汪秀珍 詹建軍

(武漢工程職業(yè)技術學院 湖北 武漢：430080)

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PRO/E行為建模運動學分析圖像應用簡析

汪秀珍 詹建軍

(武漢工程職業(yè)技術學院 湖北 武漢：430080)

介紹了基于Pro/E行為建模的機構優(yōu)化設計基本步驟，以牛頭刨床為例，對機構進行運動學分析并優(yōu)化，對優(yōu)化過程中產生的各種圖像進行分類、分析，利用圖像信息掌握機構運動性能及工作特性，并應用于設計工作。

行為建模；運動學；優(yōu)化設計

行為建模功能是Pro/Engineer的一個功能擴展模塊，作為參數(shù)化設計中的分析工具，其主要作用是在參數(shù)的作用下，經過約束參數(shù)設定，從中找出合適的模型參數(shù)，并通過改變參數(shù)來改變模型的結構外形，從而使設計過程更加智能化，更有效率[1]。在進行分析過程中系統(tǒng)會生成各種圖像，這些圖像里含有大量的信息，合理解讀并應用這些圖像信息有助于更深入地理解參數(shù)化模型。而對于各種運動機構模型，其運動參數(shù)是分析評價該機構工作性能的重要標準，因此常常利用行為建模中的運動學分析功能得到各種運動學分析圖像。本文以牛頭刨床優(yōu)化設計過程為例，詳細論述運動學分析過程中得到的各種圖像及其應用意義。

1 牛頭刨床簡介

牛頭刨床由于刨刀結構簡單，刃磨方便，在加工窄長平面時，可以得到較高的生產率，因此刨床在單件小批生產中仍被廣泛應用[2]。普通牛頭刨床的主運動機構如圖1所示，由曲柄擺動導桿機構和搖桿滑塊機構組合而成。原動件是曲柄2的轉動，輸出運動是滑塊6的往復直線運動，即刨刀的往復直線運動。

圖1 牛頭刨床主運動機構

2 Pro/E行為建模運動學分析圖像類別及其應用

應用Pro/E建模功能建立牛頭刨床主運動機構的三維模型,并在機構模塊完成機構的運動定義。

2.1 機構的運動學分析圖像及應用

執(zhí)行機構模塊的運動學分析后，利用測量工具生成該分析的測量結果，可以得到不同構件的位置、速度、加速度圖像。圖2為利用測量工具生成的滑塊頂點即刨刀的相關圖像，最后為三個參數(shù)的疊加圖像。圖像中的橫坐標代表機構運動時間，總時間為36分鐘，即曲柄回轉2周，機構完成2個周期的運動；縱坐標分別代表位置坐標、速度及加速度的大小及方向。

利用圖像可以對滑塊的運動有基本的認識：據(jù)位置圖像滑塊的縱坐標呈周期性變化可知,滑塊做往復的直線運動；據(jù)速度圖像可知運動過程中速度不斷地變化，且在0～5分鐘和10～18分鐘這個過程速度始終比較小，而5～10分鐘這個過程速度比較大；據(jù)加速度圖像可知，加速度在大約7．5分鐘左右達到峰值，并且在0～5分鐘和10～18分鐘接近零值，即滑塊的速度變化很小。再結合牛頭刨床的加工過程，可以得到更具體地認識，在5～10分鐘,滑塊位置坐標逐漸減小，對應刨刀的不加工行程，此時為了提高生產效率，希望其運動速度越大越好，減少加工輔助時間；而0～5分鐘和10～18分鐘內滑塊的位置坐標逐漸增大，對應刨刀的工作行程，為了保證刨刀對平面的刨削質量，希望其運動速度適宜且最好保持勻速運動，即加速度近似為零。由此分析可知，此機構的運動特性是滿足刨床的加工需要的。

圖2 牛頭刨床機構運動學分析圖像

2.2 分析特征的敏感度分析及應用

2.2.1 分析特征的建立

執(zhí)行完運動學分析后返回標準模塊，建立分析特征，類型是運動分析，然后運行上述位置、速度、加速度三個參數(shù)，可以得到這三個參數(shù)的詳細最值信息如圖3所示。

利用系統(tǒng)功能將最大、最小位置坐標及時間創(chuàng)建為參數(shù)，繼續(xù)建立分析特征，類型是關系，對參數(shù)進行運算，得到滑塊的行程H和行程速比系數(shù)K這兩個分析特征，創(chuàng)建方法如圖4所示。仍然結合牛頭刨床的加工實際分析，滑塊的行程H對應于刨刀的刨削加工的范圍，這個參數(shù)必須大于工件的長度；行程速比系數(shù)K對應于刨刀空回行程和工作行程的平均速度之比。系數(shù)越大，空回行程所占用的相對時間越短，生產效率越高，由此這兩個參數(shù)是直接影響刨削加工過程的。利用特征的信息可以得到當前的行程H數(shù)值和行程速比系數(shù)K數(shù)值分別為100和2.75，即此機構加工長度應小于100，且回程平均速度是加工行程平均速度的2.75倍。

圖3 滑塊參數(shù)的最值信息

圖4 分析特征K及H的創(chuàng)建

2.2.2 分析特征的敏感度分析圖像及應用

在牛頭刨床主運動機構模型創(chuàng)建過程中，定義了很多設計參數(shù)，如曲柄2、導桿4和連桿5的長度、機構轉動副O(jiān)1O2間距離以及轉動副O(jiān)2到滑塊運動直線的垂直距離等。當這些設計參數(shù)變化時，定會對機構性能產生影響。如果這些設計參數(shù)都用于機構的優(yōu)化設計，會加大計算量?？紤]到不同設計參數(shù)對機構性能影響的程度不一樣，如果能定量地表示這種影響程度，就能確定哪些是重要設計參數(shù)，并排除那些影響程度很小的設計參數(shù)，從而提高優(yōu)化設計的效率[3]。Pro/E行為建模中的敏感度分析就提供了定量分析功能。圖5分別為曲柄2長度、導桿4長度、轉動副間距離O1O2、轉動副O(jiān)2到滑塊運動直線的垂直距離對行程H的敏感度圖像。圖像中的橫坐標分別代表這四個參數(shù)的變化范圍(±10%)，縱坐標代表行程H的取值變化范圍。

