運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳 沖

（福州大學(xué)至誠學(xué)院，福建 福州 350002）

運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳 沖

（福州大學(xué)至誠學(xué)院，福建 福州 350002）

運(yùn)動力學(xué)是研究物體運(yùn)動規(guī)律的，通常指的是物體的運(yùn)動.隨著現(xiàn)代運(yùn)動力學(xué)理論的不斷延伸發(fā)展，其在很多領(lǐng)域已經(jīng)有了比較深入的應(yīng)用.基于此，在本文的研究中，主要對運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行論述，并結(jié)合一些實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)案例，對運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用價(jià)值和作用進(jìn)行分析，希望可以對相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)\(yùn)動力學(xué)的科學(xué)運(yùn)用起到一定的參考和啟發(fā)作用.

運(yùn)動力學(xué)；零部件鏈接；機(jī)械結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)應(yīng)用；疲勞力學(xué)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，會運(yùn)用很多原理，其中運(yùn)動力學(xué)原理發(fā)揮著非常重要的理論指導(dǎo)作用.在物理學(xué)的很多力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)動力學(xué)也是受到很多研究人員重視和關(guān)注的.可以說，運(yùn)動力學(xué)作為機(jī)械科學(xué)與物理學(xué)科的一種連接紐帶，通過科學(xué)合理的應(yīng)用運(yùn)動動力學(xué)，對于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改良和優(yōu)化，具有十分有價(jià)值的指導(dǎo)意義.機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率的提升，離不開運(yùn)動力學(xué)理論的支撐.因此，本文通過對運(yùn)動力學(xué)進(jìn)行深度解析，并將機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要素進(jìn)行系統(tǒng)歸納總結(jié)，結(jié)合一些實(shí)際案例，對運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用問題進(jìn)行分析.

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在應(yīng)用中的技術(shù)要素

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械工藝技術(shù)革新的重要技術(shù)手段，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很多關(guān)鍵技術(shù)要素，正是決定機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的基礎(chǔ).運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)要素的改良優(yōu)化，并且在設(shè)計(jì)工藝、生產(chǎn)效率方面也要得到提升.機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在幾何層面、理論原理層面，要遵循精密設(shè)計(jì)技術(shù)的原則指導(dǎo)，保證零部件之間實(shí)現(xiàn)精細(xì)緊密的咬合，并保證咬合力得到一定程度的提升.在機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中，咬合力能夠隨著機(jī)械零部件的轉(zhuǎn)動，而實(shí)現(xiàn)動態(tài)的變化，保持同機(jī)械運(yùn)動作業(yè)要求相符合的力度要求.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要對不同的面進(jìn)行優(yōu)化，通過應(yīng)用運(yùn)動力學(xué)原理，保證每一個不同的面上的用力、收禮以及摩擦阻力等，在機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，達(dá)到和動態(tài)平衡變化.

2 運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械結(jié)果設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有著很高的應(yīng)用價(jià)值.從當(dāng)前的實(shí)踐應(yīng)用情況來看，其價(jià)值主要體現(xiàn)在如下兩個方面：

2.1 在機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件的鏈接方面

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，會用到很多零部件，而對零部件的鏈接，不同的鏈接方式，其效果和作用也不相同.例如，應(yīng)用較多的零部件鏈接模式，間接鏈接和直接鏈接.在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，會出現(xiàn)相差較大的表現(xiàn).不過在運(yùn)動力學(xué)的核心指導(dǎo)思想上，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要素在根本上是相同的.例如，很多機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過觀測力矩的不同變化，然后計(jì)算不同聯(lián)接點(diǎn)之間的摩擦力和壓力，根據(jù)這些數(shù)據(jù)就可以合理的選擇零部件的鏈接方式，并對零部件的材料選擇、工藝制作等，提出更加的科學(xué)建議.運(yùn)動力學(xué)在精確計(jì)算下，能夠?yàn)闄C(jī)械零部件的指標(biāo)性選擇，提供更加有力的理論支撐.在一些工業(yè)機(jī)械設(shè)備中，常見到由于動力輸出、鏈接方式的不恰當(dāng)，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體功能發(fā)揮不出來，或者是動力傳輸效率低下，這些都與運(yùn)動力學(xué)的運(yùn)用情況有關(guān)，合理的運(yùn)動力學(xué)應(yīng)用設(shè)計(jì)，能夠提高機(jī)械設(shè)備的運(yùn)作效率.對于減少不合理的動力輸出減損，提高傳輸效率，有著很重要的作用.

