連桿機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)在機(jī)械工程實(shí)際中的應(yīng)用

【摘 要】對(duì)比機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析常用的方法，對(duì)連桿機(jī)構(gòu)中不同桿組進(jìn)行建模。在此基礎(chǔ)上提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包括連桿方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)、可行性判斷和機(jī)構(gòu)實(shí)體的自動(dòng)映射等功能。在研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析常用方法的基礎(chǔ)上，對(duì)連桿機(jī)構(gòu)組進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型的建模。本文刨析了機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的原理，闡述了連桿機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)在機(jī)械工程實(shí)際工作中的具體應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)應(yīng)用 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真 機(jī)械工程 連桿機(jī)構(gòu)

連桿機(jī)構(gòu)的常用方法連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析包括位置分析、速度分析和加速度分析三個(gè)方面，其基礎(chǔ)是力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)，現(xiàn)在已形成了較為成熟的連桿機(jī)構(gòu)分析方法。機(jī)械產(chǎn)品通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，利用換代從根本解決產(chǎn)品更新問(wèn)題。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)就是利用相關(guān)科學(xué)技術(shù)成果，設(shè)計(jì)出具有創(chuàng)造性及實(shí)用性的機(jī)械產(chǎn)品。機(jī)械機(jī)構(gòu)是用來(lái)變換運(yùn)動(dòng)和力的可動(dòng)裝置，實(shí)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(jī)構(gòu)。它需要工程科學(xué)、產(chǎn)品加工方法和商業(yè)運(yùn)作知識(shí)等各方面知識(shí)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(gè)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(jī)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(gè)框架對(duì)一些特征或部件有十分明確的描述，但并不要求詳細(xì)。設(shè)計(jì)的過(guò)程將已知基本單元進(jìn)行新的組合，對(duì)現(xiàn)有物品的分解與重新組合構(gòu)造，但是機(jī)構(gòu)創(chuàng)新沒(méi)有固定的模式可以依循，要?jiǎng)?chuàng)造出一種全新的新機(jī)構(gòu)，就需要組合的連桿機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用多種創(chuàng)造性原理，將設(shè)計(jì)元素進(jìn)行智能拼接與組合，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能價(jià)值的過(guò)程。

一、連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的常用方法

連桿機(jī)構(gòu)的平面機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)，是將平面機(jī)構(gòu)的位置分析問(wèn)題歸納為求解三角形問(wèn)題，并利用矢量方法來(lái)描述平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力分析，以機(jī)構(gòu)中的“阿蘇爾桿組”為基本單元，根據(jù)基本單元編制運(yùn)動(dòng)分析子程序，對(duì)每一基本桿組進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，解決了機(jī)械桿組的機(jī)構(gòu)分析問(wèn)題。同時(shí)把平面機(jī)構(gòu)看成由一些相互約束的基點(diǎn)構(gòu)成的系統(tǒng)，建立起數(shù)學(xué)模型，通過(guò)及誒額的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，。針對(duì)連桿機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)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€(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，在分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò) 逐次求解各基本桿組來(lái)完成。建立不同機(jī)械運(yùn)動(dòng)分析的數(shù)學(xué)模型，隨后編制成通用子程序，對(duì)速度及加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行求解。快速求解出各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析中構(gòu)件之間應(yīng)該滿足裝配條件，否則將不能進(jìn)行正常的運(yùn)動(dòng)，為此建立構(gòu)件庫(kù)，形成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)庫(kù)，由機(jī)構(gòu)三維參數(shù)化實(shí)體模型庫(kù)組成，如連桿的厚度。構(gòu)件之間的拼接通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖中構(gòu)件之間的拼接關(guān)系直接生成，顯示 機(jī)械構(gòu)件的編輯窗口進(jìn)行參數(shù)的編輯。取兩個(gè)構(gòu)件上需要拼接的運(yùn)動(dòng)副來(lái)進(jìn)行，把構(gòu)件節(jié)點(diǎn)與 提供的樹(shù)映射 TreeMap 類，對(duì)所涉及的機(jī)構(gòu)進(jìn)行干涉檢測(cè)。

