張麗珍 曹小龍 孫 濤

上海海洋大學(xué)工程學(xué)院 上海 201306

☆現(xiàn)代教育技術(shù)與裝備☆

基于Pro/E的液壓系統(tǒng)的動(dòng)畫制作

張麗珍 曹小龍 孫 濤

上海海洋大學(xué)工程學(xué)院 上海 201306

制作動(dòng)畫進(jìn)行演示是提高課堂教學(xué)質(zhì)量普遍采用的方法，液壓系統(tǒng)或元件由于存在油液的流動(dòng)，在通用的三維設(shè)計(jì)軟件中制作動(dòng)畫有一定的困難。利用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E建模并制作出液壓系統(tǒng)工作原理動(dòng)畫，以機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)和電液換向閥為例，詳細(xì)介紹了分別使用該軟件的動(dòng)畫環(huán)境和機(jī)構(gòu)環(huán)境制作液壓油液動(dòng)畫的方法。

動(dòng)畫制作；液壓系統(tǒng)；Pro/E

液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)工作過程抽象，在教科書中，多數(shù)液壓元件及系統(tǒng)回路的結(jié)構(gòu)與工作原理均是用文字和一些簡單的圖形符號(hào)來描述，在學(xué)習(xí)過程中學(xué)生很難理解。因此將元件的動(dòng)作、系統(tǒng)的回路從靜止不動(dòng)的圖形符號(hào)變成形象的動(dòng)畫，并運(yùn)用到液壓與氣壓課程教學(xué)中，可將靜止、抽象的內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦?dòng)、形象的知識(shí)，加深學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解與掌握，降低理解難度，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。液壓傳動(dòng)中為了清楚介紹系統(tǒng)或元件的工作原理，油液的流動(dòng)情況必不可少。由于無法直接定義液體屬性，所以用三維設(shè)計(jì)軟件仿真液體的流動(dòng)效果有一定的難度。

在Pro/E中，有兩種環(huán)境可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的工作動(dòng)畫仿真，一是機(jī)構(gòu)環(huán)境，二是動(dòng)畫環(huán)境[1]。兩者區(qū)別非常大，在機(jī)構(gòu)環(huán)境中可以有動(dòng)態(tài)的彈簧，而在動(dòng)畫環(huán)境中沒有彈簧的動(dòng)態(tài)演示。在哪一個(gè)環(huán)境中制作仿真動(dòng)畫要根據(jù)不同的機(jī)構(gòu)情況來判斷，并且在不同的環(huán)境下制作流體動(dòng)畫需要不同的方法。筆者以機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)和電液換向閥為例，介紹如何在Pro/E軟件的機(jī)構(gòu)環(huán)境和動(dòng)畫環(huán)境中制作液壓元件或系統(tǒng)的動(dòng)畫，為液壓系統(tǒng)的動(dòng)畫制作提供一種新方法。

1 動(dòng)畫環(huán)境中制作動(dòng)畫

在Pro/E軟件的動(dòng)畫環(huán)境下制作機(jī)構(gòu)仿真是一個(gè)比較傳統(tǒng)的方法，以機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)為例來講述制作的方法及過程。

1.1 機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)的工作過程

機(jī)床工作臺(tái)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)(如圖1所示)在《液壓與氣壓傳動(dòng)》教材中一般都出現(xiàn)在緒論中[2]，用來講述液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成，它由油箱1、過濾器2、液壓泵3、溢流閥4、換向閥5、節(jié)流閥6、換向閥7和液壓缸8等組成，在引出液壓系統(tǒng)的組成前，先要給學(xué)生講清楚它的工作過程。工作臺(tái)9的前進(jìn)或后退由換向閥7所處的不同工作位置(左位或右位)決定，工作位置的切換由控制手柄控制，為了說明不同的工作位置，書上用2張圖來表達(dá)換向閥的工作狀態(tài)，由于無法表述液壓油液的流動(dòng)情況，上課時(shí)學(xué)生理解起來比較吃力。所以要制作出各換向閥處于不同工作狀態(tài)時(shí)油液的流動(dòng)情況，還要能反映出管路中油液是高壓還是低壓。

