連桿機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計在機械工程實際中的應(yīng)用

肖萍萍?郭曉慶?張書瑋

連桿機構(gòu)的常用方法連桿機構(gòu)的運動學分析包括位置分析、速度分析和加速度分析三個方面，其基礎(chǔ)是力學中的運動學，現(xiàn)在已形成了較為成熟的連桿機構(gòu)分析方法。機械產(chǎn)品通過創(chuàng)新設(shè)計，利用換代從根本解決產(chǎn)品更新問題。機械創(chuàng)新設(shè)計就是利用相關(guān)科學技術(shù)成果，設(shè)計出具有創(chuàng)造性及實用性的機械產(chǎn)品。機械機構(gòu)是用來變換運動和力的可動裝置，實質(zhì)就是構(gòu)造并修改三維模型，創(chuàng)造出結(jié)構(gòu)形式新穎的機構(gòu)。它需要工程科學、產(chǎn)品加工方法和商業(yè)運作知識等各方面知識相互融合在一起，以產(chǎn)品全生命周期內(nèi)最為重要的決策。在每個主要的功能都可以根據(jù)空間或結(jié)構(gòu)上的關(guān)系，從機械框架中得到產(chǎn)品的成本、重量或總體尺寸樣本，然后這個框架對一些特征或部件有十分明確的描述，但并不要求詳細。設(shè)計的過程將已知基本單元進行新的組合，對現(xiàn)有物品的分解與重新組合構(gòu)造，但是機構(gòu)創(chuàng)新沒有固定的模式可以依循，要創(chuàng)造出一種全新的新機構(gòu)，就需要組合的連桿機構(gòu)方案設(shè)計，綜合運用多種創(chuàng)造性原理，將設(shè)計元素進行智能拼接與組合，實現(xiàn)預期功能價值的過程。

1 連桿機構(gòu)運動學分析的常用方法

連桿機構(gòu)的平面機構(gòu)的機構(gòu)，是將平面機構(gòu)的位置分析問題歸納為求解三角形問題，并利用矢量方法來描述平面連桿機構(gòu)的運動及動力分析，以機構(gòu)中的“阿蘇爾桿組”為基本單元，根據(jù)基本單元編制運動分析子程序，對每一基本桿組進行運動分析，解決了機械桿組的機構(gòu)分析問題。同時把平面機構(gòu)看成由一些相互約束的基點構(gòu)成的系統(tǒng)，建立起數(shù)學模型，通過及誒額的運動分析，建立約束非線性方程組，需要引用數(shù)值解法各有特點，。針對連桿機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計虛擬仿真的需要，選擇基本桿組，調(diào)用 相應(yīng)的桿組程序?qū)φ麄€機構(gòu)進行分析，在分析機構(gòu)運動時，通過 逐次求解各基本桿組來完成。建立不同機械運動分析的數(shù)學模型，隨后編制成通用子程序，對速度及加速度等運動參數(shù)進行求解?？焖偾蠼獬龈鼽c的運動參數(shù)。 機構(gòu)運動分析中構(gòu)件之間應(yīng)該滿足裝配條件，否則將不能進行正常的運動，為此建立構(gòu)件庫，形成機構(gòu)運動簡圖符號庫，由機構(gòu)三維參數(shù)化實體模型庫組成，如連桿的厚度。構(gòu)件之間的拼接通過機構(gòu)運動簡圖中構(gòu)件之間的拼接關(guān)系直接生成，顯示 機械構(gòu)件的編輯窗口進行參數(shù)的編輯。取兩個構(gòu)件上需要拼接的運動副來進行，把構(gòu)件節(jié)點與 提供的樹映射 TreeMap 類，對所涉及的機構(gòu)進行干涉檢測。

