，Pro/Engineer，建模Modeling and Simulation of Sliding Equipment for Fitness Based on Pro
2、/EAbstractRider Machine role is a leg and chest muscles in the fitness equipment，first of all，This article introduces the research about it， then point out some problems in current research based on that。the second，Rider in the analysis of the composition of machines and their inter-relationship bet
3、ween parts of the conditions，with modern design methods of the mechanical structure, In Pro / Engineer environment for the study of the sliding machine modeling and motion simulation，Obtained the datas that under the conditions in traditional can not be，And thus define its agencies and other relevan
4、t data in a better method， For the sliding machine lay the foundation for optimal design， So that the exercise should be a real role to play。Keywords: Sliding Equipment, Pro/Engineer, Modeling目 录1 绪论 .11.1 健身器材的研究现状 .11.1.1 健身器材的发展与品牌 .11.1.2 健身器材的分类与功能 .11.2 课题背景及研究意义 .21.3 当前研究中存在的问题 .31.4 本课题研究的必
5、要性 .42 Pro/E 功能介绍 .52.1 引言 .52.2 Pro/E 简介 .52.2.1 Pro/E 的三维模型创建功能 .62.2.2 Pro/E 建模的一般过程 .72.2.3 利用族表实现零件系列化设计 .72.3 Pro/E 的特点及产品外观造型设计 .83 滑步机的建模与分析 .103.1 滑步机的组成及内在联系 .103.2 典型零件建模 .123.3 零件装配 .144 仿真 .154.1 仿真介绍 .154.2 干涉检验 .154.3 运动分析 .165 结论 .16致谢 .17参考文献 .1801 绪论1.1 健身器材的研究现状1.1.1 健身器材的发展与品牌健身器
6、材工业起源于 20 世纪 70 年代初的美国及加拿大，所以美国及加拿大的健身设备厂是历史最悠久的厂商，他们经历了健身器材工业的低谷与高峰，经历了健身器材的诞生与发展过程，所以说美国及加拿大的健身器材是技术最优秀的最专业的产品,经过 30 年的工业创新，使得美国及加拿大的产品成为全球健身器材产品的全球领跑者。包括有氧的 Lifefitness , Precor , Stairmaster , Schwinn , Concept II , Bodyguard ,力量设备 Cybex , Nautilus ,Vectra 从以上品牌开始，美洲大地开始了健身器材工业化。人们 意识到了健身器材工 业是一
7、个朝阳产业，而且越来越为广大使用者接受。之后美国出现了众多厂商众多品牌的工业化生产，包括目前“ StarTrac , Keys , Scifit , Trimline , Quinton , Hummer ,Trotter ”等等品牌，而且每个厂家都看到了这一市场的巨大，同样 70 年代中叶在英国意大利有一批生产商开始效仿美国及加拿大的产品，于是在欧洲便 诞生了第一批健身器材生产商 3B ,Keiser, Powersport, Powerjog ,Gym80 ,Epic ,Technogym , Oxide , Freemotion 开始了欧洲健身器材品牌的发展。接下去在 70 年代末 80