圖1 機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)

1.2 動(dòng)畫制作過程

此系統(tǒng)的動(dòng)畫過程主要是反映出油液的流動(dòng)過程、換向閥閥芯的移動(dòng)、液壓缸的移動(dòng)及工作臺(tái)的前進(jìn)和后退，換向閥閥芯、液壓缸和工作臺(tái)的移動(dòng)制作用一般方法即可，關(guān)鍵是液壓油液的流動(dòng)效果制作。油液流動(dòng)效果的基本制作思路是：用顯色板來表示液壓油液，顯色板就是形狀與相應(yīng)管道截面尺寸相同的薄板。顯色板分為紅色和綠色兩種，紅色表示高壓液壓油，綠色表示低壓液壓油。在液壓工作臺(tái)的三維模型建立起來后，將這些形狀不同的顯色板裝配到對(duì)應(yīng)的管道內(nèi)部。

將環(huán)境設(shè)置到動(dòng)畫模式下，在制作動(dòng)畫時(shí)，主要用到定時(shí)透明命令。定時(shí)透明命令由2個(gè)參數(shù)來定義，即時(shí)間和透明度。當(dāng)把透明度設(shè)為100時(shí)，對(duì)象不顯示；當(dāng)透明度設(shè)為0時(shí)，對(duì)象顯示。

假設(shè)液壓泵在0s開啟，液壓油經(jīng)過1s到達(dá)液壓泵，則油箱與液壓泵之間的管道在1s時(shí)應(yīng)該充滿低壓液壓油，即在1s時(shí)此段管道內(nèi)的綠色顯色板顯示，定義管道內(nèi)顯色板透明度為0，時(shí)間為1s；液壓泵出來的是高壓油，以1s作為時(shí)間單位，那么在2s時(shí)，液壓泵和換向閥5之間的管道內(nèi)充滿高壓油，此時(shí)此段管道內(nèi)的紅色顯色板顯示，定義此顯色板透明度為0，時(shí)間為2s。

以相同的方法分別定義換向閥5的容腔、換向閥5和節(jié)流閥6之間管道、節(jié)流閥6和換向閥7之間管道、換向閥7的容腔、換向閥7和液壓缸8之間的管道以及液壓缸內(nèi)的顯色板，再定義運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)此段時(shí)間內(nèi)液壓油的流動(dòng)效果。

當(dāng)高壓液壓油到達(dá)液壓缸8的左腔時(shí)，推動(dòng)工作臺(tái)9向右移動(dòng)。此時(shí)液壓缸左腔充滿高壓油，右腔回油，充滿低壓油。由于工作臺(tái)要以一定的速度運(yùn)動(dòng)到最右端，因此，顯色板的變化要和工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)相匹配，即當(dāng)工作臺(tái)向右移動(dòng)距離L時(shí)，左腔紅色“前進(jìn)”L，右腔綠色“倒退”L。在這種情況下，需要將顯色板進(jìn)行“分割”，如工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度為1mm/s，方向向右，則此時(shí)顯色板寬度設(shè)為1mm，若工作臺(tái)在10s時(shí)開始向右運(yùn)動(dòng)，則在11s時(shí)其向右運(yùn)動(dòng)的距離為1mm，此時(shí)定義液壓缸左腔相應(yīng)的一塊紅色顯色板透明度為0，顯示時(shí)間為10s, 定義液壓缸右腔的相應(yīng)的綠色顯色板透明度為100，時(shí)間為10s，這樣左腔高壓液壓油前進(jìn)1mm，活塞和工作臺(tái)前進(jìn)1mm，并且右腔的綠色液壓油后退1mm，即表示了液壓工作臺(tái)在高壓油的作用下向右移動(dòng)。

