平面四桿機構(gòu)的運動分析

歐 康

（徐州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)工業(yè)學校，江蘇 徐州 221121）

0 引 言

文章主要論述了平面連桿機構(gòu)運動與可視化仿真知識，在對比機構(gòu)分析方式之后，通過桿組的機構(gòu)設(shè)計理論進行平面四桿機構(gòu)的運動研究。簡單論述了通過Turbo C 語言在數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)點，根據(jù)C語言編程系統(tǒng)，研發(fā)了一種平面連桿機構(gòu)運動方案與動態(tài)模擬仿真技術(shù)。此種系統(tǒng)能夠任意組織機構(gòu)，不阻礙機構(gòu)構(gòu)件的數(shù)量，綜合度比較高。對機構(gòu)進行預運行之后，給出機構(gòu)運動的可行性方案，能夠有效解決運動模擬過程機構(gòu)在不同位置上的裝配條件，并改善計算出錯的情況，保證機構(gòu)任意搭建時的運動模擬狀態(tài)。通過可行性方案實時分析機構(gòu)整個周期間的運動記錄，并實時動態(tài)模擬，能夠按照需求輸送出各個構(gòu)件的位置移動、速度、加速度與文字，性能強且直觀。整個系統(tǒng)界面優(yōu)美，人機工作性能強，容錯機制效能高，操作過程只需根據(jù)文本提示進行機構(gòu)的運動軌跡模擬，查看機構(gòu)運動現(xiàn)象，測試設(shè)計漏洞，提升平面四桿機構(gòu)運動效率。

1 桿組分析

運用桿組的基礎(chǔ)操作思想組織機構(gòu)，并能夠任意進行修改與添加，通過動態(tài)仿真技術(shù)實時掌握機構(gòu)實際運動狀況，并提供有效數(shù)據(jù)與圖表顯示信息。進一步深入分析四桿運行可行性，在機構(gòu)運動前期的仿真模擬上，對后臺操作的機構(gòu)實施預運行，選擇組建機構(gòu)基于整個周期記錄裝配條件，給用戶提供機構(gòu)可行性連續(xù)的運動狀態(tài)，不僅提升整個系統(tǒng)的操作效能，還使系統(tǒng)使用功能更加美觀化與科學化[1]。

2 平面四桿機構(gòu)的運動原理

2.1 平面四桿機構(gòu)的運動目的

平面四桿機構(gòu)是支持運動與力的操作裝置，因此，機構(gòu)就需要具備確定的運動軌跡。分析機構(gòu)就要深入探索機構(gòu)的組成及各種狀況下能夠產(chǎn)生實際的運動效果?？偨Y(jié)出，研究平面四桿結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于研究運動構(gòu)件具備怎樣的組成規(guī)律，及不同情況下將會產(chǎn)生何種實際運動，為新的機構(gòu)提供科學理論方案。

實際生產(chǎn)生活中，應時常分析平面四桿機構(gòu)的動力運動，方便及時掌握速度與加速度以及各個受力的變化規(guī)律。但是，機器在操作過程的形式類型存在諸多不同，機構(gòu)構(gòu)件的種類也是多種多樣的。所以，要一一篩查各種類型復雜的機構(gòu)是不現(xiàn)實的，也沒有必要浪費時間。通過分析其結(jié)構(gòu)組織目的就是對平面四桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)進行有效分類，能夠舉一反三為系統(tǒng)處理機制提供便利[2]。

此外，實際應用過程機構(gòu)的種類是各種各樣的，機構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)既簡單又繁瑣，但共同需求為有確定的實際運動軌跡。機構(gòu)構(gòu)成原理在選擇配件時，提出一些指導性原則，尤其在優(yōu)化機構(gòu)設(shè)計上，意義十分重大。

平面四桿機構(gòu)在機械制造業(yè)被廣泛使用，可以直接對運動軌跡與運動規(guī)律給出指導，完善預訂完成的工作，所以大量應用在制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、紡織業(yè)、重型工業(yè)等眾多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的分析法與圖解法在平面四桿結(jié)構(gòu)設(shè)計效率與設(shè)計精度上較為低下，無法切合現(xiàn)代機械的高能化需要。伴隨計算機信息技術(shù)的普及，對機構(gòu)運動仿真系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計提供高效操作手段，此類設(shè)計模式的科學化、規(guī)范化、普及化是當前最大的便利需求，融合計算機特征解決機構(gòu)設(shè)計的矛盾。現(xiàn)階段，MATLAB 相關(guān)軟件沒有對平面機構(gòu)進行全面研究。所以，在這種方法上，需要為客戶提供便利的平面機構(gòu)設(shè)計平臺。此方法研究出的結(jié)果，能夠應用到其他機械工程中，因此研究其運動目的意義十分重大[3]。

總而言之，分析平面組織四桿機構(gòu)的運動目的，研究其結(jié)構(gòu)的組織規(guī)律、結(jié)構(gòu)特征、動力學原理與力學特征的基本聯(lián)系對構(gòu)建平面四桿機構(gòu)的運動提供基礎(chǔ)理論支撐，進而為新的桿組結(jié)構(gòu)類型提出優(yōu)化、創(chuàng)新的途徑。

2.2 平面四桿機構(gòu)的組織原理

所有機構(gòu)都包括機架、動件系統(tǒng)與原動件三個組成部分。平面四桿機構(gòu)由于自身運動條件為原動件數(shù)目與機構(gòu)自由度數(shù)目相等，所以，如果把機構(gòu)機架與原動件系統(tǒng)分離，該系統(tǒng)剩下的動件系統(tǒng)自由度則為零。這類簡易的、不能再分的桿組被企業(yè)稱為阿蘇爾桿組。

根據(jù)求自由度F 的計算公式F=3n-(2PL+PH)，平面機構(gòu)桿組需要滿足以下條件:

式中：n 為機構(gòu)中活動構(gòu)件數(shù)；PL為機構(gòu)中的低副數(shù)；PH為機構(gòu)中的高副數(shù)。

如果出現(xiàn)基本桿組運動副全為低副（高副可用低副代替）的情況，上式則可以變?yōu)?

