基于PROE的健身器材滑步機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真.doc

摘要健騎機(jī)是一種作用于腿部及胸部肌群的健身器材。本文首先介紹了健身器材的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上指出當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題。其次，在研究分析滑步機(jī)的組成及其零件間相互關(guān)系的條件下，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，在Pro/Engineer環(huán)境下對(duì)所要研究的滑步機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模和運(yùn)動(dòng)仿真，得出在傳統(tǒng)條件下不能得到的數(shù)據(jù)資料，從而更好的去確定其機(jī)構(gòu)和其他的相關(guān)數(shù)據(jù)，為滑步機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，使之真正起到應(yīng)有的鍛煉作用。關(guān)鍵詞：滑步機(jī)，Pro/Engineer，建模ModelingandSimulationofSlidingEquipmentforFitnessBasedonPro/EAbstractRiderMachineroleisalegandchestmusclesinthefitnessequipment，firstofall，Thisarticleintroducestheresearchaboutit，thenpointoutsomeproblemsincurrentresearchbasedonthat。thesecond，Riderintheanalysisofthecompositionofmachinesandtheirinter-relationshipbetweenpartsoftheconditions，withmoderndesignmethodsofthemechanicalstructure,InPro/Engineerenvironmentforthestudyoftheslidingmachinemodelingandmotionsimulation，Obtainedthedatasthatundertheconditionsintraditionalcannotbe，Andthusdefineitsagenciesandotherrelevantdatainabettermethod，F(xiàn)ortheslidingmachinelaythefoundationforoptimaldesign，Sothattheexerciseshouldbearealroletoplay。Keywords:SlidingEquipment,Pro/Engineer,M目錄1緒論.11.1健身器材的研究現(xiàn)狀.11.1.1健身器材的發(fā)展與品牌.11.1.2健身器材的分類(lèi)與功能.11.2課題背景及研究意義.21.3當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題.31.4本課題研究的必要性.42Pro/E功能介紹.52.1引言.52.2Pro/E簡(jiǎn)介.52.2.1Pro/E的三維模型創(chuàng)建功能.62.2.2Pro/E建模的一般過(guò)程.72.2.3利用族表實(shí)現(xiàn)零件系列化設(shè)計(jì).72.3Pro/E的特點(diǎn)及產(chǎn)品外觀造型設(shè)計(jì).83滑步機(jī)的建模與分析.103.1滑步機(jī)的組成及內(nèi)在聯(lián)系.103.2典型零件建模.123.3零件裝配.144仿真.154.1仿真介紹.154.2干涉檢驗(yàn).154.3運(yùn)動(dòng)分析.165結(jié)論.16致謝.17參考文獻(xiàn).181緒論1.1健身器材的研究現(xiàn)狀1.1.1健身器材的發(fā)展與品牌健身器材工業(yè)起源于20世紀(jì)70年代初的美國(guó)及加拿大，所以美國(guó)及加拿大的健身設(shè)備廠是歷史最悠久的廠商，他們經(jīng)歷了健身器材工業(yè)的低谷與高峰，經(jīng)歷了健身器材的誕生與發(fā)展過(guò)程，所以說(shuō)美國(guó)及加拿大的健身器材是技術(shù)最優(yōu)秀的最專(zhuān)業(yè)的產(chǎn)品,經(jīng)過(guò)30年的工業(yè)創(chuàng)新，使得美國(guó)及加拿大的產(chǎn)品成為全球健身器材產(chǎn)品的全球領(lǐng)跑者。包括有氧的Lifefitness,Precor,Stairmaster,Schwinn,ConceptII,Bodyguard,力量設(shè)備Cybex,Nautilus,Vectra從以上品牌開(kāi)始，美洲大地開(kāi)始了健身器材工業(yè)化。