8、 年代初的台湾 SportSart ，True , Johnson （后为中国产）, MagTonic , Pluse 开始进入市场，其中的 许多厂商因为为美国及英国厂商进行合作生产配件，随后发展为自创品牌或贴牌生产（使用美，英产品商标，在台湾 进行生产），之后日本的 Cateyes ，造型 过于粗糙，而在全球范围销售不成功成为一个反面教材 , 但 90 年代中叶的 韩国发挥了电子行业上的 优势，开始电跑生产“ WaTa , Lucksport , Kaesun , JACO ”等都产生于那时 。而在电跑制造上，我国直到 90 年代末才出现了国内的万年青，英派斯，汇祥，乔山 等品牌，这是中国健
9、身器材工业的真正开始。1.1.2 健身器材的分类与功能 现代健身器材已有上百个品种。虽然目前尚无统一的分类，但以阻力器件来分有重块、磁 电、液压、气 压、自身体重等几种。重块型是常用的一种阻力器，它的主要特点是坚固耐用、调节阻力大小较方便，但使用 时发 出的噪声较大。磁 电式阻力器，可在一定范围内进行无 级调节，使用 时噪声较小，但控制系统较复杂。液压阻力器，体积 小、噪声小，阻力大小可作一定 调节，但制作加工要求较高，不然易漏油，1影响使用。气压阻力器，可作无级调节，增、减阻力非常方便，噪声小，但需有配套的空压机及管道，家用健身器材中很少使用。用自身体重作为阻力，通 过杠杆支点调节，可改变锻
10、炼时的阻力，这是一种新颖的设计，它使器械构造显得非常紧凑、简洁。健身器材又常以训练功能多少来分为单功能和综合型多功能两大类。单功能器械，常见的有划船器、健美车、健步机、跑步机、美腰机等。它们的主要功能是： 划船器：主要用来增强手臂力量及动作协调。 健美车：锻炼时，象骑自行车一样，主要用来增 强腿部力量，增强心血管功能。 健步车：主要用以锻炼腿、腰、腹部肌肉及心肺功能。 跑步机：主要用以锻炼腿、臀、腰、腹部肌肉及心肺功能。 美腰机：可对腰部、背部作放松按摩。 综合型多功能器：一般都包括扩胸器、引体向上、仰卧推举、仰卧起坐等器械的功能。扩 胸器、引体向上、仰卧推 举，主要是用来锻炼上肢力量及胸大肌
11、力量；仰卧起坐，主要用来锻炼腰肌群，减少腰腹部多余脂肪。 我国健身器材行业尽管内外销市场趋旺，但在国际市场缺乏知名品牌却是一个不得不面对的事实。目前，我国出口的健身器材产品基本上是以“ 委托加工”和“贴牌生产”的方式 进入国际市场 ，产品附加值较低。同 时，与国际先进水平相比，我国不少生产企业还处在仿制生产阶段，产品研发和技术创新能力不足，从而导致的健身器材起不到较好的锻炼作用，白白浪费资源。因此我们要不断创新，不断 优化产品，使得健身器材起到其真正的作用。 1.2 课题背景及研究意义中国自从 80 年代开始，确立改革开放的路线，由于庞大内需市场（近 14 亿人口）与相对廉价的人工、土地、厂房
12、等有利因素的吸引，使得先进国家纷纷将各种成熟产品，转 移至中国生产。而在中国成为“世界工厂” 的初期，虽然许多世界五百强的企业均已在中国设厂制造产品，可是不容讳言， 这些企 业并未将所谓的“ 核心技术”引进中国。充其量，只是将中国视为一个“组装工厂” ，将半成品自国外进口，在中国 组装完成后，再行销售。其主要目的，是要占有 庞大的中国国内市 场，以寻求企业的最大利益为宗旨，而非以建立中国自主的工业生产技术为目标。在我国,虽然很久以前就提出“甩图板” 的口号,但至今 计算机虚拟设计技术在国内的普及程度仍然很低,发达国家机械企业 CAD 技术的普及率接近 100,而我国还不到 30。目前国内用于机