3 平面四桿機構(gòu)的運動學

分析機構(gòu)運動學，是對其運動的速度、加速度、位移進行科學分析。文章所論述的內(nèi)容是排除外力與構(gòu)件的影響，只是在研究已知平面四桿機構(gòu)原動件基礎(chǔ)上，對構(gòu)件的各個位移、加速度、速度以及原構(gòu)件的角速度、角位移、角加速度進行探索。獲得相關(guān)運動參數(shù)才可以著重對機構(gòu)工作性能進行分析與評價，同時這類運動參數(shù)也是提升綜合機構(gòu)運動效率的基本依據(jù)。

對于平面四桿加速度分析，是處理慣性力不可或缺的基礎(chǔ)。高速機構(gòu)運動過程需要對其振動速度、動力強度以及性能進行科學運算，以上都和慣性力與動載荷變化及狀態(tài)有關(guān)。所以，不能忽略任何高速機構(gòu)和加速度的細微漏洞[4]。

對于平面四桿機構(gòu)的位移分析，能夠準確掌握機構(gòu)的動件速度動態(tài)是否與當前工作需求相適應。比如牛頭刨床，刨刀工作中，需要快速返回，提升生產(chǎn)效率，節(jié)約能耗。另外，分析速度是分析平面四桿運動加速度和受力的基礎(chǔ)。

4 平面四桿機構(gòu)的力量學分析

機械在實際操作過程，各種構(gòu)件都需要運用力的作用。在機械中所產(chǎn)生的力，不僅對機械運動及性能產(chǎn)生重要影響，還是決定構(gòu)件大小和形狀的主要依據(jù)。因此，無論是機械還是運動構(gòu)件都可以有效分析受力狀況。分析機構(gòu)力任務，主要包括以下兩個部分：

一是掌握機構(gòu)運動中的反力，并以此為依據(jù)設(shè)計各個機構(gòu)原件的強度。確定運動過程的磨損與摩擦數(shù)，準確掌握機械運動效率及運轉(zhuǎn)過程功率的運行情況，深入研究機械振動和受力以及平衡等相關(guān)問題還要確定運動的反力。

二是掌握機構(gòu)所需平衡力，這個平衡力是根據(jù)軌跡運動對不同構(gòu)件上的外力進行平衡的力，確定機械平衡力，對新設(shè)計的機械使用、挖掘機械運動潛力都具有十分重要的影響。

在分析機械外力過程，低速機械和慣性力對外力的影響不大，所以經(jīng)常忽略不計。在去除慣性力分析的情況下，分析機械的力稱為機構(gòu)運動的靜力。但對重型機械和高速運轉(zhuǎn)的機械來說，由于其慣性力運用比較大，甚至會出現(xiàn)比機械所要承受力還大的情況。因此，在分析外力的過程就需要探究慣性力對于機構(gòu)運動的影響。不過，通過力學所稱的達朗伯原理，如果把慣性力視作出現(xiàn)在慣性力基礎(chǔ)上的構(gòu)件，就能夠把其視為靜力平衡狀態(tài)，但是仍然可以運用靜力學方法分析其受力情況。這種力學分析情況稱為動態(tài)靜力分析。

在分析機械的動態(tài)靜力時，需要掌握各個構(gòu)件的慣性力。然而，如果設(shè)計新穎機械時，在分析其力的作用前期情況中，需要對力的結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)動情況與質(zhì)量，這些參數(shù)都不夠確定，所以要確定其慣性力。這類情況下，一般要通過設(shè)計經(jīng)驗和條件在分析靜力前提下，給出機械機構(gòu)的基本尺寸，以及質(zhì)量參數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量等因素，依據(jù)所需要的相關(guān)構(gòu)件實施強度運算，之后對其進行有效修改。一直運算到科學的構(gòu)件參數(shù)為止。

5 結(jié) 語

綜上所述，通過該課題的研究設(shè)計，讓平面連桿機構(gòu)設(shè)計能夠更加科學更加完善，但是要想競爭力更強，更加實用，還要與其他人工智能技術(shù)相結(jié)合，進一步開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計，伴隨我國經(jīng)濟化水平的不斷進步，對此項技術(shù)與質(zhì)量逐漸重視起來，并與機械生產(chǎn)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新相聯(lián)系。而作為工程重要的力學運動部分，其效率與質(zhì)量也需要高度重視，必須根據(jù)實際情況，保證各項環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮平面四桿機構(gòu)的應用優(yōu)勢，并不斷加強技術(shù)人員與操作人員的培訓力度，讓此項機構(gòu)技術(shù)能夠充分在日常生產(chǎn)中使用，從而推動此項行業(yè)和社會的發(fā)展需求。