二、連桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械工程實(shí)際工作中的具體應(yīng)用

（一）ANSYS軟件對(duì)于機(jī)械工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該確保在各種環(huán)境下，使機(jī)械精確地保持形狀和姿態(tài)。采用經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)與簡(jiǎn)化計(jì)算相結(jié)合的方法，防止出現(xiàn)機(jī)械加工的產(chǎn)品成本高的問(wèn)題，在當(dāng)前客戶要求越來(lái)越多樣化的情況下，采用功能強(qiáng)大的ANSYS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析已成為可能，對(duì)建立的實(shí)體模型自動(dòng)進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，提供了有限元計(jì)算的優(yōu)異分析功能，可獲得良好的計(jì)算精度。建立設(shè)計(jì)模型。進(jìn)行有限元機(jī)械劃分。建立邊界條件，計(jì)算節(jié)點(diǎn)載荷，組成整體剛陣，求解有限元方程。建立實(shí)體模型，并輸入需要產(chǎn)品材料特性，減少數(shù)量級(jí)的偏差。確定坐標(biāo)系，可以完成計(jì)算中所有的前處理過(guò)程。

（二）基于功能分析的創(chuàng)新設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分析執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)形式，機(jī)械的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)擺動(dòng)，往復(fù)移動(dòng)和特殊功能運(yùn)動(dòng)，記錄每分鐘轉(zhuǎn)位次數(shù)，運(yùn)動(dòng)系 間歇轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)每分鐘轉(zhuǎn)角大小，滿足機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求，適當(dāng)設(shè)置調(diào)整環(huán)節(jié)。利用基本桿組法以機(jī)構(gòu)中不可再分的運(yùn)動(dòng)鏈作為機(jī)構(gòu)的基本單元，按單元編制通用的運(yùn)動(dòng)分析子程序，在分析進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)后，將機(jī)構(gòu)劃分成基本桿組后對(duì)每一基本桿組進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)整個(gè)根據(jù)工藝受力大小，制造加工難易進(jìn)行比較，然后擇優(yōu)而取。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的齒條齒輪機(jī)構(gòu)及輸出運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)，間歇往復(fù)擺動(dòng)的組合機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)間歇往復(fù)擺動(dòng)，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)液壓缸，實(shí)現(xiàn)間歇往復(fù)擺動(dòng)。利用連桿曲線的平面連桿機(jī)構(gòu)，從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械間歇往復(fù)移動(dòng)。

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

隨著計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)和原型制造中，實(shí)現(xiàn)從符號(hào)描述到幾何表示的映射，并對(duì)產(chǎn)品的相似實(shí)例進(jìn)行評(píng)價(jià)與修改，進(jìn)而獲得產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的優(yōu)化解。識(shí)別機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件是否等于機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件的數(shù)目，判定機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)確定性，構(gòu)件中要對(duì)局部自由度、虛約束適當(dāng)處理以便正確計(jì)算出機(jī)構(gòu)的自由度。機(jī)械主動(dòng)件做有規(guī)律運(yùn)動(dòng)，位置確定的運(yùn)動(dòng)時(shí)，每一個(gè)位置機(jī)構(gòu)所有構(gòu)件都是可行的。程序在計(jì)算位置并繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，評(píng)估機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jì)語(yǔ)義描述，對(duì)已有產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息的快速產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)方案，建立平面連桿機(jī)構(gòu)圖譜庫(kù)，并機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線角度研究了平面連桿機(jī)構(gòu)檢索的方法，實(shí)現(xiàn)平面連桿機(jī)構(gòu)方案的研究，將機(jī)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行抽象和概括，運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法對(duì)基元進(jìn)行了分類剖析，以便更好地歸納和總結(jié)。

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