以此類推，理論上當(dāng)在t(s)時(shí)，某段管道內(nèi)液壓油為高壓或低壓，則定義此段顯色板透明度為0，時(shí)間為(t-1)s，此時(shí)該處的顯色板顯示，顏色根據(jù)油壓的高低決定。

由于液壓工作臺(tái)的動(dòng)作是往復(fù)的，因此在同一位置不同時(shí)刻的液壓油的壓力大小會(huì)有所不同。以液壓缸8為例，當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓缸右腔中由于回油是低壓液壓油，當(dāng)活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓缸右腔中為高壓液壓油，需要雙顯色板，即在同一位置裝配兩個(gè)顯色板，分別為紅色顯色板和綠色顯色板。當(dāng)液壓缸內(nèi)為低壓油時(shí)，定義缸內(nèi)綠色顯色板為顯示，紅色顯色板不顯示；當(dāng)缸內(nèi)為高壓油時(shí)，定義紅色顯色板為顯示，綠色顯色板不顯示，這樣就可以表示同一位置不同時(shí)刻液壓油壓力的高低。

所以，只要將顯色板裝配好，定時(shí)透明的時(shí)間與機(jī)構(gòu)相應(yīng)元件運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相匹配，透明度與液壓油壓力的變化相吻合，就可以做出液壓油液流動(dòng)的動(dòng)畫效果。在此過程中要注意的是，劃分的長方形越多則油液運(yùn)動(dòng)就越形象。當(dāng)然，長方形越多則裝配越麻煩，定義透明也越復(fù)雜。

2 機(jī)構(gòu)環(huán)境下制作動(dòng)畫

在動(dòng)畫環(huán)境下制作機(jī)構(gòu)仿真是一個(gè)比較傳統(tǒng)的方法，但它有局限性，如不能添加虛擬彈簧，像電液換向閥這種彈簧作用較突出的閥體的工作原理動(dòng)畫就無法完成。在這種情況下，在機(jī)構(gòu)環(huán)境中制作動(dòng)畫比較合適，下面以三位四通電液換向閥的動(dòng)畫制作為例來介紹。

2.1 電液換向閥簡介

圖2所示為彈簧對(duì)中型三位四通電液換向閥的結(jié)構(gòu)，它由上邊的電磁先導(dǎo)閥和下面的液動(dòng)主閥組成，主閥芯右移或左移由電磁先導(dǎo)閥的工作狀態(tài)(閥口的通斷情況)來決定，當(dāng)電磁先導(dǎo)閥左邊的電磁鐵通電后，其閥芯向右運(yùn)動(dòng)，從而使壓力油通過管道及左邊單向閥進(jìn)入主閥左端空腔，推動(dòng)主閥芯向右運(yùn)動(dòng)，使主閥的P和A通、B和T通。反之當(dāng)電磁先導(dǎo)閥右邊的電磁鐵通電后，主閥芯向左運(yùn)動(dòng)，使主閥的P和B通、A和T通。電磁先導(dǎo)閥兩端和主閥兩端都設(shè)有彈簧用于對(duì)中，兩側(cè)單向閥各有1個(gè)復(fù)位彈簧，所以此閥共有6個(gè)彈簧，在此閥的工作過程中需要體現(xiàn)出這6個(gè)彈簧的動(dòng)作，所以在機(jī)構(gòu)環(huán)境中制作動(dòng)畫。

圖2 電液換向閥結(jié)構(gòu)簡圖(中位)

2.2 動(dòng)畫制作方法

在制作電液換向閥的動(dòng)畫時(shí)，將軟件環(huán)境切換到機(jī)構(gòu)下進(jìn)行。同液壓工作臺(tái)一樣，用紅色顯色板與綠色顯色板分別表示高壓和低壓液壓油，且形狀與管道的截面相同。與機(jī)床液壓工作臺(tái)不同的是，電液換向閥顯色板的顯示與隱藏是由電動(dòng)機(jī)來控制的。定義電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)有運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度。基本原理是，在初始狀態(tài)顯色板不顯示，當(dāng)該處油壓變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，使相應(yīng)的顯色板運(yùn)動(dòng)到可以看到的位置，這樣顯色板就可以顯示出來，表示此處油液壓力的變化。