13、械 CAD 的微机台数超过 50 万台,企业中还有相当一部分在图板上进行手工绘图设计；用微机开展 CAD 工作的企业中,绝大多数使用的是2初级平台的国内外软件,实用性不高。因此,国内 CAD 的应用还处于低水平,这相对于硬件投资、人力投入来讲无疑是一个巨大的浪费。根据世界经济黄皮书的统计数字, 我国机械工业主导产品达到 90 年代国际水平的仅占 30；我国制造业的新产品贡献率仅为国内生产总值的 11（2002 年）,而美国在 1995 年就已达到 52；美国、西欧各国及日本机械工业企业的专业化水平为 7595,而中国仅为1530。因此从技术层面上来讲，加速推 进虚拟设计技术将是解决制造业持续发
14、展的一个关键。1.3 当前研究中存在的问题多体系统是对实际工程研究对象的高度概括,如航天飞机、车辆、机器人以及各种机械设备等, 都属于多体系统的研究范畴。柔性多体系统结构动力多体系统结构动力学特性。并且, 传统结 构动力学大都研究的是 单一柔体的振动理论, 即使是由多个杆件铰接而成的桁架结构, 其建模方法也只是描述外力作用下, 系统的振动特性, 无法表述振动是如何将速度、加速度以及力 内力和外力 通过各种铰链进行传递的。如果将多体系统各种 组成铰链拆开后建立动力学模型, 其计算量为 为多体系统中连接体的数量 , 这样 就使柔性多体系统研究无法深入。因此, 研究多体系统结构动力学建模方法是必要的
15、。近年来, 柔性多体系统动力学研究有了长足的进展, 而在多体系统结构动力学研究中, 有关的科学文献 , 技术资料却较为鲜见。绝大多数是关于多自由度系统振动分析、局部模态分析方法的研究。多自由度系统振动分析是建立在 Newton-Euler 2 矢量力学和 分析力学基 础之上的, 和 Lagrange Kane利用广义速率代替广义坐标作为独立 Levinson 变量来描述树形柔性多系统的运动, 直接利 dAlembert 原理建立 伪坐标形式的 动力 dAlembert Lagrange 学方程。在此方程组中含有多个 乘子, 以 Lagrange 满足系统的约束条件和方程求解条件。为了研究更复杂
16、的多体系统结构动力学问题, 许多学者提出了多体系统离散化方法, 即用变形场的理论描述多体链上每一个柔性体的变形状态。离散化方法主要有两方面的研究: 1 单一柔性体的有限元分析方法;2 模态分析方法。早在 20 世纪 60 年代, 就Hurty 提出了模态方法, 和 Craig Bampton Benfield Hru23 29 在模态选择方面进行了深入的研究, 以提高 da 柔性体模态的收敛性。在模态分析的同时,Sha210 212、 和 等人对有限元在多 bana Meirovitch Kwak 体系统结构动力学中的运用作了深入广泛的研究,提出了具体的形函数选择方法。这些方法分别从不同方面提
17、高了柔性多体系统结构动力学的建模精度和计算效率。但是, 由于这些研究只是针对某个具体柔性体进行的研究和建模, 不能描述柔性多体系统内在的结构动力学特性, 只能在一定程度上提高计算效率和计算关于多自由度系统振动分析、局部模态分析方法精度, 很难在计 算效率和计算精度上突破 , 仅仅靠提高计算机的计算量运算速率, 也3无法从根本上解决计算效率问题。20 世纪 90 年代 , 美国 科学家 . 和 NASA G Rodriguez. 开发了柔性多体系 统动力学算子代数 ,A Jain 该算子代数建立在 动力学基础上, 采用 Lagrange 递推算法分别对柔性多体系统速度、加速度、广义力以及广义质量
18、进行递推运算。避免了速度、加速度、广义力等物理量的交叉运算, 将运算量由原来的 降低到 。更重要的是 , 沿多体链的递 推过程, 完整地描述了动力学特性是如何通过铰链传递的, 并形成柔性多体系统的外在表现。本文把该算子代数引入多体系统结构动力学研究, 并把它同有限元分析和模态分析法结合起来, 为从整体上建立新的多体系统结构动力学分析模型和解决结构动力学分析中计算效率问题提供有效的途径。1.4 本课题研究的必要性国家科学技术部在“ 十五”期间将“CAD 应用工程技术开发和应用示范” 作为重中之重项目，在全国范围内推广普及应用 CAD 技术，取得了丰硕成果。三 维 CAD建模技术取得一定成绩，三