2.2 指導(dǎo)合理解決零部件的損耗

機(jī)械結(jié)構(gòu)包含豐富的零部件，機(jī)械結(jié)構(gòu)整體作用的發(fā)揮，主要是依靠零部件的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的.而在對機(jī)械零部件進(jìn)行操作環(huán)節(jié)，由于各種零件之間會產(chǎn)生摩擦，所以摩擦損耗幾乎是不可避免的.在這種情況下，運(yùn)動力學(xué)的原理和理念，就可以發(fā)揮非常重要的指引作用.通過借助運(yùn)動力學(xué)的機(jī)械運(yùn)動理論，根據(jù)機(jī)械機(jī)構(gòu)中的零部件在摩擦運(yùn)動中的實(shí)際做功情況，可以比較精確的計(jì)算不同結(jié)構(gòu)部位的損耗系數(shù).機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如果掌握了各種零部件比較精確的損耗系數(shù)，則會在零部件的材質(zhì)選擇、調(diào)試保養(yǎng)方式方面，進(jìn)一步提高水平，從而降低機(jī)械結(jié)構(gòu)的損耗程度，延長使用壽命.在一些比較重要的精密機(jī)械結(jié)構(gòu)中，例如，醫(yī)療設(shè)備、分析儀器等，里面往往有一些容易損耗的材料，如果相關(guān)的結(jié)構(gòu)的力學(xué)設(shè)計(jì)不合理，會導(dǎo)致局部作用力的偏大失衡，其結(jié)構(gòu)就是導(dǎo)致一些抗磨性較差的部件發(fā)生損壞，從而影響實(shí)際使用效果.因此，通過對運(yùn)動力學(xué)應(yīng)用的科學(xué)分析，梳理每一個結(jié)構(gòu)部件的運(yùn)動力學(xué)應(yīng)用情況，對存在問題的，要進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化.

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，運(yùn)動力學(xué)的常用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.1 要能夠滿足力學(xué)的各方面綜合要求

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)比較復(fù)雜、系統(tǒng)的工作，而在設(shè)計(jì)過程中，很多地方運(yùn)用到運(yùn)動力學(xué)原理以及其他方面的物理力學(xué)原理.這就要求在設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，要綜合考慮各種情況下，力學(xué)原理的使用準(zhǔn)則.例如，對于在使用時(shí)，不斷運(yùn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)，要考慮運(yùn)動力學(xué)在不同結(jié)構(gòu)部位運(yùn)用是否合理，機(jī)械結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、運(yùn)轉(zhuǎn)速度等，都會影響運(yùn)動力學(xué)原理的最終表現(xiàn)效果.機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，不同的結(jié)構(gòu)部位，其所受到的作用力不同，也會使得結(jié)構(gòu)部件的抗疲勞性能發(fā)生變化，從這個角度來說，在研究運(yùn)動力學(xué)應(yīng)用的同時(shí)，也需要考慮到材料力學(xué)、疲勞力學(xué)以及其他可能發(fā)生的物理變化的，在綜合各方面要求的基礎(chǔ)上，通過合理的設(shè)計(jì)，發(fā)揮運(yùn)用力學(xué)的綜合指導(dǎo)作用，提高機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性.

