制 造 业 自 动 化 基于 Pro/E 的活塞曲轴连杆机构的参数化设计 刘永峰, 田洪森, 秦建军 (北京建筑工程学院 机械电子工程系, 北京 100044) 摘 要：通过阐述基于 Pro/E 模型的参数化设计方法,介绍了参数化设计的基本原理和功能,分析了发 动机活塞曲轴连杆机构中的参数化设计造型过程,并以实例详细阐述了活塞、连杆、曲轴以及 整体装配的三维造型设计步骤及关键技术。 关键词：Pro/E; 参数化设计; 三维造型 中图分类号：TU441 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2006)04-0016-02 0 引言 随着科学技术的迅猛发展，计算机辅助设计技 术已从二维绘图发展到当今的三维建模设计。目前 越来越多的 C A D / C A M 软件正受到广大用户的青 睐，PRO/ENGINEER 软件因其强大的功能和友好的 界面而深受欢迎，成为当前三维 CAD/CAE/CAM 软 件 领 域 的 主 力 军 ， 它 是 美 国 参 数 科 技 公 司 （Parametric Technology Corporation ，PTC）于1988 年首创的一个参数化的、基于特征的实体造型软件， 以其参数化设计技术而闻名。 活塞曲轴连杆机构是发动机中的重要零部件,但 Pro/E软件不能直接生成。通过复杂的造型设计虽可 以生成活塞曲轴连杆机构, 但变化活塞直径、曲轴长 度、连杆长度后,又需要进行复杂的计算和造型形状 判断,工作量很大, 活塞曲轴连杆机构的三维造型设 计成了许多研究人员面临的难题。本文始于参数化 建模,尔后运用有限元理论进行分析以预测各种力学 性能,最后为验证虚拟设计进行实验,所有步骤均建立 在 CAD 平台的参数化数据之上,开发工作以一种清 洁、高效且低成本的方式进行,真正实现计算机辅助 发动机的结构设计与性能分析和优化。 1 参数化设计 1.1 虚拟参数化设计原理 所谓虚拟参数化设计是指在利用计算机进行设 计时,在设计特征、零件、和装配件时是基于决定设 计物理形状的参数造型技术。修改某一个参数值就 改变相应特征和所有参考该特征的特征。Pro/E作为 一个由设计至生产的机械自动化软件，可全方位地 进行三维产品设计开发工作，如用于机械、电子、汽 车、模具、航空、家电和工业设计等领域，进行产 品造型设计、装配设计、模具设计、钣金设计、机 构仿真、有限元分析和 NC 加工等。其所提出的单 一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变 了机械 CAD/CAE/CAM 的传统观念。利用该概念开 发出来的产品,能将设计至生产的全过程集成到一起, 让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工 作,即实现所谓的并行工程。其特点表现在: (1) 真正的全相关性,任何地方的修改都会自动 反映到所有相关的地方; (2) 具有真正管理并发进程、实现并行工程的能 力; (3) 具有强大的装配功能,能够始终保持设计者 的设计意图; (4) 容易使用,可以极大地提高设计效率。 系统用户界面简洁,概念清晰,符合工程人员的 设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上, 具有完整而统一的模型。另外,该系统独立于硬件,便 于移植,是目前计算机辅助发动机工程中几何建模的 常用软件之一,具有较强的参数化设计功能。 基于特征的参数化设计的主要优势在于造型时 捕捉设计意图的能力。也正因其以特征作为设计的 单元,所以可以随时对特征做合理的、不违反几何顺 序的调整、插入、删除、重新定义等修改动作，可 轻易地改变模型。这一功能特性给工程设计者提供 了在设计上从未有过的简易和灵活。创建一个参数 化零件模型的过程大致有如下几个步骤：(1) 定义截 面轮廓：对草图施加尺寸约束和几何约束；(2) 拉 伸、旋转、扫掠、混成等；(3) 切割、打孔、拔模斜 收稿日期：2005-09-27 基金项目：北京建筑工程学院 2005 年专项科研基金（Nr.1005039 ） 作者简介：刘永峰（1973 －），男，山西人，2004 年国家留学基金委公派德国访问学者一年，副教授，硕士，研究方向为 发动机仿真，C A D 等。 【16】 第 28 卷 第 4 期 2006-04 

制 造 业 自 动 化 度、倒斜角、倒圆角、抽壳、阵列、复制等；(4) 修 改草图、修改特性、修改各类参数；(5) 动态观察、 渲染处理等。 在 Pro/E 中，创建三维零件模型是一个设计过 程。因此，在上述几个步骤中，可以随时修改已经 生成的草绘特征，这些修改都是建立在修改尺寸的 基础之上。修改尺寸参数时，零件的几何图形大小 以及几何元素的相对位置都会被自动改变。设计者 建立模型的每一个步骤、每一个细节的信息都自动 地被Pro/E 记录在一个智能的、动态的数据库中。其 中，不仅记录了造型的信息，更重要的是记录了反 馈用户设计意图的各种设计关系和设计约束，从而 实现了参数化设计，这些就是Pro/E这类特征造型系 统的最基本特征。 1.2 参数化设计流程图 计算机辅助几何建模常采用“自顶向下”的设 计方法，即将复杂的计算区域分解为两个或多个足 够简单的子系统，然后来决定原始任务的解决方案。 这里以发动机活塞曲轴连杆机构几何建模为例，其 过程如图 1 所示。其中，活塞的初始形态的确定应 根据缸盖总体布置方案的具体情况，结合活塞设计 的经验来完成，该过程即为活塞布置的草图设计， 该草图应能充分体现缸盖中气道的空间布置位置。 