基于Pro/E的食品包装机械四杆机构优化设计

白 皛， 陶春生， 马松柏

(北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048)

基于Pro/E的食品包装机械四杆机构优化设计

白 皛， 陶春生， 马松柏

(北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048)

根据铰链四杆机构的特点以及传统设计方法存在的问题，以DZ－400型真空包装机动作单元设计为例，从运动、动力分析和行为建模分析等方面论述了Pro/E行为建模技术在平面连杆机构优化设计中的应用．行为建模技术提高了设计质量和效率，为机构优化设计方法提供了一种全新的设计思路．

行为建模;优化设计;四杆机构;Pro/Engineer

四杆机构结构简单，制作方便，加工成本低，其特点是能够方便地实现给定的运动规律或运动轨迹再现，完成预定的运动或动作，实现一些复杂的运动要求，因此在机械中应用范围广泛．在食品包装机械中，要实现加工食品或待包装食品的完美包装，保证包装食品在其运输、储存、销售期间的美观性、牢靠性以及密封性，保证其品质特征，就要求食品包装机械具有复杂的运动轨迹和速度要求，而四杆机构是实现上述运动轨迹等功能的简单、实用机构形式．

虽然四杆机构可以实现复杂的运动轨迹以及速度要求，但传统设计过程多采用图解法、分析法或发展的计算机辅助设计法，设计过程繁琐、试凑盲目、设计周期长、可靠性差，这使得设计精度和设计效率都十分低下，不能满足现代机械高速、高精度的要求［1］．

本文采用Pro/E行为建模技术对某厂生产的DZ－400型两用真空包装机动作单元进行优化设计，并最大程度地实现优化设计过程的可视化．

1 Pro/E行为建模技术

行为建模功能模块(Behavioral Modeling Extension，BMX)是 PTC软件中一个功能扩展模块，该模块在特定设计意图和设计约束前提下，使用信息收集和重复求解的智能化方法，为设计提供最优方案．

1.1 行为建模特性

行为建模技术具有智能模型、目标驱动设计及开放式可延伸环境等3个特点．智能模型能获取设计、设计过程信息及定义产品所需要的各种工程标准，如关于几何、规格和设计意图等方面的知识．目标驱动设计可以通过自动寻优从而解决传统设计中相互冲突的目标问题，并可在多设计变量、限制条件与设计准则等限制条件下获得最佳化的解决方案，使工程师能集中精力设计更高性能、更多功能的产品．行为建模技术需要开放式可延伸环境的支撑，使其成为无缝设计，确保设计模型自动反映出结果，不会遗漏设计意图，并为完整设计提供连贯性，增强设计的灵活性［1］．

1.2 行为建模分析设计步骤

行为建模的分析设计步骤如图1［2］．

图1 行为建模分析设计步骤Fig．1 Flow chart of behavior modeling

1.2.1 特征分析

特征分析是行为建模前的关键一步．分析特征即设计研究目标，属于Pro/E中一种基准特征，其创建目的是用于设计优化或参数分析，与Pro/E所具有的基本分析功能一致，在行为建模中可以分析模型的物理特性、曲线特性、曲面特性、自定义的特性和运动特性等．

1.2.2 敏感度分析

敏感度分析的目的一是分析模型尺寸，确定众多设计参数中的重要参数;二是在指定范围内，进一步确定多个相关参数的变化方式．其分析结果是获得一张2D坐标图．坐标图中的横坐标X表示尺寸变量，纵坐标Y表示与尺寸变量相关的模型变化情况．通过“动画模型”选项，可用动画的形式直观显示敏感度分析的整个过程，即动态显示尺寸变量变化的过程与模型的变化情况．

1.2.3 可行性/优化性分析

敏感度分析只针对某一个尺寸变量或参数变化时模型的变化情况的研究，当考虑到多个参数同时变化的情况时，就需要使用可行性/优化分析．可行性/优化分析通过计算特殊的尺寸值，使模型能够满足指定的某些约束．对于多个尺寸变量或参数同时参与的模型，通常有多种参数组合能够达到指定的约束，可行性研究找到其中的一种组合，便会认定目标可行并停止计算．优化性研究则在此基础上从所有组合中找到一个最佳的答案．

1.2.4 多目标设计研究

多目标设计研究用来寻找满足多个设计标准(目标)的优化解决方案，避免使用可行性/优化分析时可能产生的局部解．

2 四杆机构

平面四杆机构的最基本型式为曲柄摇杆机构，如图2．在图2的机构中，构件1为机架，与机架构成运动副的构件2，4称为连架杆，与机架组成整转副的连架杆2又称为曲柄，与机架组成摆动副的连架杆4又称为摇杆，不与机架组成运动副的构件3称为连杆．平面四杆机构的其他型式都可看作是在曲柄摇杆机构基础上通过演化形成，当平面四杆机构中所有的运动副均为转动副时，该四杆机构称为铰链四杆机构．

在曲柄摇杆机构设计中，杆件长度须满足格拉霍夫定理，即组成整转副的两个构件中必有一个最短杆，最短杆与最长杆的长度之和必小于或等于其余两构件的长度之和．图2中α角为压力角，余角γ为传动角，在机构的运动过程中，传动角的大小是变化的，传动角γ越大，则有效分力Ft越大，径向压力Fn越小，对机构的传动越有利．因此在连杆机构设计中，常用传动角的大小及其变化情况来衡量机构传力性能的优劣［3］．

