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健骑机虚拟样机的建立与仿真分析

2020/12/2    作者:未知    来源:网络文摘    阅读:17


摘要

健骑机是一种作用于腿部及胸部肌群,可使全身80%的肌肉和关节同时参加运动的一种不可多得的健身器材。本文以学院东操场边的健骑机实物为参考,在研究分析健骑机的组成和各零件间的相互关系的基础上,测量其各零件的数据。首先利用Pro/E建模功能对各零件进行建模;然后利用Pro/E的装配模块,通过定义“驱动”,完成了快速成型机的运动仿真,并在此基础上进行干涉分析,经过干涉分析找出问题,再回到三维模型中去完善模型,最终生成满足设计要求的健骑机模型,为其结构动态优化设计提供参考。

关键词:健骑机,Pro/E,建模

Abstract

Cycling equipment acting on the leg and chest muscle, is a rare equipment that enable 80% of the whole body’s muscles and joints to move at the same time. In this paper, study on the composition of the cycling equipment parts and analysis of the specific relationship between the various parts have been carried out according to the cycling equipment at the east of the college's playground; the data of its every part measured as well. First of all , the paper has builded the model using Pro/E modeling capabilities. Then, through defining the ’driver’ and using the Pro/E assembly module software, it has completed the motion simulation. On the basis of interference analysis, the problems were identified and  the model was improved. Finally, the paper has developed a model which can meet the design requirement and make a reference for its optimal dynamic design.

Key words: Cycling Equipment, Pro/Engineer, Modeling


1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

随着人们生活水平的不断提高和科学技术的快速发展,地球人的健身意识越来越强,进行户外运动和室内健身已经成为人们日常生活中必不可少的一个内容。众所周知,各种各样的健身器材落户于操场边上的开阔地、健身房甚至普通人家。这一方面缓解了有限的运动场地与大家爱好健身之间的矛盾,另一方面,室内健身也克服了刮风下雨天人们锻炼身体的不便,而且,也为早出晚归的辛勤工作者创造了良好条件。

我国健身器材行业起步较晚,以依靠技术引进和技术模仿为主,产品研发和创新能力不足。在设计手段上,国内企业以静态经验设计为主,缺少产品在工作状态的动态模拟和分析。这些因素使得国内健身器材行业在国际市场上缺乏核心竞争力,大部分企业的产品属于中低端产品,缺乏知名品牌,产品附加值较低。因此,研究健骑机的结构特点、建模方法,采用现代设计方法或手段建立其参数化模型,并进行仿真分析,从而为健身器材结构动态优化设计提供指导方法,这对于提高我国自主研发健身器材创新型产品的能力,提高企业在全球市场上的竞争力,特别是实现从价格竞争到技术竞争的转变,意义深远。

1.2 健身器材的研究现状

1.1.1 健身器材的发展与品牌化

健身器材工业起源于20世纪70年代初的美国及加拿大,两国的健身设备厂是历史最悠久的制造厂商。他们经历了健身器材的诞生与成长过程,也见证了健身器材工业发展的低谷与高峰。可以说,美国及加拿大的健身器材的专业设计与制造技术一流,产品性能良好,颇受用户好评。两国的健身设备厂商,在确保产品质量和性能的同时,在工业创新方面也投入了大量人力物力。经过30年的不懈努力,美国及加拿大生产厂商成为全球健身器材行业的全球领跑者。

健身器材品种繁多。其中,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。人们逐渐意识到健身器材工业是一个朝阳产业,而且越来越为广大消费者接受。之后,美国出现了众多健身器材厂商,众多品牌的工业化生产,包括目前的“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远大发展前景。同样地,70年代中叶,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历程。

再者,在70年代末、80年代初,台湾“SportSart,True, Johnson (后为中国产), MagTonic , Pluse…… ”开始进军该领域。其中的许多厂商因为与美国及英国厂商合作生产健身器材配件,随后发展到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,由于产品造型过于粗糙,因而在全球范围销售失败,并成为一个反面教材。但是,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…… ”等都产生于那个时代。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,这标志着中国健身器材工业的真正开始。

1.1.2 健身器材的分类与功能

健身器材按其应用来说,有以下几种分类:

功能型健身器。适宜中老年使用,以健身长寿为目的。身体健壮的,可选用跑步机、健身车和飞标等;身体欠佳的,可选用各种按摩器,目前市场上有一种神效摇摆健身机就特别适合这类人使用。

健美型健身器。适合女子使用,如三四磅重的小哑铃、收腹器、健身转盘、体操垫等小型用品,还有一些舒筋活血的小型磁疗机和按摩器等都可以起到健身减肥的效果。

休闲型健身器。上班族比较容易疲劳,可通过健身来醒脑提神,可选用登高器、健身车、划船器等。

成长型健身器。青少年的健身减肥更强调全面性、科学性,各种仰卧撑架、拉力器、哑铃、握力器等都适合青少年使用。

综合型健身器。家中备有一台多功能综合型健身器,集跑步、划船、骑车、登山为一体,男女老少皆宜。

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。

常见的单功能器械,有划船器、健美车、健步机、跑步机、美腰机等。它们的主要功能如下:

(1)划船器:主要用来增强手臂力量及动作协调。

(2)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。

(3)健步车:主要用以锻炼腿、腰、腹部肌肉及心肺功能。

(4)跑步机:主要用以锻炼腿、臀、腰、腹部肌肉及心肺功能。

(5)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,尽管内外销售市场趋旺,但在国际市场上缺乏知名品牌,这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阶段,产品研发和技术创新能力不足,由此导致健身器材性能不够完善,用之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强身健体作用。

1.3 现代机械设计方法概述

Pro/Engineer 是美国PTC公司的产品,于1988年问世。20余年来,Pro/Engineer经历多次改版,已成为全世界最普及的3D CAD/CAM系统的标准软件,广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航天、家电、玩具等行业。Pro/Engineer目前共有70多个专用模块,为用户提供了一套从设计到制造的完整的解决方案。由于其强大的功能,Pro/Engineer很快得到业内人士的普遍欢迎,并迅速成为当今世界最为流行的CAD/CAE/CAM软件之一。

Pro/Engineer于1993年正式进入我国,并在相关领域迅速普及。发展至今,已经拥有相当大的用户群,目前许多大型企业选用Pro/Engineer进行结构的计算机辅助设计。同时,国内许多大学也纷纷选用Pro/Engineer作为其研究开发的基础软件平台。可以说,Pro/Engineer为专业人士提供了一个理想的设计环境,有力地推动了企业的技术进步。

为进一步推动MDA的发展,PTC公司于20世纪末又成功推出Pro/Engineer 2001系列产品。在该系列产品中,PTC公司引入了新的建模技术,此技术现已成为Pro/Engineer的核心技术。另外,由于其个人电脑版本的推出和操作界面的完全视窗化,使初学者学习更为便利。

1.4 本文主要研究内容

本文通过调研健身器材的发展状况和机械结构的现代设计方法,确定以健骑机为主要研究对象,然后以学院东操场边的健骑机实物为参考,测量其各零件的数据,分析各个零件之间的连接状态,利用Pro/E建立其三维实体模型和虚拟样机,并进行仿真分析,从而为其结构动态优化设计提供参考。

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