基于ProE的曲柄摇杆机构运动仿真
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摘 要： 利用 Pro / E 建立了曲柄摇杆机构的 3D 模型， 并对该模型进行了动态仿真， 仿真结果实现了对机构运动的可视化
研究。最后得出了分析点的速度 、 加速度、 角位移等随时间变化的曲线 。仿真结果表明： 在不同的速度模式下， 分析点的 速度、 加速度、 角位移随时间而变化， 运动过程中分析点存在着抖动现象 。仿真结果实现了对机构的全面可靠的动态分 大大提高了机构的分析效率， 对于优化机构设计有重要的指导意义 。 析， 关键词： 四杆机构； Pro / E； 运动； 仿真 中图分类号： TH16 作者简介： 陈 文献标识码： A 344X（ 2012 ） 08008303 文章编号： 1674基金项目： 湖北第二师范学院青年课题（ 2011C001 ） 彪（ 1981 － ） ， 男， 讲师， 博士研究生， 研究方向为微纳制造工艺 。
· 83·
出现两次急 回 特 性 。 在 单 周 期 的 t = 7 ． 3 s 时 刻 ， 急 回特性开 始 出 现 。 而 对 于 模 式 2 下 分 析 点 的 角 速 度， 从 MOD2 可知 ， 在 t = 0 ～ 17 ． 8 s 时 间 段 内 ， 摇杆 分析点的角速度经历了三 次 变 化 ， 即曲线上出现了 三个拐点 。 显 然 ， 在 一 个 运 动 周 期 内， 模式 2 下摇 杆分 析 点 的 角 速 度 变 化 明 显 较 曲 线 1 复 杂 。 在 t = 17 ． 8 s 时 ， 模式 2 下 的 急 回 特 性 开 始 出 现 。 比 较 二种模式下的速度 － 时间 变 化 曲 线 可 知 ， 模式 2 出 现急回特性的时间较晚 ， 当模式 1 下分析点出现第 二次急 回 特 性 时 ， 模式 2 下的急回特性才首次出 MOD1 下曲柄的平 现。由此可以判断， 在两种模式下， 均角速度是 MOD2 下曲柄平均角速度的 2 倍。
1
前言
曲柄摇杆机构的 运 动 比 较 复 杂 ， 在满足一定条 件的情况下 ， 曲 柄 在 作 圆 周 运 动 的 过 程 中， 摇杆的 运动具有 急 回 特 性
［1］
点位置 2 出现， 此时曲柄与机架的夹角为 49° 。 则极 位夹角 θ = 83° ， 由四杆机构速度行程变化系数定义可 知， 在两极限位置， 180° + θ k= = 2． 7 180 － θ 显然， 速度行程变化系数 k ＞ 1 ， 则机构存在着明 显的急回特性。 为了比较和分析曲柄摇杆机构在不同的速度模式 加速度、 位置变化情况， 在此给定两 下分析点的速度、 种速度模式如下： 0 ＜ t20 模式 1 ： ω = 36 ， 0 ＜ t20 模式 2 ： ω = 180cos36 t + 18 ， 设定曲柄摇杆机 构 运 动 的 起 始 位 置 如 图 1 （ b ） 所示 ， 运动 方 向 为 逆 时 针 方 向 。 曲 柄 从 图 1 （ b ） 所 示位置运 动 到 图 1 （ c ） 所 示 位 置 时 ， 摇杆从最右端 摆动到最左端 。 曲柄继续 运 动 到 起 始 位 置 时 ， 摇杆 从最左端回到最 右 端 。 经 过 Pro / E 仿 真 分 析 ， 得到 在两 如图 2 － 图 4 所 示 的 仿 真 结 果 。 由 图 2 可 知 ， 种 速 度 模 式 下 ，角 速 度 的 初 始 值 相 同 ，均 为 － 21 ． 6 deg / s 。 然后因为 不 同 的 速 度 模 式 ， 导致分析 点的速度曲线也不同 。 在 模 式 1 下 ， 分析点的角速 度逐渐减 小 ， 在 t = 3 ． 6 ～ 6 ． 7 s 时， 速 度 降 为 零， 然 后 再 反 向 加 速。 在 t = 7 ． 3 s 时， 速度最大值为 ω max = 21 ． 6 deg / s 。 然后 ， 角速度 急 剧 变 化 ， 在 t = 10 s 时， 分析点的角 速 度 ω = － 21 ． 6 deg / s 。 t = 20 s 内 ， 模式 1 下的分析点的角速 度 曲 线 经 历 了 两 个 周 期 ，
收稿日期： 2012 － 05 － 25
。急回特性可以缩短非工作