19、维造型设计已有少量应用。快速成型技术（RP）是近几年来 发展的新的先进制造技 术，我国对分层实体制造 LOM，立体印刷 SLA、选择性激光烧结 SLS、熔化沉积制造 FDM 等工艺方法开展了研究，并开发出相应的装 备及配套元器件、 软件、造型材料等。对 RP 的上游技术，反求工程、新产品造型设计和 CADCAM 技术 及三维图形信息处理技术和RPM 的下游技术，快速制模工具及产品制造技术均 进行了研究，并有一定的 应用，目前在国家科技部的组织下，已成立了 5 个 RP 技术服务中心。本论文基于我国国情，在简单的反求工程基础上进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真，在产品设计阶段能够
20、以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性，在 对产品性能要求较高的行业中，如航空航天、 军事、精密机床、微电子等领域，虚拟制造与快速成形技术必将得到日益广泛的应用。42 Pro/E 功能介绍2.1 引言在这里选择 PTC 公司的 Pro/Engineer（以下简称“ Pro/E” ）作为虚拟设计的软件平台，选择该软件是因为：1）它具有强大的功能，能够满足本设计要求。2）它具有实体建模模块，可在此基础上进行零件的虚拟设计和建模。3）它具有完整的功能仿真分析系统，可以对设计加以仿真和分析。2.2 Pro/E 简介Pro/E 自 1988 年问世以来，十几年 间以成为全世界最普及的 3DCA
21、D/CAM 软件。Pro/E 在今天俨然成为 世界 3DCAD/CAM 系统的标准软件，被广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽 车、自行 车、航天、家 电、玩具等行业。 Pro/E 可谓是一个全方位的 3D 产品开发软件，集合了零件 设计、 产品组合、模具开发、NC 加工、钣金件设计、铸 造件设计、造型设计、逆向工程、自动检测、机构仿真、应力分析、产品数据管理于一体，其模块众多。图 2-1 Pro/E 基本设计界面图 2-1 是 Pro/E 的界面，本 课题以此为根基， 进行建模设计。下面介绍一下 Pro/E 的特性：5（1）相关性相关性是指所有的 Pro/E 的功能都相互关联。也就是说，
22、在开发过程中，用户任何时候所做的变更，都会扩 展到整个设计中，自 动更新所有工程文件如部件、加工、以及产品信息管理等。（2）基于特征的参数化建模。（3）数据管理为了在最短时间内完成最多的开发工作，必须允许多位工程师同时处理一件产品。Pro/E 数据管理功能可以管理并行工程所要求的并行作业程序，并通过全相关性达到并行工程的目的。（4）装配管理Pro/E 能够让用户使用配合、插入、对齐、相切等直觉式指令，轻松装配零部件，达到设计目的。而高级的功能 则支持大型复杂部件的创建与管理，并且零件数目不受限制。（5）工程数据库再利用工程数据再利用就是为了达到大幅度提高生产力、降低成本的目的，而以标准、公认的
23、设计作为新产品设计的基础，它能够让用户快速开发整个产品系列。（6）易用性Pro/E 独有的自动导引菜单为用户提供使用方便的 选项，也可以预先选定最常用的功能。此外，系统还提供简短的功能菜单说明，以及完整的在线帮助。这些都使得 Pro/E 具有非常好的易用性。2.2.1 Pro/E 的三维模型创建功能 特征造型是几何造型技术的发展,它对诸如零件形状、尺寸、工艺、功能等相关信息的综合描述更直观和更具工程含义。基于特征的造型系统一般先将大量的标准特征或用户自定义特征存入数据库,在设计阶段调用特征库中的特征作为基本造型单元进行建模,再逐步输入几何信息、工艺信息,建立零件的特征数据模型,并将其存入数据库。基于特征的造型方法大大地提高了设计效率和质量,同时在设计过程中设计人员可方便地进行特征的合法性、相关性检查,便于组织复杂的特征。特征建模过程实际上是一系列特征的累加过程。在三维建模中主要有以下 3 种特征: (1)实体特征 它是构建三 维模型的基本单元和主要设计对象。 实体特征可以是正空间特征(如 实体的突出部分),也可以是负空间特征(如实体上的孔、槽等)。在Pro/E 中,根据建模方式和原理的差异,把实体特征进 一步分为基础特征和工程特征基础特征是三维模型设计的起点,包括拉伸特征、旋转特征、扫描特征和混合特征等。