3.2 創(chuàng)新機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念

運(yùn)動力學(xué)在現(xiàn)代機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用的方式方法在不斷創(chuàng)新變化.而機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念，也要隨著新的技術(shù)的應(yīng)用突破，進(jìn)行不斷創(chuàng)新.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)用較多的設(shè)計(jì)理念，就是變元設(shè)計(jì)方法.變元設(shè)計(jì)理念的核心內(nèi)涵就是定元、定向控制設(shè)計(jì)，找到影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，并通過對變量的調(diào)整變化，設(shè)計(jì)好機(jī)械結(jié)構(gòu)變化情況下運(yùn)動力學(xué)適用模型.很多創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和新的結(jié)構(gòu)模型，在使用過程中表現(xiàn)的效果非常好.運(yùn)用運(yùn)動力學(xué)，既要達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理，同時(shí)，又要保證機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用的經(jīng)濟(jì)效益.在很多大型的機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有結(jié)構(gòu)組織的變化，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件之間的作用力發(fā)生變化，在這種情況下，定元、定向的設(shè)計(jì)方法，就能夠控制好機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵程序，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，減少不當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)失誤.

4 運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的程序

運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用是一項(xiàng)比較復(fù)雜的系統(tǒng)過程，需要機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員做到整體的把握，并且做好其他相關(guān)理論的論證和實(shí)驗(yàn).在本文的研究過程中，通過對一些實(shí)際設(shè)計(jì)案例的分析，基本上總結(jié)出如下幾個方面的設(shè)計(jì)步驟程序.

4.1 形成運(yùn)動力學(xué)設(shè)計(jì)的整體策略

運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用，要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大的方面確定整體策略.有了一個比較完善的整體策略，在全局觀的視角下，形成運(yùn)動力學(xué)在不同細(xì)小分支部件的應(yīng)用模型.這對于設(shè)計(jì)者來說，首先在整體策略中，要考慮好哪些大的部件結(jié)構(gòu)，需要運(yùn)用運(yùn)動力學(xué)，其運(yùn)用的實(shí)際效果能夠達(dá)到什么程度，這就需要形成一個比較模糊的設(shè)計(jì)形象概念.比較精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還需要運(yùn)用一些科學(xué)算法，如數(shù)學(xué)模糊算法、微積分計(jì)算等，得到運(yùn)動力學(xué)的設(shè)計(jì)應(yīng)用參數(shù)范圍.在這個基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者可以基本上確定機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的大小尺寸，占用空間等.尺寸設(shè)定好之后，需要對結(jié)構(gòu)部件的材料進(jìn)行選擇，材料的確定，要考慮對應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，以及在結(jié)構(gòu)運(yùn)動過程中，參數(shù)的變化.

4.2 對機(jī)床的結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行確定

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，一些重要的部位零部件，不僅要在圖紙上進(jìn)行理論論證說明，分析運(yùn)用力學(xué)的應(yīng)用邏輯，而且在實(shí)際結(jié)構(gòu)部件組裝時(shí)，還要能夠順暢對接.這就需要做好機(jī)床加工的結(jié)構(gòu)布置方案.機(jī)床是沖壓各種零部件的重要設(shè)備，在沖壓過程中，會對一些關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行力度檢驗(yàn)，運(yùn)動力學(xué)運(yùn)用是否合理，通過機(jī)床結(jié)構(gòu)方式的變化，能夠進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn).所以，對于機(jī)械結(jié)構(gòu)來說，運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用，必須要做到圖紙與實(shí)物的順暢對接，不能出現(xiàn)在設(shè)計(jì)圖紙上論證可行的理論，而在實(shí)物機(jī)械結(jié)構(gòu)中不能發(fā)揮作用的現(xiàn)象.機(jī)床的結(jié)構(gòu)方式，同實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)備的設(shè)計(jì)模型要匹配，在運(yùn)動力學(xué)原理的應(yīng)用方法，機(jī)床內(nèi)部的結(jié)構(gòu)方式、動力作用傳輸、結(jié)構(gòu)控制等，要做好設(shè)計(jì)科學(xué)，使用合理，這樣才能夠?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，提供良好的基礎(chǔ)架構(gòu)支撐.