［2］
行程时间 ， 在生产实践中得到了广泛的应 用
。因
此分析曲柄 摇 杆 机 构 的 运 动 对 指 导 实 际 应 用 有 着 重要的意义 。 目前 ， 对该机 构 的 运 动 分 析 一 般 采 用 过程 相 对 繁 琐 。 随 着 计 算 机 技 图解法或者解析法 ， 术的发展 ， 仿真软件在机构 运 动 分 析 中 得 到 了 广 泛 的应用 。 马红伟 、 邓嵘利用 Pro / M 对 四 杆 机 构 进 行 了运 动 分 析 ， 为 四 杆 机 构 的 分 析寻找了一种新途 径
2012 年 8 月 第 29 卷第 8 期
湖北第二师范学院学报 Journal of Hubei University of Education
Aug． 2012 Vol． 29 No. 8
基于 Pro / E 的曲柄摇杆机构运动仿真
陈
1， 2 彪 ， 欧
盼
1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（ 1． 湖北第二师范学院 机械与电气工程系 ， 武汉 430205 ； 2． 华中科技大学 机械科学与工程学院 ， 武汉 430074 ）
［3 ］
。吴志辉、 蹇兴东、 史庆春以平面四杆机构为例，
利用 Pro / E 进行机构动力学仿真分析， 研究了 Pro / E ［4 ］ 在结构分析中的一般流程和作用 。 本文运用 Pro / E 运动分析模块对曲柄摇杆机构进行运动分析 ， 给定不 ， 同的初始角速度模式 研究不同模式下分析点的速度、 加速度、 角位移随时间变化的情况。 以此指导并优化 能实现运动过程的可视化分析， 大大缩短设 机构设计， 计所需时间， 提高效率。 2 仿真 Pro / E 建立曲柄摇杆机构的三维模 型 如 图 1 所 ［5 ］ 示， 给定具体尺寸对四杆机构进行分析。 其中， 曲 连杆 b 长度为 10mm， 摇杆 c 长度为 柄 a 长度为 6mm， 12mm， 机架 d 长度为 9mm。机架与摇杆、 摇杆与连杆、 连杆与曲柄定义为销钉连接， 曲柄与机架定义为圆柱 连接， 机架定义为固定。 当曲柄与连杆的位置如图 1 （ b） 所示时， 死点位置 1 出现， 此时曲柄与机架的夹角 为 48° 。而当曲柄与连杆的位置如图 1 （ c ） 所示时， 死
研究。最后得出了分析点的速度 、 加速度、 角位移等随时间变化的曲线 。仿真结果表明： 在不同的速度模式下， 分析点的 速度、 加速度、 角位移随时间而变化， 运动过程中分析点存在着抖动现象 。仿真结果实现了对机构的全面可靠的动态分 大大提高了机构的分析效率， 对于优化机构设计有重要的指导意义 。 析， 关键词： 四杆机构； Pro / E； 运动； 仿真 中图分类号： TH16 作者简介： 陈 文献标识码： A 344X（ 2012 ） 08008303 文章编号： 1674基金项目： 湖北第二师范学院青年课题（ 2011C001 ） 彪（ 1981 － ） ， 男， 讲师， 博士研究生， 研究方向为微纳制造工艺 。
· 83·
出现两次急 回 特 性 。 在 单 周 期 的 t = 7 ． 3 s 时 刻 ， 急 回特性开 始 出 现 。 而 对 于 模 式 2 下 分 析 点 的 角 速 度， 从 MOD2 可知 ， 在 t = 0 ～ 17 ． 8 s 时 间 段 内 ， 摇杆 分析点的角速度经历了三 次 变 化 ， 即曲线上出现了 三个拐点 。 显 然 ， 在 一 个 运 动 周 期 内， 模式 2 下摇 杆分 析 点 的 角 速 度 变 化 明 显 较 曲 线 1 复 杂 。 在 t = 17 ． 8 s 时 ， 模式 2 下 的 急 回 特 性 开 始 出 现 。 比 较 二种模式下的速度 － 时间 变 化 曲 线 可 知 ， 模式 2 出 现急回特性的时间较晚 ， 当模式 1 下分析点出现第 二次急 回 特 性 时 ， 模式 2 下的急回特性才首次出 MOD1 下曲柄的平 现。由此可以判断， 在两种模式下， 均角速度是 MOD2 下曲柄平均角速度的 2 倍。
1
前言
曲柄摇杆机构的 运 动 比 较 复 杂 ， 在满足一定条 件的情况下 ， 曲 柄 在 作 圆 周 运 动 的 过 程 中， 摇杆的 运动具有 急 回 特 性
［1］