人們意識(shí)到了健身器材工業(yè)是一個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，而且越來(lái)越為廣大使用者接受。之后美國(guó)出現(xiàn)了眾多廠商眾多品牌的工業(yè)化生產(chǎn)，包括目前“StarTrac,Keys,Scifit,Trimline,Quinton,Hummer,Trotter”等等品牌，而且每個(gè)廠家都看到了這一市場(chǎng)的巨大，同樣70年代中葉在英國(guó)意大利有一批生產(chǎn)商開(kāi)始效仿美國(guó)及加拿大的產(chǎn)品，于是在歐洲便誕生了第一批健身器材生產(chǎn)商3B,Keiser,Powersport,Powerjog,Gym80,Epic,Technogym,Oxide,Freemotion開(kāi)始了歐洲健身器材品牌的發(fā)展。接下去在70年代末80年代初的臺(tái)灣SportSart，True,Johnson（后為中國(guó)產(chǎn)）,MagTonic,Pluse開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，其中的許多廠商因?yàn)闉槊绹?guó)及英國(guó)廠商進(jìn)行合作生產(chǎn)配件，隨后發(fā)展為自創(chuàng)品牌或貼牌生產(chǎn)（使用美，英產(chǎn)品商標(biāo)，在臺(tái)灣進(jìn)行生產(chǎn)），之后日本的Cateyes，造型過(guò)于粗糙，而在全球范圍銷(xiāo)售不成功成為一個(gè)反面教材,但90年代中葉的韓國(guó)發(fā)揮了電子行業(yè)上的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始電跑生產(chǎn)“WaTa,Lucksport,Kaesun,JACO”等都產(chǎn)生于那時(shí)。而在電跑制造上，我國(guó)直到90年代末才出現(xiàn)了國(guó)內(nèi)的萬(wàn)年青，英派斯，匯祥，喬山等品牌，這是中國(guó)健身器材工業(yè)的真正開(kāi)始。1.1.2健身器材的分類(lèi)與功能現(xiàn)代健身器材已有上百個(gè)品種。雖然目前尚無(wú)統(tǒng)一的分類(lèi)，但以阻力器件來(lái)分有重塊、磁電、液壓、氣壓、自身體重等幾種。重塊型是常用的一種阻力器，它的主要特點(diǎn)是堅(jiān)固耐用、調(diào)節(jié)阻力大小較方便，但使用時(shí)發(fā)出的噪聲較大。磁電式阻力器，可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，使用時(shí)噪聲較小，但控制系統(tǒng)較復(fù)雜。液壓阻力器，體積小、噪聲小，阻力大小可作一定調(diào)節(jié)，但制作加工要求較高，不然易漏油，影響使用。氣壓阻力器，可作無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，增、減阻力非常方便，噪聲小，但需有配套的空壓機(jī)及管道，家用健身器材中很少使用。用自身體重作為阻力，通過(guò)杠桿支點(diǎn)調(diào)節(jié)，可改變鍛煉時(shí)的阻力，這是一種新穎的設(shè)計(jì)，它使器械構(gòu)造顯得非常緊湊、簡(jiǎn)潔。健身器材又常以訓(xùn)練功能多少來(lái)分為單功能和綜合型多功能兩大類(lèi)。單功能器械，常見(jiàn)的有劃船器、健美車(chē)、健步機(jī)、跑步機(jī)、美腰機(jī)等。它們的主要功能是：劃船器：主要用來(lái)增強(qiáng)手臂力量及動(dòng)作協(xié)調(diào)。健美車(chē)：鍛煉時(shí)，象騎自行車(chē)一樣，主要用來(lái)增強(qiáng)腿部力量，增強(qiáng)心血管功能。健步車(chē)：主要用以鍛煉腿、腰、腹部肌肉及心肺功能。跑步機(jī)：主要用以鍛煉腿、臀、腰、腹部肌肉及心肺功能。美腰機(jī)：可對(duì)腰部、背部作放松按摩。綜合型多功能器：一般都包括擴(kuò)胸器、引體向上、仰臥推舉、仰臥起坐等器械的功能。擴(kuò)胸器、引體向上、仰臥推舉，主要是用來(lái)鍛煉上肢力量及胸大肌力量；仰臥起坐，主要用來(lái)鍛煉腰肌群，減少腰腹部多余脂肪。我國(guó)健身器材行業(yè)盡管內(nèi)外銷(xiāo)市場(chǎng)趨旺，但在國(guó)際市場(chǎng)缺乏知名品牌卻是一個(gè)不得不面對(duì)的事實(shí)。目前，我國(guó)出口的健身器材產(chǎn)品基本上是以“委托加工”和“貼牌生產(chǎn)”的方式進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，產(chǎn)品附加值較低。同時(shí)，與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)不少生產(chǎn)企業(yè)還處在仿制生產(chǎn)階段，產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新能力不足，從而導(dǎo)致的健身器材起不到較好的鍛煉作用，白白浪費(fèi)資源。