首先看曲線變化的趨勢：增大曲柄和搖桿的長度可以增大滑塊的行程；但是增大轉動副間距離O1O2及轉動副O(jiān)2到滑塊運動直線的垂直距離會減小滑塊的行程；這與通過解析法分析該機構得到的結論一致。其次看具體的數(shù)值，當希望滑塊的行程為90時，可從圖像中得知此時的曲柄的長度應在18，導桿在68附近取值。最后將四個圖像對比著分析，當四個參數(shù)的變化量為±10%時，相應的行程H的變化量分別為20%、25%、20%和1%，由此數(shù)據(jù)我們可知曲柄長度、導桿長度、轉動副間距離O1O2對行程H的影響較大，其中以導桿的影響最大。這樣在進行H的優(yōu)化設計時，這些參數(shù)就是重點考慮參數(shù)。

圖5 行程H的敏感度分析曲線

繼續(xù)依次使用曲柄2長度、導桿4長度、轉動副間距離O1O2、轉動副O(jiān)2到滑塊運動直線的垂直距離對行程速比系數(shù)K進行敏感度分析，得到敏感度曲線如圖6所示。

從行程速比系數(shù)K的各敏感度曲線可知，曲柄2的長度增大時，K的數(shù)值增大；轉動副間距離O1O2增大時，K的數(shù)值減小。在這兩個量的變化量為±10%時，K的變化量均為29%，這兩個量對K的影響均較大。另外兩張圖像為平行于橫坐標的直線，可知導桿3的長度及轉動副O(jiān)2到滑塊運動直線的垂直距離的改變不影響K的數(shù)值。這樣在進行K的優(yōu)化設計時，曲柄長度2和轉動副間距離O1O2即為重點考慮參數(shù)。

圖6 行程速比系數(shù)K的敏感度分析曲線

2.3 機構優(yōu)化分析及應用

通過敏感度分析了解設計參數(shù)對分析特征的影響效果的基礎上，可以進一步據(jù)此做機構的優(yōu)化分析，即在滿足一定的約束條件下，使機構的指定性能參數(shù)達到最優(yōu)。例如在該牛頭刨床機構中，希望在保證當前的加工效率前提下，使刨刀的加工長度最大。也就是在保證行程速比系數(shù)K保持不變(設計約束為“K=2.75”)的情況下，在一定范圍內改變某些設計參數(shù)，尋找使行程H最大時(設計目標為最大化H)的設計參數(shù)值，這里選取設計變量為曲柄2、導桿4、連桿5的長度及轉動副間距離O1O2、轉動副O(jiān)2到滑塊運動直線的垂直距離。執(zhí)行優(yōu)化分析計算后得到該區(qū)間內的局部優(yōu)化結果如圖7所示，同時系統(tǒng)會依據(jù)優(yōu)化結果自動更新模型，各構件的尺寸如結果中所示，此時滑塊的行程可達到局部最大值105。

圖7 機構的優(yōu)化結果

3 結論

利用行為建模技術的自動求解，綜合考慮產品最終所要求的功能行為以及為特殊目標所確定的約束條件，采用知識捕捉和迭代求解的智能化方法來完成設計工作，能在最短的時間內找到滿足工程標準的最佳設計，大大提高了設計質量和效率。但利用該功能進行分析求解過程中系統(tǒng)會產生大量圖像，通過這些圖像描述機構的運動性能。而機構的運動參數(shù)是分析評價機構工作性能，優(yōu)化機構的基本依據(jù)。本例中牛頭刨床機構運動參數(shù)是否合理直接影響其正常的工作性能。這就要求使用者能掌握各種圖像所反映的信息及其應用。本文論述了利用Pro/E行為建模功能進行機構優(yōu)化設計的典型過程，分析了運動學分析過程中產生的各種圖像及其應用，為基于行為建模的機構優(yōu)化設計提供了可參考的理論。

[1] 邱會朋,杜貴明,編著.Pro/E產品現(xiàn)代設計方法與實例精解[M].北京：清華大學出版社.

[2] 譚雪松,周克媛,主編.機械制造基礎[M].北京：人民郵電出版社.

[3] 孫艷萍.基于Pro/E行為建模技術的優(yōu)化設計[J].機械研究與應用，2011(5)：143-144.

[4] 鹿躍麗,陳江義,張明成,熊濱生.牛頭刨床六桿機構的優(yōu)化設計[J].鄭州工業(yè)大學學報，1999(9)：39-41.

(責任編輯：李文英)

Kinematic Analysis of PRO/E Behavior Modeling

Wang Xiuzhen Zhan Jianjun

(Wuhan Engineering Institute， Wuhan 430080, Hubei)

Taking shaping machine as an example, this paper introduces basic procedures of optimizing its system based on the Pro/E behavior modeling by running a kinematic analysis. By analyzing and sorting images from the optimizing process, we learned the performance and property of the machine and put it into the practice of designing.

behavior modeling; kinematics; optimizing design

2016-07-21

汪秀珍(1973～)，女，碩士，講師.E-mail：wangxz_wuhan@163.com

TP391.72

A

1671-3524(2016)04-0033-04