基于ProE的四鉸鏈曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

吳 昊

(湖北工程學(xué)院 機(jī)械工程系，湖北 孝感 432000)

Pro/ENGINEER是美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)推出的一套博大精深的三維CAD/CAM參數(shù)化軟件系統(tǒng)[1]。該軟件主要應(yīng)用于概念設(shè)計、工業(yè)造型設(shè)計、三維模型設(shè)計、分析計算、動態(tài)模擬仿真等諸多領(lǐng)域，功能強(qiáng)大，在航空航天、汽車制造、機(jī)械設(shè)計、NC加工等產(chǎn)業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[2]。利用Pro/E強(qiáng)大的三維繪圖功能和仿真分析，能直觀地展示物體運(yùn)動的過程，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，繪制出物體的運(yùn)動軌跡，計算位移、速度以及加速度隨時間變化的關(guān)系[3]。

1 四鉸鏈曲柄滑塊機(jī)構(gòu)分析

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是利用曲柄和滑塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和移動相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于活塞式發(fā)動機(jī)、壓縮機(jī)、沖床等機(jī)械中。活塞式發(fā)動機(jī)以滑塊為主動件，把往復(fù)移動轉(zhuǎn)換為不整周或整周的回轉(zhuǎn)運(yùn)動；壓縮機(jī)、沖床以曲柄為主動件，把整周轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為往復(fù)移動[4]。

圖1是四鉸鏈曲柄滑塊機(jī)構(gòu)示意圖。在圖示機(jī)構(gòu)中，桿O1A與桿O2B長度均為100 mm，桿O1O2與桿AB長度相等，設(shè)定桿O1A由電機(jī)驅(qū)動，繞點O1以等角速度2 rad/s轉(zhuǎn)動。桿AB上有一套筒C，此套筒與桿CD以鉸鏈連接。機(jī)構(gòu)的各部件都在同一鉛直面內(nèi)。求解點C的速度和加速度與時間的關(guān)系。

圖1 四鉸鏈曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

1.1 手工計算分析

如果利用手工計算，需要首先確定某一時刻桿O1A的位置，例如當(dāng)桿O1A與桿O1O2夾角為60時，即∠O2O1A=φ=60。桿CD上點C為動點，動系固結(jié)在桿AB上，牽連運(yùn)動為曲線平移，相對運(yùn)動沿BA直線，絕對運(yùn)動沿CD直線。圖2是速度與加速度分析示意圖。從圖2可知：

VA=VB=Ve，VCD=Va，

aA=aB=ae，aCD=aa，

于是有：

VCD=Va=Ve·cosφ=O1A·ω·cosφ=0.10m/s

aCD=aa=ae·sinφ=O1A·ω2·sinφ

= 0.346m/s2

通過上述分析，必須在特定位置時才可以計算出點C處的運(yùn)動速度與加速度。這是因為圖中各點速度和加速度是矢量，需要對其方向求幾何關(guān)系，才能計算出最終結(jié)果。而且運(yùn)動分析比較抽象，需要找到絕對運(yùn)動、相對運(yùn)動和牽連運(yùn)動，并通過圖中各速度及加速度之間的幾何關(guān)系，準(zhǔn)確地獲得所需要的結(jié)果。

1.2 基于Pro/E的運(yùn)動學(xué)建模及仿真分析

首先，利用Pro/E繪制出零件圖并裝配，按照四鉸鏈曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的連接形式選擇裝配連接類型，結(jié)果如圖3所示。

圖3 四鉸鏈曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

然后，進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊，以O(shè)1軸為驅(qū)動軸設(shè)置伺服電機(jī)，根據(jù)桿O1A轉(zhuǎn)速為2rad/s換算為114.6/s，將此速度值設(shè)置到伺服電機(jī)A參數(shù)中，如圖4所示。

為了方便建立時間與位置關(guān)系之間的關(guān)系，可以先將圖中桿O1A調(diào)整到某一初始位置，設(shè)定 ∠O2O1A=60為運(yùn)動起點位置，對應(yīng)時間為0 s。

圖4 定義O1A桿轉(zhuǎn)速界面

定義機(jī)構(gòu)分析，設(shè)置類型為運(yùn)動學(xué)，設(shè)置運(yùn)動時間1s，視頻幀數(shù)30，點擊運(yùn)行。

設(shè)置測量對象，包括C點的速度與加速度。并生成數(shù)據(jù)點曲線圖(圖5)，從圖中能看到在初始時刻即 ∠O2O1A=60時，C點速度為100 mm/s，加速度為346 mm/s2。該結(jié)果與手工計算結(jié)果一致。

同時，圖5還能反映出C點的速度和加速度隨時間變化的關(guān)系，通過對應(yīng)初始位置 ∠O2O1A=60時，時間為0 s，可以在圖中找到任意時刻或桿O1A在任意位置時點C的速度和加速度。

圖5 C點運(yùn)動學(xué)分析數(shù)據(jù)點曲線圖

在插入菜單中點擊軌跡曲線，分別選擇A點和C點，對其添加軌跡線(圖3)。經(jīng)過A點的藍(lán)色曲線為A的運(yùn)動軌跡，經(jīng)過C點的紅色直線為C點的運(yùn)動軌跡。利用軌跡圖，能夠知道該機(jī)構(gòu)某點的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動范圍。

2 結(jié)語

本文通過對比四鉸鏈曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的手工計算方法和基于Pro/ENGINEER的運(yùn)動學(xué)仿真分析，結(jié)果表明，基于Pro/ENGINEER的方法不僅能直觀地觀察到四鉸鏈曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的整個運(yùn)動過程，還能通過測量工具，求出任意點的速度和加速度，并能繪制出點的運(yùn)動軌跡。利用速度和加速度的時間關(guān)系圖，能找到任意時刻或任意位置時點C的速度和加速度。利用軌跡線能夠觀察并測量出該機(jī)構(gòu)任意點的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動范圍，防止出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。利用現(xiàn)代化的仿真軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析，相比用傳統(tǒng)的手工計算更加簡單，直觀，能提高了工業(yè)設(shè)計效率，使設(shè)計結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 田緒東，管殿柱.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0三維機(jī)械設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 戴進(jìn),鐘定銘,王菊槐.Pro/ENGINEER課程創(chuàng)新教學(xué)實踐探討[J].裝備制造技術(shù),2008(4):160-162.

[3] 黃海明.合成運(yùn)動中動參考系的選取法[J].科技信息,2010(17):128.

[4] 高世凡.淺談Pro/Engineer運(yùn)動仿真在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù),2009(7):164-167.