基于ProE的四铰链曲柄滑块机构运动分析

吴 昊

(湖北工程学院 机械工程系，湖北 孝感 432000)

Pro/ENGINEER是美国参数技术公司(PTC)推出的一套博大精深的三维CAD/CAM参数化软件系统[1]。该软件主要应用于概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟仿真等诸多领域，功能强大，在航空航天、汽车制造、机械设计、NC加工等产业得到了广泛应用[2]。利用Pro/E强大的三维绘图功能和仿真分析，能直观地展示物体运动的过程，进行运动学仿真，绘制出物体的运动轨迹，计算位移、速度以及加速度随时间变化的关系[3]。

1 四铰链曲柄滑块机构分析

曲柄滑块机构是利用曲柄和滑块实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，广泛应用于活塞式发动机、压缩机、冲床等机械中。活塞式发动机以滑块为主动件，把往复移动转换为不整周或整周的回转运动；压缩机、冲床以曲柄为主动件，把整周转动转换为往复移动[4]。

图1是四铰链曲柄滑块机构示意图。在图示机构中，杆O1A与杆O2B长度均为100 mm，杆O1O2与杆AB长度相等，设定杆O1A由电机驱动，绕点O1以等角速度2 rad/s转动。杆AB上有一套筒C，此套筒与杆CD以铰链连接。机构的各部件都在同一铅直面内。求解点C的速度和加速度与时间的关系。

图1 四铰链曲柄滑块机构

1.1 手工计算分析

如果利用手工计算，需要首先确定某一时刻杆O1A的位置，例如当杆O1A与杆O1O2夹角为60时，即∠O2O1A=φ=60。杆CD上点C为动点，动系固结在杆AB上，牵连运动为曲线平移，相对运动沿BA直线，绝对运动沿CD直线。图2是速度与加速度分析示意图。从图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

通过上述分析，必须在特定位置时才可以计算出点C处的运动速度与加速度。这是因为图中各点速度和加速度是矢量，需要对其方向求几何关系，才能计算出最终结果。而且运动分析比较抽象，需要找到绝对运动、相对运动和牵连运动，并通过图中各速度及加速度之间的几何关系，准确地获得所需要的结果。

1.2 基于Pro/E的运动学建模及仿真分析

首先，利用Pro/E绘制出零件图并装配，按照四铰链曲柄滑块机构的连接形式选择装配连接类型，结果如图3所示。

图3 四铰链曲柄滑块机构

然后，进入机构模块，以O1轴为驱动轴设置伺服电机，根据杆O1A转速为2rad/s换算为114.6/s，将此速度值设置到伺服电机A参数中，如图4所示。

为了方便建立时间与位置关系之间的关系，可以先将图中杆O1A调整到某一初始位置，设定 ∠O2O1A=60为运动起点位置，对应时间为0 s。

图4 定义O1A杆转速界面

定义机构分析，设置类型为运动学，设置运动时间1s，视频帧数30，点击运行。

设置测量对象，包括C点的速度与加速度。并生成数据点曲线图(图5)，从图中能看到在初始时刻即 ∠O2O1A=60时，C点速度为100 mm/s，加速度为346 mm/s2。该结果与手工计算结果一致。

同时，图5还能反映出C点的速度和加速度随时间变化的关系，通过对应初始位置 ∠O2O1A=60时，时间为0 s，可以在图中找到任意时刻或杆O1A在任意位置时点C的速度和加速度。

图5 C点运动学分析数据点曲线图

在插入菜单中点击轨迹曲线，分别选择A点和C点，对其添加轨迹线(图3)。经过A点的蓝色曲线为A的运动轨迹，经过C点的红色直线为C点的运动轨迹。利用轨迹图，能够知道该机构某点的运动轨迹和运动范围。

2 结语

本文通过对比四铰链曲柄滑块机构运动分析的手工计算方法和基于Pro/ENGINEER的运动学仿真分析，结果表明，基于Pro/ENGINEER的方法不仅能直观地观察到四铰链曲柄滑块机构的整个运动过程，还能通过测量工具，求出任意点的速度和加速度，并能绘制出点的运动轨迹。利用速度和加速度的时间关系图，能找到任意时刻或任意位置时点C的速度和加速度。利用轨迹线能够观察并测量出该机构任意点的运动轨迹和运动范围，防止出现干涉现象。利用现代化的仿真软件进行机构设计与分析，相比用传统的手工计算更加简单，直观，能提高了工业设计效率，使设计结果更加准确可靠。

[参 考 文 献]

[1] 田绪东，管殿柱.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0三维机械设计[M].北京：机械工业出版社,2009.

[2] 戴进,钟定铭,王菊槐.Pro/ENGINEER课程创新教学实践探讨[J].装备制造技术,2008(4):160-162.

[3] 黄海明.合成运动中动参考系的选取法[J].科技信息,2010(17):128.

[4] 高世凡.浅谈Pro/Engineer运动仿真在机械设计中的应用[J].机电工程技术,2009(7):164-167.