点位置 2 出现， 此时曲柄与机架的夹角为 49° 。 则极 位夹角 θ = 83° ， 由四杆机构速度行程变化系数定义可 知， 在两极限位置， 180° + θ k= = 2． 7 180 － θ 显然， 速度行程变化系数 k ＞ 1 ， 则机构存在着明 显的急回特性。 为了比较和分析曲柄摇杆机构在不同的速度模式 加速度、 位置变化情况， 在此给定两 下分析点的速度、 种速度模式如下： 0 ＜ t20 模式 1 ： ω = 36 ， 0 ＜ t20 模式 2 ： ω = 180cos36 t + 18 ， 设定曲柄摇杆机 构 运 动 的 起 始 位 置 如 图 1 （ b ） 所示 ， 运动 方 向 为 逆 时 针 方 向 。 曲 柄 从 图 1 （ b ） 所 示位置运 动 到 图 1 （ c ） 所 示 位 置 时 ， 摇杆从最右端 摆动到最左端 。 曲柄继续 运 动 到 起 始 位 置 时 ， 摇杆 从最左端回到最 右 端 。 经 过 Pro / E 仿 真 分 析 ， 得到 在两 如图 2 － 图 4 所 示 的 仿 真 结 果 。 由 图 2 可 知 ， 种 速 度 模 式 下 ，角 速 度 的 初 始 值 相 同 ，均 为 － 21 ． 6 deg / s 。 然后因为 不 同 的 速 度 模 式 ， 导致分析 点的速度曲线也不同 。 在 模 式 1 下 ， 分析点的角速 度逐渐减 小 ， 在 t = 3 ． 6 ～ 6 ． 7 s 时， 速 度 降 为 零， 然 后 再 反 向 加 速。 在 t = 7 ． 3 s 时， 速度最大值为 ω max = 21 ． 6 deg / s 。 然后 ， 角速度 急 剧 变 化 ， 在 t = 10 s 时， 分析点的角 速 度 ω = － 21 ． 6 deg / s 。 t = 20 s 内 ， 模式 1 下的分析点的角速 度 曲 线 经 历 了 两 个 周 期 ，
收稿日期： 2012 － 05 － 25
。急回特性可以缩短非工作
［2］
行程时间 ， 在生产实践中得到了广泛的应 用
。因
此分析曲柄 摇 杆 机 构 的 运 动 对 指 导 实 际 应 用 有 着 重要的意义 。 目前 ， 对该机 构 的 运 动 分 析 一 般 采 用 过程 相 对 繁 琐 。 随 着 计 算 机 技 图解法或者解析法 ， 术的发展 ， 仿真软件在机构 运 动 分 析 中 得 到 了 广 泛 的应用 。 马红伟 、 邓嵘利用 Pro / M 对 四 杆 机 构 进 行 了运 动 分 析 ， 为 四 杆 机 构 的 分 析寻找了一种新途 径
2012 年 8 月 第 29 卷第 8 期
湖北第二师范学院学报 Journal of Hubei University of Education
Aug． 2012 Vol． 29 No. 8
基于 Pro / E 的曲柄摇杆机构运动仿真
陈
1， 2 彪 ， 欧
盼
1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（ 1． 湖北第二师范学院 机械与电气工程系 ， 武汉 430205 ； 2． 华中科技大学 机械科学与工程学院 ， 武汉 430074 ）
［3 ］
。吴志辉、 蹇兴东、 史庆春以平面四杆机构为例，
利用 Pro / E 进行机构动力学仿真分析， 研究了 Pro / E ［4 ］ 在结构分析中的一般流程和作用 。 本文运用 Pro / E 运动分析模块对曲柄摇杆机构进行运动分析 ， 给定不 ， 同的初始角速度模式 研究不同模式下分析点的速度、 加速度、 角位移随时间变化的情况。 以此指导并优化 能实现运动过程的可视化分析， 大大缩短设 机构设计， 计所需时间， 提高效率。 2 仿真 Pro / E 建立曲柄摇杆机构的三维模 型 如 图 1 所 ［5 ］ 示， 给定具体尺寸对四杆机构进行分析。 其中， 曲 连杆 b 长度为 10mm， 摇杆 c 长度为 柄 a 长度为 6mm， 12mm， 机架 d 长度为 9mm。机架与摇杆、 摇杆与连杆、 连杆与曲柄定义为销钉连接， 曲柄与机架定义为圆柱 连接， 机架定义为固定。 当曲柄与连杆的位置如图 1 （ b） 所示时， 死点位置 1 出现， 此时曲柄与机架的夹角 为 48° 。而当曲柄与连杆的位置如图 1 （ c ） 所示时， 死