4.3 合理設(shè)定機(jī)械結(jié)構(gòu)的各部件及總成結(jié)構(gòu)形式功能

運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)作時(shí)，要顯示出其應(yīng)用優(yōu)勢和特點(diǎn)，就需要對總體的結(jié)構(gòu)形式機(jī)器功能進(jìn)行合理設(shè)定.機(jī)械結(jié)構(gòu)中的部件功能、性質(zhì)，以及組合方式，要能夠確保在發(fā)生一些較小的物理碰撞下，保持完好.各種組件的安裝和拆卸，要考慮設(shè)計(jì)空間結(jié)構(gòu)的便利性.例如，在內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)比較小的情況下，一般耗材部件的更換，如果能夠通過科學(xué)的設(shè)計(jì)，改變部件的一些形式，則會使得部件的更換變得省時(shí)省力.運(yùn)動力學(xué)中常用的一些動力傳輸工具，例如齒輪、皮帶、鏈條等，在這些傳遞部件中，皮帶是比較容易損壞的.在考慮綜合結(jié)構(gòu)部件合理、性能達(dá)到要求的情況下，如果能夠在設(shè)計(jì)中減少對皮帶的使用，或者使用一些較小的齒輪代替，則會大大減小更換皮帶的時(shí)間.這在實(shí)際機(jī)械設(shè)備施工作業(yè)中，往往會影響效率和實(shí)際作業(yè)質(zhì)量.所以，對于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，很多部件更換問題，通過運(yùn)動力學(xué)相關(guān)理論的融合與指導(dǎo)，變化動力、機(jī)械運(yùn)動方式，保證其功能作用不受影響，這樣才能夠充分體現(xiàn)運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用價(jià)值.

4.4 做好運(yùn)動力學(xué)相關(guān)理論的計(jì)算校核

運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用方面，是需要進(jìn)行比較復(fù)雜的計(jì)算和校核的.因此，對于設(shè)計(jì)技術(shù)人員一定要掌握必要的計(jì)算方法.例如支持PLC或數(shù)控系統(tǒng)或運(yùn)動控制卡等這一類東西所需要的程序邏輯算法.舉個簡單的例子就是比如解決一只N軸聯(lián)動的機(jī)械手的算法問題.需要考慮當(dāng)臂關(guān)節(jié)平面移動，臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，肘關(guān)節(jié)平面移動，肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，指關(guān)節(jié)擺動等一切運(yùn)動所遵循的運(yùn)動軌跡方程.要緊密聯(lián)系物理現(xiàn)象的計(jì)算.比如靜力學(xué)，運(yùn)動力學(xué)，彈性力學(xué)，流體力學(xué)等.當(dāng)設(shè)計(jì)某個零件時(shí)，首先要考慮這個零件所要承擔(dān)或完成什么任務(wù)，再結(jié)合這些任務(wù)去確定這個零件的形狀，確定形狀和所需要滿足的運(yùn)動關(guān)系尺寸后再去針對這個零件的受力狀態(tài)和受力性質(zhì)以及材質(zhì)同時(shí)考慮轉(zhuǎn)速、熱變形以及設(shè)計(jì)壽命等等諸多因素后到最后才能下手去確定各個部位的形狀和位置尺寸.對于零件或部件加工或組裝時(shí)候的工時(shí)以及各項(xiàng)工藝參數(shù)的計(jì)算，就比如制造某款設(shè)備，鐵板下料部分需要進(jìn)行鐵板排料的計(jì)算.金加工部分對于不同的加工性質(zhì)有不同的加工參數(shù)的計(jì)算以及不同的加工方法排列的計(jì)算，以及在這樣的工藝參數(shù)下各個步驟所需要的加工時(shí)間的計(jì)算.

5 結(jié)語

通過對運(yùn)動力學(xué)的理論闡釋及對其在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用中的使用角度和應(yīng)用范圍進(jìn)行深度分析，便可得知運(yùn)動力學(xué)對機(jī)械設(shè)計(jì)所具有的非比尋常的指導(dǎo)作用和干預(yù)影響.由于機(jī)械產(chǎn)品的使用在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)活動中，與運(yùn)動設(shè)備之間的聯(lián)系越發(fā)緊密，因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)活動中，需要機(jī)械運(yùn)動理論的深度化透析和研究，并且緊隨市場需求的步伐，進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改革與理念創(chuàng)新，為國家的機(jī)械制造業(yè)提供更為便捷的服務(wù).

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A

1673-260X（2017）10-0062-03

2017-06-13