因此我們要不斷創(chuàng)新，不斷優(yōu)化產(chǎn)品，使得健身器材起到其真正的作用。1.2課題背景及研究意義中國(guó)自從80年代開(kāi)始，確立改革開(kāi)放的路線，由于龐大內(nèi)需市場(chǎng)（近14億人口）與相對(duì)廉價(jià)的人工、土地、廠房等有利因素的吸引，使得先進(jìn)國(guó)家紛紛將各種成熟產(chǎn)品，轉(zhuǎn)移至中國(guó)生產(chǎn)。而在中國(guó)成為“世界工廠”的初期，雖然許多世界五百?gòu)?qiáng)的企業(yè)均已在中國(guó)設(shè)廠制造產(chǎn)品，可是不容諱言，這些企業(yè)并未將所謂的“核心技術(shù)”引進(jìn)中國(guó)。充其量，只是將中國(guó)視為一個(gè)“組裝工廠”，將半成品自國(guó)外進(jìn)口，在中國(guó)組裝完成后，再行銷(xiāo)售。其主要目的，是要占有龐大的中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，以尋求企業(yè)的最大利益為宗旨，而非以建立中國(guó)自主的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)為目標(biāo)。在我國(guó),雖然很久以前就提出“甩圖板”的口號(hào),但至今計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的普及程度仍然很低,發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)械企業(yè)CAD技術(shù)的普及率接近100,而我國(guó)還不到30。目前國(guó)內(nèi)用于機(jī)械CAD的微機(jī)臺(tái)數(shù)超過(guò)50萬(wàn)臺(tái),企業(yè)中還有相當(dāng)一部分在圖板上進(jìn)行手工繪圖設(shè)計(jì)；用微機(jī)開(kāi)展CAD工作的企業(yè)中,絕大多數(shù)使用的是初級(jí)平臺(tái)的國(guó)內(nèi)外軟件,實(shí)用性不高。因此,國(guó)內(nèi)CAD的應(yīng)用還處于低水平,這相對(duì)于硬件投資、人力投入來(lái)講無(wú)疑是一個(gè)巨大的浪費(fèi)。根據(jù)世界經(jīng)濟(jì)黃皮書(shū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)字,我國(guó)機(jī)械工業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)品達(dá)到90年代國(guó)際水平的僅占30；我國(guó)制造業(yè)的新產(chǎn)品貢獻(xiàn)率僅為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的11（2002年）,而美國(guó)在1995年就已達(dá)到52；美國(guó)、西歐各國(guó)及日本機(jī)械工業(yè)企業(yè)的專(zhuān)業(yè)化水平為7595,而中國(guó)僅為1530。因此從技術(shù)層面上來(lái)講，加速推進(jìn)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)將是解決制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。1.3當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題多體系統(tǒng)是對(duì)實(shí)際工程研究對(duì)象的高度概括,如航天飛機(jī)、車(chē)輛、機(jī)器人以及各種機(jī)械設(shè)備等,都屬于多體系統(tǒng)的研究范疇。柔性多體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力多體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性。并且,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)大都研究的是單一柔體的振動(dòng)理論,即使是由多個(gè)桿件鉸接而成的桁架結(jié)構(gòu),其建模方法也只是描述外力作用下,系統(tǒng)的振動(dòng)特性,無(wú)法表述振動(dòng)是如何將速度、加速度以及力內(nèi)力和外力通過(guò)各種鉸鏈進(jìn)行傳遞的。如果將多體系統(tǒng)各種組成鉸鏈拆開(kāi)后建立動(dòng)力學(xué)模型,其計(jì)算量為為多體系統(tǒng)中連接體的數(shù)量,這樣就使柔性多體系統(tǒng)研究無(wú)法深入。因此,研究多體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模方法是必要的。