連桿機構創新設計在機械工程實際中的應用

肖萍萍?郭曉慶?張書瑋

連桿機構的常用方法連桿機構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，其基礎是力學中的運動學，現在已形成了較為成熟的連桿機構分析方法。機械產品通過創新設計，利用換代從根本解決產品更新問題。機械創新設計就是利用相關科學技術成果，設計出具有創造性及實用性的機械產品。機械機構是用來變換運動和力的可動裝置，實質就是構造并修改三維模型，創造出結構形式新穎的機構。它需要工程科學、產品加工方法和商業運作知識等各方面知識相互融合在一起，以產品全生命周期內最為重要的決策。在每個主要的功能都可以根據空間或結構上的關系，從機械框架中得到產品的成本、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。設計的過程將已知基本單元進行新的組合，對現有物品的分解與重新組合構造，但是機構創新沒有固定的模式可以依循，要創造出一種全新的新機構，就需要組合的連桿機構方案設計，綜合運用多種創造性原理，將設計元素進行智能拼接與組合，實現預期功能價值的過程。

1 連桿機構運動學分析的常用方法

連桿機構的平面機構的機構，是將平面機構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的運動及動力分析，以機構中的“阿蘇爾桿組”為基本單元，根據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分析問題。同時把平面機構看成由一些相互約束的基點構成的系統，建立起數學模型，通過及誒額的運動分析，建立約束非線性方程組，需要引用數值解法各有特點，。針對連桿機構創新設計虛擬仿真的需要，選擇基本桿組，調用 相應的桿組程序對整個機構進行分析，在分析機構運動時，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進行求解。快速求解出各點的運動參數。 機構運動分析中構件之間應該滿足裝配條件，否則將不能進行正常的運動，為此建立構件庫，形成機構運動簡圖符號庫，由機構三維參數化實體模型庫組成，如連桿的厚度。構件之間的拼接通過機構運動簡圖中構件之間的拼接關系直接生成，顯示 機械構件的編輯窗口進行參數的編輯。取兩個構件上需要拼接的運動副來進行，把構件節點與 提供的樹映射 TreeMap 類，對所涉及的機構進行干涉檢測。

2 連桿機構在機械工程實際工作中的具體應用

（一）ANSYS軟件對于機械工程結構的設計

合理的設計應該確保在各種環境下，使機械精確地保持形狀和姿態。采用經驗類比設計與簡化計算相結合的方法，防止出現機械加工的產品成本高的問題，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軟件進行設計分析已成為可能，對建立的實體模型自動進行有限元網格的劃分，提供了有限元計算的優異分析功能，可獲得良好的計算精度。建立設計模型。進行有限元機械劃分。建立邊界條件，計算節點載荷，組成整體剛陣，求解有限元方程。建立實體模型，并輸入需要產品材料特性，減少數量級的偏差。確定坐標系，可以完成計算中所有的前處理過程。

（二）基于功能分析的創新設計機構系統設計

分析執行構件的運動形式，機械的連續旋轉運動，往復擺動，往復移動和特殊功能運動，記錄每分鐘轉位次數，運動系 間歇轉動數每分鐘轉角大小，滿足機械運動規律的要求，適當設置調整環節。利用基本桿組法以機構中不可再分的運動鏈作為機構的基本單元，按單元編制通用的運動分析子程序，在分析進行機構運動后，將機構劃分成基本桿組后對每一基本桿組進行運動分析，對整個根據工藝受力大小，制造加工難易進行比較，然后擇優而取。曲柄搖桿機構的齒條齒輪機構及輸出運動能夠實現往復擺動，間歇往復擺動的組合機構可以實現間歇往復擺動，通過控制驅動液壓缸，實現間歇往復擺動。利用連桿曲線的平面連桿機構，從動件凸輪機構，實現機械間歇往復移動。

（三）在產品設計系統方面的創新

隨著計算機輔助概念設計的研究，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計和原型制造中，實現從符號描述到幾何表示的映射，并對產品的相似實例進行評價與修改，進而獲得產品概念設計的優化解。識別機構中的構件是否等于機構的原動件的數目，判定機構的運動確定性，構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的自由度。機械主動件做有規律運動，位置確定的運動時，每一個位置機構所有構件都是可行的。程序在計算位置并繪制機構運動過程中，評估機構運動分析中構件之間裝配條件，桿組則需滿足裝配條件建立規范化的產品設計語義描述，對已有產品設計信息的快速產品設計要求。設計可重用技術及建模技術研究重用模式。闡述了基元組合的連桿機構方案，建立平面連桿機構圖譜庫，并機械機構運動軌跡曲線角度研究了平面連桿機構檢索的方法，實現平面連桿機構方案的研究，將機構構件進行抽象和概括，運用系統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。

作者簡介

肖萍萍（1995-），現就讀于鄭州大學機械工程學院。