基于ProE的四鉸鏈曲柄滑塊機構運動分析

吳 昊

(湖北工程學院 機械工程系，湖北 孝感 432000)

Pro/ENGINEER是美國參數技術公司(PTC)推出的一套博大精深的三維CAD/CAM參數化軟件系統[1]。該軟件主要應用于概念設計、工業造型設計、三維模型設計、分析計算、動態模擬仿真等諸多領域，功能強大，在航空航天、汽車制造、機械設計、NC加工等產業得到了廣泛應用[2]。利用Pro/E強大的三維繪圖功能和仿真分析，能直觀地展示物體運動的過程，進行運動學仿真，繪制出物體的運動軌跡，計算位移、速度以及加速度隨時間變化的關系[3]。

1 四鉸鏈曲柄滑塊機構分析

曲柄滑塊機構是利用曲柄和滑塊實現轉動和移動相互轉換的平面連桿機構，廣泛應用于活塞式發動機、壓縮機、沖床等機械中?；钊桨l動機以滑塊為主動件，把往復移動轉換為不整周或整周的回轉運動；壓縮機、沖床以曲柄為主動件，把整周轉動轉換為往復移動[4]。

圖1是四鉸鏈曲柄滑塊機構示意圖。在圖示機構中，桿O1A與桿O2B長度均為100 mm，桿O1O2與桿AB長度相等，設定桿O1A由電機驅動，繞點O1以等角速度2 rad/s轉動。桿AB上有一套筒C，此套筒與桿CD以鉸鏈連接。機構的各部件都在同一鉛直面內。求解點C的速度和加速度與時間的關系。

圖1 四鉸鏈曲柄滑塊機構

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，動系固結在桿AB上，牽連運動為曲線平移，相對運動沿BA直線，絕對運動沿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系，才能計算出最終結果。而且運動分析比較抽象，需要找到絕對運動、相對運動和牽連運動，并通過圖中各速度及加速度之間的幾何關系，準確地獲得所需要的結果。

1.2 基于Pro/E的運動學建模及仿真分析

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構的連接形式選擇裝配連接類型，結果如圖3所示。

圖3 四鉸鏈曲柄滑塊機構

然后，進入機構模塊，以O1軸為驅動軸設置伺服電機，根據桿O1A轉速為2rad/s換算為114.6/s，將此速度值設置到伺服電機A參數中，如圖4所示。

為了方便建立時間與位置關系之間的關系，可以先將圖中桿O1A調整到某一初始位置，設定 ∠O2O1A=60為運動起點位置，對應時間為0 s。

圖4 定義O1A桿轉速界面

定義機構分析，設置類型為運動學，設置運動時間1s，視頻幀數30，點擊運行。

設置測量對象，包括C點的速度與加速度。并生成數據點曲線圖(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。該結果與手工計算結果一致。

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系，通過對應初始位置 ∠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點運動學分析數據點曲線圖

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)。經過A點的藍色曲線為A的運動軌跡，經過C點的紅色直線為C點的運動軌跡。利用軌跡圖，能夠知道該機構某點的運動軌跡和運動范圍。

2 結語

本文通過對比四鉸鏈曲柄滑塊機構運動分析的手工計算方法和基于Pro/ENGINEER的運動學仿真分析，結果表明，基于Pro/ENGINEER的方法不僅能直觀地觀察到四鉸鏈曲柄滑塊機構的整個運動過程，還能通過測量工具，求出任意點的速度和加速度，并能繪制出點的運動軌跡。利用速度和加速度的時間關系圖，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構任意點的運動軌跡和運動范圍，防止出現干涉現象。利用現代化的仿真軟件進行機構設計與分析，相比用傳統的手工計算更加簡單，直觀，能提高了工業設計效率，使設計結果更加準確可靠。

[參 考 文 獻]

[1] 田緒東，管殿柱.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0三維機械設計[M].北京：機械工業出版社,2009.

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

[3] 黃海明.合成運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運動仿真在機械設計中的應用[J].機電工程技術,2009(7):164-167.