基于骨架模型的运动机构的优化设计

摘 要：在Pro/E中，骨架模型为运动机构的概念设计提供了一个强大的工具，也为在Pro/E中进行运动机构的优化提供了方便。合理设计骨架模型，可使得机构优化更加快捷、准确、直观。

关键词：骨架模型；运动机构；优化设计

中图分类号：TB486 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

曲柄滑块机构广泛应用于压缩机、冲床、往复活塞式发动机等的主机构中。传动角和行程速比系数K是衡量曲柄滑块机性能的两个重要指标。传动角越大，机构的传动性能越好。一般规定机构的最小传动角，在传递较大力矩时，应使。对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置，如图1所示。行程速比系数K越大，则机构的急回特性越明显，对生产率越有利。多种机床就是利用偏置曲柄滑块机构的滑块具有急回特性，来达到刀具的慢进和空程急回目的的。

偏置曲柄滑块机构传统的设计方法是：给定滑块的行程H、偏距e程和滑块的行程速比系数K，图解法求出曲柄的长度a和连杆的长度b。这样设计结果虽是唯一的，但不一定是最佳的。传动角往往得不到保证。所以诸多研究者开始探索优化设计。最初的机构优化设计大都是结合图解法和解析法，建立数学模型，再借助计算机语言辅助来完成的。这对研究者的数学和编程水平要求较高。但随着三维设计软件的运用和升级，我们可以很轻松地借助三维设计软件完成机构的优化设计。文献1采用Pro/E对已知偏距e，行程H，滑块与曲柄轴心的最大距离不超过一定值的曲柄滑块机构进行了保证最小传动角最大化的优化设计，但方法较繁琐，未充分发挥Pro/E中骨架模型的作用。

本文将介绍一种充分运用骨架模型，能轻松完成机构优化并且较易评价机构急回特性的新方法。

2 创建骨架模型（Create skeleton model）

在组件模式下创建骨架模型文件，在骨架模型文件中创建草绘如图2所示。图2中绘制了机构的两个极限位置以及传动角最小时机构的位置。右上方绘制的圆仅是为了防止优化时，系统将曲柄转至垂直向下时的传动角判断为机构最小传动角最大的位置。图2中标注的800和200为已知条件，角度20为变量，783.39和381.96亦是变量，但只能作为参照尺寸标出，参照尺寸角度42.02为与传动角相等的角度，即图中。为后面分析方便，在草绘中亦画出了表示滑块中心与曲柄轴心的最远水平距离的线段，即参照尺寸为1148.06的线段。

3 创建构件（Create components）

构件的创建和构件间运动关系的定义可参考文献[2]，完成的机构如图3所示。

4 创建分析特征（Set analysis feature）

选择菜单栏“分析→测量→角度”命令，在“角”对话框中选择“特征”，即创建分析特征，再分别选择骨架模型上表示机构的最小传动角的两条线，调节箭头如图4所示，即得这两图元夹角，确定后在模型树中出现ANALYSIS_ANGLE_1特征。再创建滑块中心与曲柄轴心的最远水平距离的长度分析特征ANALYSIS__LENGTH_1，如图5所示。

5 优化分析（Optimum analysis）

选择菜单栏“分析→可行性/优化”命令，打开如图6所示“优化/可行性”对话框，在“目标”区选择目标类型“最大化”和要优化的参数“ANALYSIS_ANGLE_1”，在“设计约束”区添加ANALYSIS_LENGTH_1<1200，在“设计变量”区添加尺寸，选择骨架模型的草绘特征，然后在绘图区域选择机构中将发生变化的尺寸，此处即为曲柄长度尺寸、连杆长度尺寸及极位夹角，设置变量的最小值和最大值。系统优化计算后显示的极位夹角的优化尺寸收敛图和优化目标收敛图如图7所示。打开骨架模型草绘如图8所示，读取优化结果为最小传动角的最大值为45.35°，曲柄长度为384.67mm，连杆长度831.89mm，极位夹角为17.10。由公式可立刻计算出机构的行程速比系数为1.21。

