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畢業設計

健騎機虛擬樣機的建立與仿真分析

時間:2020/12/2 21:36:29   作者:未知   來源:網絡文摘   閱讀:17   評論:0


摘要

健騎機是一種作用于腿部及胸部肌群,可使全身80%的肌肉和關節同時參加運動的一種不可多得的健身器材。本文以學院東操場邊的健騎機實物為參考,在研究分析健騎機的組成和各零件間的相互關系的基礎上,測量其各零件的數據。首先利用Pro/E建模功能對各零件進行建模;然后利用Pro/E的裝配模塊,通過定義“驅動”,完成了快速成型機的運動仿真,并在此基礎上進行干涉分析,經過干涉分析找出問題,再回到三維模型中去完善模型,最終生成滿足設計要求的健騎機模型,為其結構動態優化設計提供參考。

關鍵詞:健騎機,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 緒論

1.1 課題背景及研究意義

隨著人們生活水平的不斷提高和科學技術的快速發展,地球人的健身意識越來越強,進行戶外運動和室內健身已經成為人們日常生活中必不可少的一個內容。眾所周知,各種各樣的健身器材落戶于操場邊上的開闊地、健身房甚至普通人家。這一方面緩解了有限的運動場地與大家愛好健身之間的矛盾,另一方面,室內健身也克服了刮風下雨天人們鍛煉身體的不便,而且,也為早出晚歸的辛勤工作者創造了良好條件。

我國健身器材行業起步較晚,以依靠技術引進和技術模仿為主,產品研發和創新能力不足。在設計手段上,國內企業以靜態經驗設計為主,缺少產品在工作狀態的動態模擬和分析。這些因素使得國內健身器材行業在國際市場上缺乏核心競爭力,大部分企業的產品屬于中低端產品,缺乏知名品牌,產品附加值較低。因此,研究健騎機的結構特點、建模方法,采用現代設計方法或手段建立其參數化模型,并進行仿真分析,從而為健身器材結構動態優化設計提供指導方法,這對于提高我國自主研發健身器材創新型產品的能力,提高企業在全球市場上的競爭力,特別是實現從價格競爭到技術競爭的轉變,意義深遠。

1.2 健身器材的研究現狀

1.1.1 健身器材的發展與品牌化

健身器材工業起源于20世紀70年代初的美國及加拿大,兩國的健身設備廠是歷史最悠久的制造廠商。他們經歷了健身器材的誕生與成長過程,也見證了健身器材工業發展的低谷與高峰?梢哉f,美國及加拿大的健身器材的專業設計與制造技術一流,產品性能良好,頗受用戶好評。兩國的健身設備廠商,在確保產品質量和性能的同時,在工業創新方面也投入了大量人力物力。經過30年的不懈努力,美國及加拿大生產廠商成為全球健身器材行業的全球領跑者。

健身器材品種繁多。其中,包括有氧的“Lifefitness, Precor, Stairmaster, Schwinn, Concept II, Bodyguard”,力量設備“Cybex, Nautilus,Vectra”。從以上品牌開始,美洲大地開始了健身器材工業化。人們逐漸意識到健身器材工業是一個朝陽產業,而且越來越為廣大消費者接受。之后,美國出現了眾多健身器材廠商,眾多品牌的工業化生產,包括目前的“StarTrac, Keys, Scifit, Trimline, Quinton, Hummer ,Trotter……”等等品牌,而且每個廠家都看到了這一市場的遠大發展前景。同樣地,70年代中葉,英國﹑意大利有一批生產商開始效仿美國及加拿大的產品,于是,在歐洲便誕生了第一批健身器材生產商“3B,Keiser,Powersport,Powerjog,Gym80,Epic,Technogym,Oxide,Freemotion……” 開始了歐洲健身器材品牌的發展歷程。

再者,在70年代末、80年代初,臺灣“SportSart,True, Johnson (后為中國產), MagTonic , Pluse…… ”開始進軍該領域。其中的許多廠商因為與美國及英國廠商合作生產健身器材配件,隨后發展到自創品牌或貼牌生產(使用美、英產品商標,在臺灣進行生產)。之后,日本的Cateyes,由于產品造型過于粗糙,因而在全球范圍銷售失敗,并成為一個反面教材。但是,90年代中葉的韓國發揮了電子行業上的優勢,開始電跑生產,“WaTa, Lucksport, Kaesun, JACO…… ”等都產生于那個時代。而在電跑制造上,我國直到 90 年代末才出現了國內的“萬年青, 英派斯, 匯祥, 喬山……”等品牌,這標志著中國健身器材工業的真正開始。