2 連桿機構(gòu)在機械工程實際工作中的具體應(yīng)用

（一）ANSYS軟件對于機械工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計

合理的設(shè)計應(yīng)該確保在各種環(huán)境下，使機械精確地保持形狀和姿態(tài)。采用經(jīng)驗類比設(shè)計與簡化計算相結(jié)合的方法，防止出現(xiàn)機械加工的產(chǎn)品成本高的問題，在當前客戶要求越來越多樣化的情況下，采用功能強大的ANSYS軟件進行設(shè)計分析已成為可能，對建立的實體模型自動進行有限元網(wǎng)格的劃分，提供了有限元計算的優(yōu)異分析功能，可獲得良好的計算精度。建立設(shè)計模型。進行有限元機械劃分。建立邊界條件，計算節(jié)點載荷，組成整體剛陣，求解有限元方程。建立實體模型，并輸入需要產(chǎn)品材料特性，減少數(shù)量級的偏差。確定坐標系，可以完成計算中所有的前處理過程。

（二）基于功能分析的創(chuàng)新設(shè)計機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

分析執(zhí)行構(gòu)件的運動形式，機械的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，往復擺動，往復移動和特殊功能運動，記錄每分鐘轉(zhuǎn)位次數(shù)，運動系 間歇轉(zhuǎn)動數(shù)每分鐘轉(zhuǎn)角大小，滿足機械運動規(guī)律的要求，適當設(shè)置調(diào)整環(huán)節(jié)。利用基本桿組法以機構(gòu)中不可再分的運動鏈作為機構(gòu)的基本單元，按單元編制通用的運動分析子程序，在分析進行機構(gòu)運動后，將機構(gòu)劃分成基本桿組后對每一基本桿組進行運動分析，對整個根據(jù)工藝受力大小，制造加工難易進行比較，然后擇優(yōu)而取。曲柄搖桿機構(gòu)的齒條齒輪機構(gòu)及輸出運動能夠?qū)崿F(xiàn)往復擺動，間歇往復擺動的組合機構(gòu)可以實現(xiàn)間歇往復擺動，通過控制驅(qū)動液壓缸，實現(xiàn)間歇往復擺動。利用連桿曲線的平面連桿機構(gòu)，從動件凸輪機構(gòu)，實現(xiàn)機械間歇往復移動。

（三）在產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)方面的創(chuàng)新

隨著計算機輔助概念設(shè)計的研究，一些大型的CAD商品化軟件中，生成高精度的曲面幾何模型，并直接傳送到機械設(shè)計和原型制造中，實現(xiàn)從符號描述到幾何表示的映射，并對產(chǎn)品的相似實例進行評價與修改，進而獲得產(chǎn)品概念設(shè)計的優(yōu)化解。識別機構(gòu)中的構(gòu)件是否等于機構(gòu)的原動件的數(shù)目，判定機構(gòu)的運動確定性，構(gòu)件中要對局部自由度、虛約束適當處理以便正確計算出機構(gòu)的自由度。機械主動件做有規(guī)律運動，位置確定的運動時，每一個位置機構(gòu)所有構(gòu)件都是可行的。程序在計算位置并繪制機構(gòu)運動過程中，評估機構(gòu)運動分析中構(gòu)件之間裝配條件，桿組則需滿足裝配條件建立規(guī)范化的產(chǎn)品設(shè)計語義描述，對已有產(chǎn)品設(shè)計信息的快速產(chǎn)品設(shè)計要求。設(shè)計可重用技術(shù)及建模技術(shù)研究重用模式。闡述了基元組合的連桿機構(gòu)方案，建立平面連桿機構(gòu)圖譜庫，并機械機構(gòu)運動軌跡曲線角度研究了平面連桿機構(gòu)檢索的方法，實現(xiàn)平面連桿機構(gòu)方案的研究，將機構(gòu)構(gòu)件進行抽象和概括，運用系統(tǒng)工程的方法對基元進行了分類剖析，以便更好地歸納和總結(jié)。

作者簡介

肖萍萍（1995-），現(xiàn)就讀于鄭州大學機械工程學院。