2 应用实例 活塞曲轴连杆机构的结构形状尤其是曲面是异 常复杂，这里以 A8 八缸柴油发动机为例，其活塞直 径 75mm ，连杆长度 132mm ，研究其几何建模。 2.1 零件的建模 如图 2 所示，在活塞、连杆、曲轴的三维造型 中，控制曲线一方面是用来确保所有用这些曲线生 成的曲面均在总体布置准许的空间内，另一方面是 充分考虑直接影响零件性能的截面特性。这些控制 曲线包括分型线和上中下线等，它们在绘制特定的 曲线形状时很有用，所以需注意下一步将要用到的 边界条件、拔模角、圆角可行性等因素的影响。考 虑到通用 CAD 图像软件中的“扫描”命令，零件上 表面和侧面均可由分型线和中线通过“扫描”得到。 为了获得零件模型的光顺度，在“扫描”过程中所 使用的边界条件是十分重要的影响因素，一张不附 带任何边界条件的曲面通常会导致不可预期的形状， 而且它也不能满足预期的设计要求。 图1 三维几何建模流程 图 2 活塞、连杆、曲轴的三维造型 2.2 整体装配 如图 3 所示，在活塞曲轴连杆机构的整体装配 【下转第 38 页】 第 28 卷 第 4 期 2006-04 【17】 

制 造 业 自 动 化 轴模板的五块 PCB 的演示信号是让受培训者来连接 的，连接好以后才允许进入后面的环节，这样必定 给受培训者深刻的印象，对理解数控系统的电气结 构起着积极的作用。怎么才能做到“连接好以后才 允许进入后面的环节”呢？这一点是这样实现的，I/ O、X 轴进给、Y 轴进给、Z 轴进给、主轴模板的五 块 PCB 的演示信号都连接到控制卡的数字输入端， 那么 PC 就可以通过控制卡采集连接好与否的信号， 具体实现就是用函数取得状态值，然后判断是否与 正确值 FFFFH 相等，如果相等就继续，不相等就重 做，从而保证了“连接好以后才允许进入后面的环 节”。 其次，试验台进行故障设置之后，让受培训者 根据故障现象，还有 I/O 模板的 PCB 上还预留了测 量点，可以通过万用表测量出信号的通断，来判断 是哪里出了故障，然后再解决。故障设置是通过函 数来实现的，之后，让受培训者根据故障现象，还 有通过万用表测量 I/O 模板的 PCB 上的测量点的通 断，来判断是哪里出了故障，在相应的界面上填写， 软件再使用函数读回继电器状态，比较完全一致就 是正确的否则错误。 在制造行业中，数控机床是一种主要的生产设 备。数控机床的正常工作对企业是非常重要的，那 么数控机床的故障诊断与维护就显得非常重要。本 文以此作为切入点，提出了基于状态监测和故障诊 断的数控教学平台，进行了一系列理论探讨和实践 研究，希望能起到抛砖引玉的作用，推动数控机床 故障诊断的发展。 参考文献: [1] 胡俊,王宇晗. 数控技术的现状和发展趋势[M]. 西安: 西安 工业大学出版社,2000:127-139. [2] DOUGLASE C. Computer network and internet[M]. Croatai: Automatica, 1998:416-427. [3] 张俊,魏红根. 数控技术发展趋势[J]. 制造技术与机床,2000， 243(4):23-27. [4] PRITSCHOW G, DANIEL C. Open system controller－A challenger for the future of the machine tool Industry[J]. Annals of the CIRP,1993,42(5):65-69. [5] 廖效果,朱启逑. 数字控制机床[M]. 武汉: 华中理工大学出 版社,1992:38-46. [6] 屈梁生,何正嘉. 机械故障诊断学[M]. 上海: 上海科技出版 社,1986:15-18. [7] 廖伯瑜. 机械故障诊断基础[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1995:5-8. [8] 张正松,等. 旋转机械诊断检测及故障诊断[M]. 北京: 机械 工业出版社,1991:21-24. 【上接第 17 页】 对零件性能影响敏感的区域。不合适的圆角方案不 仅会导致圆角生成的失败，而且还会导致不理想的 装配性能。图中加入了飞轮，是为了增加整图的完 整性，其参数的选择是根据相关技术规范得来的。 3 结语 采用参数化建模，可以方便快捷地生成不同的 设计方案，结合有限元计算，可进行从初步设计到 模拟计算、经分析与改进再进行计算的设计迭代， 进而进行优化探索，为寻找和确定符合各方面设计 要求与性能最优的活塞曲轴连杆机构打下良好基础。 参考文献: [1] 蒋炎坤. CFD辅助发动机工程的理论与应用[M]. 北京: 科 学出版社,2004. [2] 蒋炎坤,周济. 基于流场动力学行为的机械产品结构性能 研究[J]. 机械工程学报,2002,38(4):115-119. [3] PETERS N. Turbulent combustion[M]. Cambridge Univer- sity Press,2004:1-5. [4] 秦建军,刘永峰. 中文版AutoCAD 2004 基础教程与应用 [M]. 北京: 科学技术出版社,2004. 图3 整体装配三维造型 造型中，考虑到曲面的封闭，需进行曲面“合并”及 “合并”过程中被剪切曲面公共边的倒圆角。这里需 要注意的是圆角尺寸，常尺圆角在实际建模中不太 可能被采用，而变尺圆角的构建又与控制点的选取 及相应控制点的圆角尺密切相关，所以选择控制点 时应尽量避免潜在圆角的生成困难，其位置应位于 【38】 第 28 卷 第 4 期 2006-04