基于PROE的健身器材滑步机的运动仿真

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/E

Abstract

Rider 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 between 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 relevant 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 .......................................................................................................................................................... 1 1.1健身器材的研究现状 ............................................................................................... 1 1.1.1 健身器材的发展与品牌 .................................................................................... 1 1.1.2 健身器材的分类与功能 .................................................................................... 1 1.2 课题背景及研究意义 ........................................................................................... 2 1.3当前研究中存在的问题 ........................................................................................ 3 1.4 本课题研究的必要性 ........................................................................................... 4 2 Pro/E功能介绍 ................................................................................................................................... 5 2.1 引言 ............................................................. 5 2.2 Pro/E简介 ........................................................ 5 2.2.1 Pro/E的三维模型创建功能 ....................................... 6 2.2.2 Pro/E建模的一般过程 ........................................... 7 2.2.3 利用族表实现零件系列化设计 .................................... 7 2.3 Pro/E的特点及产品外观造型设计 .................................... 8 3 滑步机的建模与分析 ....................................................................................................................... 10 3.1滑步机的组成及内在联系 .......................................... 10 3.2 典型零件建模 .................................................... 12 3.3 零件装配 ........................................................ 14 4仿真 ......................................................................................................................................................... 15 4.1 仿真介绍 ........................................................ 15 4.2 干涉检验 ........................................................ 15 4.3 运动分析 ........................................................ 16 5 结论 ........................................................................................................................................................ 16 致谢 ............................................................................................................................. 错误！未定义书签。 参考文献 ................................................................................................................................................... 18

1 错误！未找到引用源。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，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75％～95％,而中国仅为15％～30％。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。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

的是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75％～95％,而中国仅为15％～30％。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。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

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