图2 铰链四杆机构示意Fig．2 Schematic diagram of link mechanism

3 铰链四杆机构优化设计实例

某厂生产的DZ－400型家庭与超市两用真空包装机，其动作单元简化后为铰链四杆机构，为使其达到特定工作环境和包装所需要求，其摇杆长度为100 mm、摆角为40°、传动角不小于40°，同时考虑机器整体轻便需求，要求材料最省，其优化设计如下．

根据曲柄摇杆机构的约束条件以及给出的实际设计参数，现设定机架1为a(长度参数l4)，曲柄2为b(长度参数l1)，连杆3为c(长度参数l2)，摇杆4为d且d=100 mm(长度参数l3)．可以得到以下约束条件:

1)杆长条件

2)传动角条件γmin≥40°，根据铰链四杆机构中传动角与杆长之间的关系有

计算后比较 γ1和 γ2的值，小者为其最小传动角，应使 γmin≥40°．

3)摆角θ

根据两极限位置可知

则摆角 θ=|θ1－θ2|=40°．

同时由于要求材料最省，即在杆直径不变的前提下，要求待求杆件的长度之和最小，则有目标函数length=min(a+b+c)．

基于Pro/E行为建模技术的铰链四杆机构优化设计步骤如下:

将需要优化设计的特征用参数表示，根据摇杆长度及其约束条件，可取各杆长的范围，有90≤a≤140，20≤b≤60，40≤c≤100，其初始长度可分别取a=120，b=50，c=80，在 Pro/E 零件模块下建立铰链四杆机构的参数化模型，并完成其运动模型的定义，主要包含材料、连接、驱动等方面的内容，其运动模型如图3．

图3 铰链四杆机构运动模型Fig．3 Velocity model of link mechanism

将数学模型中的设计参数对应转化为Pro/E中零件模型的分析特征，同时创建目标函数及对应约束条件等关系式分析特征．图4分别为最小传动角约束条件，摆角约束条件，杆长约束条件及目标函数所需要满足的关系式．

完成优化参数定义之后，进行传动角和摆动角随着某杆件长度变化时的敏感度研究，使用图的形式直观显示敏感度分析的整个过程，显示影响强弱．

在Pro/E“优化/可行性”对话框中定义优化设计内容、选择目标函数、约束条件以及设计变量等(见图5)，最后选择适当的计算方法．定义完成后，Pro/E自动进行优化运算，并最终得到优化结果为a=101.35;b=36.73;c=70.01．

本次优化设计的结果需要在Pro/E Mechanism环境中加以验证，对最终的优化模型进行运动学仿真分析［4－5］，测试验证传动角和摆动角在此铰链四杆机构运动周期中的实际大小，经验证得到如下结论:优化模型在满足摆动角等于40°，并且最小传动角大于40°的约束条件下，使3杆长度之和达到了最小，等于208.09 mm．

图4 Pro/E中定义行为特征时的窗口Fig．4 Definition of parameters

图5 优化设计定义窗口Fig．5 Operation of feasibility analysis

4 结束语

食品包装机械中铰链四杆机构应用十分广泛，并且不同的工况下对其运动有着不同的设计要求，传统的解析法、作图法和实验法等设计方法存在各自的缺点，很难全面满足设计者的设计需求，特别是不能保证杆长的精度．采用目标驱动式设计的基于Pro/E行为建模技术的优化设计方法，可以应对不断变化的要求，该方法是一种快速、高精度、低误差的优化设计方法，为设计出高性能的食品包装机械奠定了基础．

［1］李永旭，刘钊，李小江．平面连杆机构计算机建模与通用分析软件的开发［J］．机械设计，2006，23(5):58－60．

［2］安宁，尹业宏，刘小鹏．Pro/ENGINEER的行为建模技术［J］．湖北工业大学学报，2005，20(1):14－17．

［3］申永胜．机械原理教程［M］．北京:清华大学出版社，2003:34－80．

［4］和青芳，徐征．Pro/Engineer Wildfire产品设计与机构动力学分析［M］．北京:机械工业出版社，2004:271－280．

［5］祝凌云，李斌．Pro/Engineer运动仿真和有限元分析［M］．北京:人民邮电出版社，2004:50－80．

(责任编辑:檀彩莲)

Optimal Design of Linkage Mechanism in Food Packaging Machinery Based on Pro/E

BAI Qiao， TAO Chun-sheng， MA Song-bai
(School of Material and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China)

The application of behavioral modeling technology in the optimization design for ordinary planar link mechanism was introduced in the aspects of kinematic analysis，dynamic analysis and behavioral modeling analysis，based on behavioral modeling module of Pro/E，with a vacuum packaging machine for example．The behavioral modeling technology could improve design efficiency and provided a completely new design view for mechanism design．

behavioral modeling;optimization design;link mechanism;Pro/Engineer

TS206.5

A

1671-1513(2011)04-0058-03

2011－04－14

白 皛，男，实验师，硕士，主要从事数控技术、CAD/CAM应用及食品机械方面的研究．