6 设计更改（Design change）

若设计要求为行程速比系数K=1.2，滑块行程H=120mm，在工作行程最小传动角呈最大。则只需将图2草绘中将行程800改为200，将极位夹角20°改为K=1.2对应的16.36°，然后将曲柄长度尺寸、连杆长度尺寸及偏距作为设计变量做优化即可，得到最小传动角的最大值为47.21°，曲柄长度为94.10mm，连杆长度255.86mm，偏距79.73mm。设计的修改十分方便。

7 结论（Conclusion）

在Pro/E中，骨架模型为运动机构的概念设计提供了一个强大的工具，也为在Pro/E中进行运动机构的优化提供了便利。合理设计骨架模型，可使得机构优化更加快捷、准确、直观。

参考文献（References）

[1] 韩炬，冯华，黄家.基于Creo Parametric的包装机曲柄滑块机构的优化设计[J].包装工程，2013，34（1）：65-68.

[2] 曹雪玉.基于骨架模型的运动机构的精确设计[J].企业技术开发，2013，32（28）：16-17.

[3] 郭洋.Pro/Engineer 企业实施与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

作者简介：

曹雪玉（1972-），女，硕士，副教授.研究领域：CAD/CAM.endprint

摘 要：在Pro/E中，骨架模型为运动机构的概念设计提供了一个强大的工具，也为在Pro/E中进行运动机构的优化提供了方便。合理设计骨架模型，可使得机构优化更加快捷、准确、直观。

关键词：骨架模型；运动机构；优化设计

中图分类号：TB486 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

曲柄滑块机构广泛应用于压缩机、冲床、往复活塞式发动机等的主机构中。传动角和行程速比系数K是衡量曲柄滑块机性能的两个重要指标。传动角越大，机构的传动性能越好。一般规定机构的最小传动角，在传递较大力矩时，应使。对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置，如图1所示。行程速比系数K越大，则机构的急回特性越明显，对生产率越有利。多种机床就是利用偏置曲柄滑块机构的滑块具有急回特性，来达到刀具的慢进和空程急回目的的。

偏置曲柄滑块机构传统的设计方法是：给定滑块的行程H、偏距e程和滑块的行程速比系数K，图解法求出曲柄的长度a和连杆的长度b。这样设计结果虽是唯一的，但不一定是最佳的。传动角往往得不到保证。所以诸多研究者开始探索优化设计。最初的机构优化设计大都是结合图解法和解析法，建立数学模型，再借助计算机语言辅助来完成的。这对研究者的数学和编程水平要求较高。但随着三维设计软件的运用和升级，我们可以很轻松地借助三维设计软件完成机构的优化设计。文献1采用Pro/E对已知偏距e，行程H，滑块与曲柄轴心的最大距离不超过一定值的曲柄滑块机构进行了保证最小传动角最大化的优化设计，但方法较繁琐，未充分发挥Pro/E中骨架模型的作用。

本文将介绍一种充分运用骨架模型，能轻松完成机构优化并且较易评价机构急回特性的新方法。

2 创建骨架模型（Create skeleton model）

在组件模式下创建骨架模型文件，在骨架模型文件中创建草绘如图2所示。图2中绘制了机构的两个极限位置以及传动角最小时机构的位置。右上方绘制的圆仅是为了防止优化时，系统将曲柄转至垂直向下时的传动角判断为机构最小传动角最大的位置。图2中标注的800和200为已知条件，角度20为变量，783.39和381.96亦是变量，但只能作为参照尺寸标出，参照尺寸角度42.02为与传动角相等的角度，即图中。为后面分析方便，在草绘中亦画出了表示滑块中心与曲柄轴心的最远水平距离的线段，即参照尺寸为1148.06的线段。