具體制作方法以電液換向閥左位工作的動(dòng)畫過程為例來講述。當(dāng)先導(dǎo)閥左邊的電磁鐵通電后，先導(dǎo)閥閥芯向右移動(dòng)，來自主閥P口的控制壓力油(高壓油)經(jīng)電磁先導(dǎo)閥的A1口和左單向閥進(jìn)入主閥左端的容腔，并推動(dòng)主閥閥芯向右移動(dòng)，此時(shí)，油液經(jīng)過的管道內(nèi)油液由低壓油變?yōu)楦邏河?，即綠色變?yōu)榧t色。要實(shí)現(xiàn)這一變化過程，需在此段管道內(nèi)裝配兩種顯色板，綠色顯色板裝配在可以看到的位置，紅色顯色板裝配在距離綠色顯色板2 000mm的位置。在運(yùn)動(dòng)前此段管道顯示為綠色，看不到紅色顯色板，在紅色顯色板上定義電動(dòng)機(jī)，速度為2 000mm/s，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間為1s，這樣，當(dāng)在t(s)時(shí)，此段管道內(nèi)油壓由低壓油變?yōu)楦邏河?，則電動(dòng)機(jī)在(t-1)s開始啟動(dòng)，運(yùn)行1s后，紅色顯色板移動(dòng)到可以看到的位置并覆蓋原來的綠色顯色板，此時(shí)此段管道內(nèi)顯示為紅色，即表示液壓油壓力由低壓變?yōu)楦邏骸?/p>

當(dāng)主閥芯運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，使主閥P與A，B和T的油路相通，此時(shí)右端容腔中的控制液壓油(低壓油)可通過右邊的節(jié)流閥經(jīng)電磁先導(dǎo)閥的B1口和T1口，再從主閥的T口或外接油口流回油箱(主閥芯的移動(dòng)速度可由右邊的節(jié)流閥調(diào)節(jié))，此過程液壓油油壓不變化。最后將這一過程導(dǎo)出，電液換向閥的工作動(dòng)畫即可完成了。

3 結(jié)束語

由于Pro/E軟件不能模擬液體流動(dòng)的效果，所以就需要用已有的功能去代替它。筆者利用動(dòng)畫環(huán)境和機(jī)構(gòu)環(huán)境分別完成了液壓工作臺(tái)液壓系統(tǒng)和電液換向閥的三維建模和工作動(dòng)畫制作，仿真了液壓油液的流動(dòng)效果。當(dāng)然，隨著科技的進(jìn)步以及軟件本身功能的不斷改進(jìn)和完善，相信在不久的將來，肯定能更加方便和形象地模擬液體的流動(dòng)，這也將給從事液壓工作的人員帶來方便。

[1] 邱會(huì)朋,杜貴明.Pro/E產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與實(shí)例精解[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[2] 左健民.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

Animation of hydraulic system based on Pro/E

Zhang Lizhen, Cao Xiaolong, Sun Tao
Shanghai ocean university, Shanghai, 201306, China

Animation is a general method to improve the teaching quality in class, there are certain diff culties in animating hydraulic system or components using common 3D design softwares because of the f owing of hydraulic liquid. Hydraulic systems are modeled and their working principles are animated using Pro/E software in this paper. Taking the hydraulic system of the workbench and the electrohydraulic reversing valve as examples, the animating methods of hydraulic liquid are introduced detail in animating enviroment and mechanism environment of Pro/E software respectively.

animation; hydraulic system; Pro/E

2011-08-09

張麗珍，博士，教授，系主任。曹小龍，碩士。孫濤，碩士，工程師。

上海海洋大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目。