曲柄滑塊機構經常被用于裹包機中驅動裹包執行機構無停留的往復移動，該機構是連桿機構的特殊形式，結構簡單，運動形式比較多樣。曲柄滑塊的設計一般采用圖解法與解析法，文獻中對圖解法進行了介紹，該方法比較繁瑣且精確度差，文獻提出的解析法比較精確但要求有較深厚的理論基礎，推廣難度較大。筆者應用Creo Parametric提供的行為建模功能結合曲柄滑塊機構的運動分析結果，提出了進行曲柄滑塊機構的優化設計方法。行為建模功能在包裝設計中的應用非常廣泛，其主要思路是設定約束目標，然后設定模型參數的范圍，通過迭代計算得到產品的優化設計方案。

1 曲柄滑塊機構的問題描述

    以偏置曲柄滑塊機構為例，其位移工況見圖1。

圖1 偏置曲柄滑塊機構位移簡圖

    滑塊在C0點時處于最近位置，在C1點時為最遠位置，曲柄軸的偏距為e，曲柄的長度為L1，連桿的長度為L2，滑塊的行程為S，現在已知偏距e和行程S，確定L1和L2，并使得最小傳動角最大，圖1所示的偏置曲柄滑塊機構的最小傳動角為：

    假設e=200mm，S=800mm，現要求確定曲柄滑塊機構的曲柄與連桿的長度，要求機構的最小傳動角最大，并且滑塊與曲柄軸心的最大距離不超過1200mm。

    提出了應用Creo Parametric中的行為建模功能進行曲柄滑塊機構的優化設計方法，該方法的設計流程見圖2。

圖2 曲柄滑塊機構優化設計流程

2 曲柄滑塊機構的建模與分析

    2.1 曲柄滑塊機構的骨架模型創建

    基于Creo Parametric的Top-Down設計方法，首先創建曲柄滑塊機構的骨架模型，然后在骨架模型的基礎上創建曲柄滑塊機構。

    曲柄滑塊機構的骨架模型見圖3，曲柄滑塊機構模型見圖4，通過骨架模型控制曲柄滑塊機構可以為后續的模型優化帶來極大的便利，骨架模型被優化后，相應模型的尺寸也會隨之再生。為使得后續優化數據取整，在此設置尺寸屬性，使得尺寸的小數位數為0。

圖3 骨架模型(mm)

圖4 曲柄滑塊機構模型

    2.2 創建滑塊位移測量特征

    為得到滑塊在運動過程中的行程，需要創建一個滑塊位移的測量特征DISTANCE:ANALYSIS_DIS-TANCE_1，見圖5。滑塊位移為平面ASM_RIGHT與DTM1之間的距離。

圖5 創建距離測量分析特征

    2.3 對曲柄滑塊機構進行機構分析

    進入Creo Parametric的“機構”模塊，在曲柄軸上添加伺服電動機，電動機的速度為36r/s，見圖6。對模型進行分析，類型為“位置”的機構分析Analysis-Definitionl，運行時間為20s，并運動分析結果保存下來。

圖6 定義伺服電動機

    2.4 對曲柄滑塊機構進行運動分析

    在Creo Parametric的“標準”建模環境下，創建一個運動分析，見圖7，運動分析的參數選擇，距離分析特征DISTANCE:ANALYSIS_DISTANCE_1。運動分析過程中，距離分析特征在運動時間內的變化規律曲線見圖8。創建運動分析時，在結果參數中將MAX_DISTANCE運動中獲得的最大參數值）和MIN_DIS-TANCE運動中獲得的最小參數值）的創建值修改為“是”，見圖9。

圖7 定義運動分析

圖8 滑塊位移-時間變化曲線

圖9 定義運動分析結果參數

3 曲柄滑塊機構的優化設計

    3.1 創建優化設計目標約束

    曲柄滑塊機構的優化設計數學模型為：

    其中最小傳動角γmin，滑塊的行程S，需要創建單獨的分析特征。

    1)創建滑塊行程分析特征。同樣創建一個關系分析特征，關系式為：D=MAX_DISTANCE:FID_ANALYSISl-MIN_DISTANCE:FID_ANALYSIS1，其中D為滑塊行程，關系式的含義為運動分析的滑塊最大位移減去最小位移。

    2)創建最小傳動角分析特征。單擊創建一個關系分析特征，A=acos((d12:0+d5:0)/d3:0)，見圖10。其中4為最小傳動角，d2:0為曲柄長度，d5:0為偏距值，d3:0為連桿長度。

圖10 創建最小傳動角分析特征

    3.2 進行曲柄滑塊機構的優化設計

    在Creo Parametric的“標準”建模環境下，單擊，在圖11所示的“優化/可行性”對話框中，選擇設計目標為最小傳動角分析特征“A:ANALYSIS3”，目標類型為“最大化”；設計約束設定為行程分析特征“D:ANALYSIS2=800”和滑塊的最大位移分析特征“MAX_DISTANCE:ANALYSIS1”；設計變量選擇骨架模型中的曲柄長度尺寸與連桿長度尺寸，并設定曲柄長度尺寸d2:ASMOO01_SKEL的取值范圍為[350，500]，連桿長度尺寸d3:ASM0001_SKEL的取值范圍為[600，1000]。

圖11 曲柄滑塊優化設計對話框

    系統經過迭代計算后得到圖12所示的“優化目標收斂圖”，并對模型尺寸進行優化，優化后的曲柄滑塊機構見圖13。經過優化后曲柄長度為385mm，連桿長度為832mm，此時最小傳動角為45.37°。

圖12 優化目標收斂

圖13 曲柄滑塊機構優化設計結果(mm)

4 結論

    通過Creo Parametric的行為建模功能與機構運動分析的配合應用，非常方便地對曲柄滑塊機構進行了優化，該方法在實際的產品開發中具備很高的推廣價值。

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本文標題：基于Creo Parametric的包裝機曲柄滑塊機構的優化設計

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