3 创建构件（Create components）

构件的创建和构件间运动关系的定义可参考文献[2]，完成的机构如图3所示。

4 创建分析特征（Set analysis feature）

选择菜单栏“分析→测量→角度”命令，在“角”对话框中选择“特征”，即创建分析特征，再分别选择骨架模型上表示机构的最小传动角的两条线，调节箭头如图4所示，即得这两图元夹角，确定后在模型树中出现ANALYSIS_ANGLE_1特征。再创建滑块中心与曲柄轴心的最远水平距离的长度分析特征ANALYSIS__LENGTH_1，如图5所示。

5 优化分析（Optimum analysis）

选择菜单栏“分析→可行性/优化”命令，打开如图6所示“优化/可行性”对话框，在“目标”区选择目标类型“最大化”和要优化的参数“ANALYSIS_ANGLE_1”，在“设计约束”区添加ANALYSIS_LENGTH_1<1200，在“设计变量”区添加尺寸，选择骨架模型的草绘特征，然后在绘图区域选择机构中将发生变化的尺寸，此处即为曲柄长度尺寸、连杆长度尺寸及极位夹角，设置变量的最小值和最大值。系统优化计算后显示的极位夹角的优化尺寸收敛图和优化目标收敛图如图7所示。打开骨架模型草绘如图8所示，读取优化结果为最小传动角的最大值为45.35°，曲柄长度为384.67mm，连杆长度831.89mm，极位夹角为17.10。由公式可立刻计算出机构的行程速比系数为1.21。

6 设计更改（Design change）

若设计要求为行程速比系数K=1.2，滑块行程H=120mm，在工作行程最小传动角呈最大。则只需将图2草绘中将行程800改为200，将极位夹角20°改为K=1.2对应的16.36°，然后将曲柄长度尺寸、连杆长度尺寸及偏距作为设计变量做优化即可，得到最小传动角的最大值为47.21°，曲柄长度为94.10mm，连杆长度255.86mm，偏距79.73mm。设计的修改十分方便。

7 结论（Conclusion）

在Pro/E中，骨架模型为运动机构的概念设计提供了一个强大的工具，也为在Pro/E中进行运动机构的优化提供了便利。合理设计骨架模型，可使得机构优化更加快捷、准确、直观。

参考文献（References）

[1] 韩炬，冯华，黄家.基于Creo Parametric的包装机曲柄滑块机构的优化设计[J].包装工程，2013，34（1）：65-68.

[2] 曹雪玉.基于骨架模型的运动机构的精确设计[J].企业技术开发，2013，32（28）：16-17.

[3] 郭洋.Pro/Engineer 企业实施与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

作者简介：

曹雪玉（1972-），女，硕士，副教授.研究领域：CAD/CAM.endprint

摘 要：在Pro/E中，骨架模型为运动机构的概念设计提供了一个强大的工具，也为在Pro/E中进行运动机构的优化提供了方便。合理设计骨架模型，可使得机构优化更加快捷、准确、直观。

关键词：骨架模型；运动机构；优化设计

中图分类号：TB486 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

曲柄滑块机构广泛应用于压缩机、冲床、往复活塞式发动机等的主机构中。传动角和行程速比系数K是衡量曲柄滑块机性能的两个重要指标。传动角越大，机构的传动性能越好。一般规定机构的最小传动角，在传递较大力矩时，应使。对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置，如图1所示。行程速比系数K越大，则机构的急回特性越明显，对生产率越有利。多种机床就是利用偏置曲柄滑块机构的滑块具有急回特性，来达到刀具的慢进和空程急回目的的。

偏置曲柄滑块机构传统的设计方法是：给定滑块的行程H、偏距e程和滑块的行程速比系数K，图解法求出曲柄的长度a和连杆的长度b。这样设计结果虽是唯一的，但不一定是最佳的。传动角往往得不到保证。所以诸多研究者开始探索优化设计。最初的机构优化设计大都是结合图解法和解析法，建立数学模型，再借助计算机语言辅助来完成的。这对研究者的数学和编程水平要求较高。但随着三维设计软件的运用和升级，我们可以很轻松地借助三维设计软件完成机构的优化设计。文献1采用Pro/E对已知偏距e，行程H，滑块与曲柄轴心的最大距离不超过一定值的曲柄滑块机构进行了保证最小传动角最大化的优化设计，但方法较繁琐，未充分发挥Pro/E中骨架模型的作用。