1.1.2 健身器材的分類與功能

健身器材按其應用來說,有以下幾種分類:

功能型健身器。適宜中老年使用,以健身長壽為目的。身體健壯的,可選用跑步機、健身車和飛標等;身體欠佳的,可選用各種按摩器,目前市場上有一種神效搖擺健身機就特別適合這類人使用。

健美型健身器。適合女子使用,如三四磅重的小啞鈴、收腹器、健身轉盤、體操墊等小型用品,還有一些舒筋活血的小型磁療機和按摩器等都可以起到健身減肥的效果。

休閑型健身器。上班族比較容易疲勞,可通過健身來醒腦提神,可選用登高器、健身車、劃船器等。

成長型健身器。青少年的健身減肥更強調全面性、科學性,各種仰臥撐架、拉力器、啞鈴、握力器等都適合青少年使用。

綜合型健身器。家中備有一臺多功能綜合型健身器,集跑步、劃船、騎車、登山為一體,男女老少皆宜。

健身器材又常以訓練功能多少來分為單功能和綜合型多功能兩大類。

常見的單功能器械,有劃船器、健美車、健步機、跑步機、美腰機等。它們的主要功能如下:

(1)劃船器:主要用來增強手臂力量及動作協調。

(2)健美車:鍛煉時,象騎自行車一樣,主要用來增強腿部力量,增強心血管功能。

(3)健步車:主要用以鍛煉腿、腰、腹部肌肉及心肺功能。

(4)跑步機:主要用以鍛煉腿、臀、腰、腹部肌肉及心肺功能。

(5)美腰機:可對腰部、背部作放松按摩。

綜合型多功能器,一般都包括擴胸器、引體向上、仰臥推舉、仰臥起坐等器械的功能。擴胸器、引體向上、仰臥推舉,主要是用來鍛煉上肢力量及胸大肌力量;仰臥起坐,主要用來鍛煉腰肌群,減少腰腹部多余脂肪。

我國健身器材行業,盡管內外銷售市場趨旺,但在國際市場上缺乏知名品牌,這是一個不得不面對的事實。目前,我國出口的健身器材產品基本上是以“委托加工”和“貼牌生產”的方式進入國際市場,產品附加值較低。同時,與國際先進水平相比,我國不少生產企業還處在仿制階段,產品研發和技術創新能力不足,由此導致健身器材性能不夠完善,用之起不到較好的鍛煉作用,白白浪費資源。因此,我們要不斷創新,不斷優化產品,使得健身器材起到其真正的強身健體作用。

1.3 現代機械設計方法概述

Pro/Engineer 是美國PTC公司的產品,于1988年問世。20余年來,Pro/Engineer經歷多次改版,已成為全世界最普及的3D CAD/CAM系統的標準軟件,廣泛應用于電子、機械、模具、工業設計、汽車、航天、家電、玩具等行業。Pro/Engineer目前共有70多個專用模塊,為用戶提供了一套從設計到制造的完整的解決方案。由于其強大的功能,Pro/Engineer很快得到業內人士的普遍歡迎,并迅速成為當今世界最為流行的CAD/CAE/CAM軟件之一。

Pro/Engineer于1993年正式進入我國,并在相關領域迅速普及。發展至今,已經擁有相當大的用戶群,目前許多大型企業選用Pro/Engineer進行結構的計算機輔助設計。同時,國內許多大學也紛紛選用Pro/Engineer作為其研究開發的基礎軟件平臺?梢哉f,Pro/Engineer為專業人士提供了一個理想的設計環境,有力地推動了企業的技術進步。

為進一步推動MDA的發展,PTC公司于20世紀末又成功推出Pro/Engineer 2001系列產品。在該系列產品中,PTC公司引入了新的建模技術,此技術現已成為Pro/Engineer的核心技術。另外,由于其個人電腦版本的推出和操作界面的完全視窗化,使初學者學習更為便利。

1.4 本文主要研究內容

本文通過調研健身器材的發展狀況和機械結構的現代設計方法,確定以健騎機為主要研究對象,然后以學院東操場邊的健騎機實物為參考,測量其各零件的數據,分析各個零件之間的連接狀態,利用Pro/E建立其三維實體模型和虛擬樣機,并進行仿真分析,從而為其結構動態優化設計提供參考。


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