近年來(lái),柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)展,而在多體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究中,有關(guān)的科學(xué)文獻(xiàn),技術(shù)資料卻較為鮮見(jiàn)。絕大多數(shù)是關(guān)于多自由度系統(tǒng)振動(dòng)分析、局部模態(tài)分析方法的研究。多自由度系統(tǒng)振動(dòng)分析是建立在Newton-Euler2矢量力學(xué)和分析力學(xué)基礎(chǔ)之上的,和LagrangeKane利用廣義速率代替廣義坐標(biāo)作為獨(dú)立Levinson變量來(lái)描述樹(shù)形柔性多系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng),直接利dAlembert原理建立偽坐標(biāo)形式的動(dòng)力dAlembertLagrange學(xué)方程。在此方程組中含有多個(gè)乘子,以Lagrange滿足系統(tǒng)的約束條件和方程求解條件。為了研究更復(fù)雜的多體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,許多學(xué)者提出了多體系統(tǒng)離散化方法,即用變形場(chǎng)的理論描述多體鏈上每一個(gè)柔性體的變形狀態(tài)。離散化方法主要有兩方面的研究:1單一柔性體的有限元分析方法；2模態(tài)分析方法。早在20世紀(jì)60年代,就Hurty提出了模態(tài)方法,和CraigBamptonBenfieldHru2329在模態(tài)選擇方面進(jìn)行了深入的研究,以提高da柔性體模態(tài)的收斂性。在模態(tài)分析的同時(shí),Sha210212、和等人對(duì)有限元在多banaMeirovitchKwak體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的運(yùn)用作了深入廣泛的研究,提出了具體的形函數(shù)選擇方法。這些方法分別從不同方面提高了柔性多體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的建模精度和計(jì)算效率。但是,由于這些研究只是針對(duì)某個(gè)具體柔性體進(jìn)行的研究和建模,不能描述柔性多體系統(tǒng)內(nèi)在的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性,只能在一定程度上提高計(jì)算效率和計(jì)算關(guān)于多自由度系統(tǒng)振動(dòng)分析、局部模態(tài)分析方法精度,很難在計(jì)算效率和計(jì)算精度上突破,僅僅靠提高計(jì)算機(jī)的計(jì)算量運(yùn)算速率,也無(wú)法從根本上解決計(jì)算效率問(wèn)題。20世紀(jì)90年代,美國(guó)科學(xué)家.和NASAGRodriguez.開(kāi)發(fā)了柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)算子代數(shù),AJain該算子代數(shù)建立在動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上,采用Lagrange遞推算法分別對(duì)柔性多體系統(tǒng)速度、加速度、廣義力以及廣義質(zhì)量進(jìn)行遞推運(yùn)算。避免了速度、加速度、廣義力等物理量的交叉運(yùn)算,將運(yùn)算量由原來(lái)的降低到。更重要的是,沿多體鏈的遞推過(guò)程,完整地描述了動(dòng)力學(xué)特性是如何通過(guò)鉸鏈傳遞的,并形成柔性多體系統(tǒng)的外在表現(xiàn)。本文把該算子代數(shù)引入多體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究,并把它同有限元分析和模態(tài)分析法結(jié)合起來(lái),為從整體上建立新的多體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析模型和解決結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中計(jì)算效率問(wèn)題提供有效的途徑。1.4本課題研究的必要性國(guó)家科學(xué)技術(shù)部在“十五”期間將“CAD應(yīng)用工程技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用示范”作為重中之重項(xiàng)目，在全國(guó)范圍內(nèi)推廣普及應(yīng)用CAD技術(shù)，取得了豐碩成果。三維CAD建模技術(shù)取得一定成績(jī)，三維造型設(shè)計(jì)已有少量應(yīng)用。快速成型技術(shù)（RP）是近幾年來(lái)發(fā)展的新的先進(jìn)制造技術(shù)，我國(guó)對(duì)分層實(shí)體制造LOM，立體印刷SLA、選擇性激光燒結(jié)SLS、熔化沉積制造FDM等工藝方法開(kāi)展了