本文将介绍一种充分运用骨架模型，能轻松完成机构优化并且较易评价机构急回特性的新方法。

2 创建骨架模型（Create skeleton model）

在组件模式下创建骨架模型文件，在骨架模型文件中创建草绘如图2所示。图2中绘制了机构的两个极限位置以及传动角最小时机构的位置。右上方绘制的圆仅是为了防止优化时，系统将曲柄转至垂直向下时的传动角判断为机构最小传动角最大的位置。图2中标注的800和200为已知条件，角度20为变量，783.39和381.96亦是变量，但只能作为参照尺寸标出，参照尺寸角度42.02为与传动角相等的角度，即图中。为后面分析方便，在草绘中亦画出了表示滑块中心与曲柄轴心的最远水平距离的线段，即参照尺寸为1148.06的线段。

3 创建构件（Create components）

构件的创建和构件间运动关系的定义可参考文献[2]，完成的机构如图3所示。

4 创建分析特征（Set analysis feature）

选择菜单栏“分析→测量→角度”命令，在“角”对话框中选择“特征”，即创建分析特征，再分别选择骨架模型上表示机构的最小传动角的两条线，调节箭头如图4所示，即得这两图元夹角，确定后在模型树中出现ANALYSIS_ANGLE_1特征。再创建滑块中心与曲柄轴心的最远水平距离的长度分析特征ANALYSIS__LENGTH_1，如图5所示。

5 优化分析（Optimum analysis）

选择菜单栏“分析→可行性/优化”命令，打开如图6所示“优化/可行性”对话框，在“目标”区选择目标类型“最大化”和要优化的参数“ANALYSIS_ANGLE_1”，在“设计约束”区添加ANALYSIS_LENGTH_1<1200，在“设计变量”区添加尺寸，选择骨架模型的草绘特征，然后在绘图区域选择机构中将发生变化的尺寸，此处即为曲柄长度尺寸、连杆长度尺寸及极位夹角，设置变量的最小值和最大值。系统优化计算后显示的极位夹角的优化尺寸收敛图和优化目标收敛图如图7所示。打开骨架模型草绘如图8所示，读取优化结果为最小传动角的最大值为45.35°，曲柄长度为384.67mm，连杆长度831.89mm，极位夹角为17.10。由公式可立刻计算出机构的行程速比系数为1.21。

6 设计更改（Design change）

若设计要求为行程速比系数K=1.2，滑块行程H=120mm，在工作行程最小传动角呈最大。则只需将图2草绘中将行程800改为200，将极位夹角20°改为K=1.2对应的16.36°，然后将曲柄长度尺寸、连杆长度尺寸及偏距作为设计变量做优化即可，得到最小传动角的最大值为47.21°，曲柄长度为94.10mm，连杆长度255.86mm，偏距79.73mm。设计的修改十分方便。

7 结论（Conclusion）

在Pro/E中，骨架模型为运动机构的概念设计提供了一个强大的工具，也为在Pro/E中进行运动机构的优化提供了便利。合理设计骨架模型，可使得机构优化更加快捷、准确、直观。

参考文献（References）

[1] 韩炬，冯华，黄家.基于Creo Parametric的包装机曲柄滑块机构的优化设计[J].包装工程，2013，34（1）：65-68.

[2] 曹雪玉.基于骨架模型的运动机构的精确设计[J].企业技术开发，2013，32（28）：16-17.

[3] 郭洋.Pro/Engineer 企业实施与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

作者简介：

曹雪玉（1972-），女，硕士，副教授.研究领域：CAD/CAM.endprint