平面連桿機構的計算機輔助設計

段曉華

（臨汾職業技術學院，山西 臨汾 041000）

平面連桿機構的計算機輔助設計

段曉華

（臨汾職業技術學院，山西 臨汾 041000）

文章討論利用SolidWorks進行平面連桿機構設計，解決了傳統圖解法存在的問題并對機構進行運動模擬和運動分析，從而更加生動、直觀地展現平面連桿機構的運動特性。

平面連桿機構；SolidWorks；設計；運動模擬

平面連桿機構是各構件用銷軸、滑道（低副）連接而組成的平面機構。由于運動副元素是回轉面或平面，具有承載能力強、耐磨損、制造方便等特點，且能實現轉動、擺動、移動等復雜的運動轉換，因此在各種機械中應用廣泛，其中以由四個構件組成的平面四桿機構應用最廣泛，是組成多桿機構的基礎。

筆者多年在教學實踐中發現，若采用SolidWorks軟件的二維草圖功能設計機構，則能夠取代傳統的“手工”繪圖的方式，既可克服傳統圖解法精度低、作圖繁的缺點，又保留了其原理簡單、方法直觀的優點，并且無須建立解析法所必須建立的復雜的數字關系式，還可以進一步建立機構的三維模型進行運動模擬，使復雜的設計過程變得簡單快捷。SolidWorks軟件是一款機械設計自動化軟件包，具有強大的實體造型功能，可以快速設計出三維實體零件，并進行虛擬裝配及三維實體機構的運動模擬、運動分析。論文主要討論如何使用SolidWorks設計平面連桿機構的各構件尺寸，根據尺寸參數建立零件模型并進行裝配，進一步對裝配體進行運動模擬及分析。

一、平面連桿機構的設計過程

平面連桿機構的設計，就是根據對機構的運動要求并結合附加要求，確定機構各構件的尺寸參數，設計出滿足運動要求的機構。運動要求有兩類：實現已知運動規律；實現已知運動軌跡。附加要求可能有：有曲柄存在、γmin≥[γ]及機構外部尺寸或某構件尺寸的限制等。

平面連桿機構設計時，根據SolidWorks軟件參數化設計的特點，利用尺寸驅動和約束關系，在繪制圖形時不強調繪制的直線的長度、圓弧大小，而是強調繪制的形狀和幾何關系。草圖實體的大小和形狀將最終由標注的尺寸和正確的幾何關系來決定。在繪圖時，可以先繪制大概的尺寸利用“智能尺寸”按鈕來標注尺寸。SolidWorks中的幾何關系有：水平、豎直、垂直、平行、相切、同心、中點、重合、相等、對稱等等。系統提供了實時反饋功能，可根據繪圖過程中對不同實體的響應，利用鼠標光標形狀的變化、附加符號以及推理線顯示出繪圖狀態自動添加相應的幾何關系。必要時還可手動添加，選中需添加幾何關系的對象在特征管理器幾何關系列表中選擇。

例：已知搖桿LCD=150mm，擺角ψ=300，行程速度比系數K=1.25，若機架LAD=225，試確定曲柄LAB和機架LBC的長度。校檢它們的最小傳動角γmin,取[γ]=400。

設計具有急回特性的曲柄搖桿機構通常“按給定行速度變化系數”來設計平面四桿機構。

（2）根據搖桿長度LCD及搖桿擺角ψ，作出搖桿的兩極限位置C1D及C2D。在圖形窗口任選一點為固定鉸鏈中心點D，繪制兩條線C1D、C2D，標注尺寸∠C1DC2=200，過D點繪制一條中心線，選中C1D、C2D、中心線添加“對稱”幾何關系。

（3）作C2P⊥C1C2，作C2P使∠C2C1P=90°－θ，交于P。畫直線C2P、C1P，使直線C2P“豎直”，標注∠C1PC2=θ。

（4）作△P C1C2的外接圓。畫圓選擇“周邊圓”選項，過

P、C1、C2三點。則曲柄的固定回轉副A點必在此圓上。設計時，應注意為了滿足運動的連續性要求，A點不能選在EF劣弧段上。

（5）確定A點。除EF劣弧外任選一點作直線AC，使A于△P C1C2的外接圓重合。標注AD=225。

（6）確定AB。設曲柄為a，連桿為b，則:AC1=a+b AC2=b-a=＞a=(AC1－AC2)/2，以A為圓心，AC2為半徑作弧交于G,過GC1中心畫圓，過A點畫圓，兩圓添加“相等“幾何關系。AB1為曲柄長度。

（7）利用“工具”菜單下的“測量”工具可測得設計結果為：曲柄長度LAB=56mm，連桿長度LBC=196mm。

（8）校核最小傳動角。曲柄搖桿機構的最小傳動角出現在曲柄與機架兩次共線位置之一。過A點作直線C2B2；作圓心為D的弧C1C2；連接BC，C于弧C1C2重合；使C2B2、BC相等。∠BCD為最小傳動角。利用智能尺寸標注可知，∠BCD=42.250滿足設計要求。

二、平面連桿機構的虛擬裝配及運動分析

1．零件建模

建立一個新零件文件，根據圖2繪制草圖，拉伸厚度為5mm，零件建模完成保存文件名為“曲柄”。其他構件只需將長度尺寸更改分別保存，即可得到搖桿、機架、連桿的模型。

圖3

2．平面連桿機構的裝配

建立一個新裝配體文件，將完成的機架、曲柄、連桿、搖桿零件添加裝配，組成裝配體文件。裝配的過程就是按照一定的約束條件（重合、平行、相切、同軸心等）把各零件配合起來，本例中機架與曲柄采用重合和同軸心配合；曲柄與連桿、連桿與機架配合相類似。裝配體完成如圖3。

3．平面連桿機構的運動模擬及分析

激活SolidWorks Motion插件（查看“工具”/“插件”/“SolidWorks Motion復選框”是否選中。）（1）打開[運動算例1]標簽，切換到solidWorks Motion管理器。（2）添加旋轉馬達（使曲柄以3600/s的速度勻速轉動，完成一次工作循環）。從SolidWorks Motion管理器工具欄單擊“馬達”按鈕，在“馬達類型”下，選擇旋轉馬達；在“零部件/方向”下，選擇曲柄LAB；在運動下，選擇“距離”360deg、開始時間0秒、結束時間1秒確定。（3）運動模擬。在SolidWorks Motion管理器左側的算例類型下，選擇“運動分析”。運動模擬的持續時間由最頂部的時間線決定。將時間線的結束時間鍵標移到1秒。單擊“計算”圖標，留意計算過程中的運動模擬。單擊[播放]圖標可反復播放機構運動。（4）查看結果。為搖桿繪制角速度和加速度。單擊[結果和圖解]圖標，在“結果”下選擇“位移/速度/加速度、角速度和幅值”確定以顯示“LCD的角速度、LCD的角加速度”的圖解。見圖4、圖5。

圖4 LCD的角速度

圖5 LCD的角加速度

利用SolidWorks軟件進行平面連桿機構設計和分析，既避免了大量繁鎖的數學計算，又達到了預期設計的精度要求，使繁瑣的作圖過程變得簡捷，還能夠使學生直觀地觀察機構的運動狀態，從而更加深入了解機構的運動特性，達到事半功倍之功效。

［1］黃勁枝．機械設計基礎［M］．北京：機械工業出版社，2002．

［2］張晉西，郭學琴．SolidWorks及COSMOSMotion機械仿真設計［M］．北京：清華大學出版社，2001．

TP

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1673-0046（2011）08-0166-02