計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析中的應(yīng)用

1、 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析中的應(yīng)用 摘要：用解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系式，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的圖形處理技術(shù)，如AutoCAD，具有作圖精確、效率高的特點(diǎn)，將其用于一些常用平面機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析，既可克服傳統(tǒng)圖解法精度差、作圖繁的缺點(diǎn)，又繼承了傳統(tǒng)圖解法方法直觀、原理簡明的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)分析圖解法AutoCAD一、引言在工程實(shí)際中，已存在的機(jī)械和所需要新開發(fā)設(shè)計(jì)的機(jī)械雖然各式各樣，但它們所包含的機(jī)構(gòu)的種類往往是很有限的，如平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、棘輪和槽輪機(jī)構(gòu)等。平面連桿機(jī)構(gòu)由于是低副機(jī)構(gòu)，低副是面接觸，壓強(qiáng)低，磨損量小，而且接觸表面是圓

2、柱面和平面，制造簡便，容易獲得較高的制造精度，又由于這類機(jī)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)等基本運(yùn)動(dòng)形式及其轉(zhuǎn)換，所以平面連桿機(jī)構(gòu)在一般機(jī)械和儀器中獲得廣泛應(yīng)用。四桿機(jī)構(gòu)是最基本的連桿機(jī)構(gòu)，在四桿機(jī)構(gòu)中增添一些構(gòu)件或機(jī)構(gòu)，組成多桿機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式和綜合性的動(dòng)力特性。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析的方法有圖解法、解析法和實(shí)驗(yàn)法。其中實(shí)驗(yàn)法需要專門的儀器設(shè)備，且精度和效率都較低，因此實(shí)際中很少使用。解析法比圖解法和實(shí)驗(yàn)法精確，但計(jì)算繁難。圖解法直觀、簡明，但受作圖精度的影響，精度難以保證。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的圖形處理技術(shù)AutoCAD,具有作圖精確、效率高的特點(diǎn)，將其用于平面機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析，既克服了傳統(tǒng)

3、圖解法精度差、效率低、作圖繁的缺點(diǎn)，又繼承了它直觀、簡明的優(yōu)點(diǎn)。二、設(shè)計(jì)實(shí)例1.設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，已知機(jī)架長lAD=600mm,兩連架桿的三組對應(yīng)位置為：1=130和1=110、2=80和2=70、3=45和3=30，連架桿AB的長度lAB=200mm, 連架桿CD上的標(biāo)線DE的長度可取為lDE=400mm,試設(shè)計(jì)此四桿機(jī)構(gòu)。分析：要設(shè)計(jì)該鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，實(shí)際上就是要找出活動(dòng)鉸鏈B和C的位置。進(jìn)入AutoCAD2004作圖界面，按給定條件用1:1的比例畫出兩連架桿的三組對應(yīng)位置,并連接DB2和DB3,如圖1a。用反轉(zhuǎn)法將DB2和DB3分別繞D點(diǎn)反轉(zhuǎn)（1-2）、（1-3），即將DB2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)40

4、，DB3逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)80，得B2和B3。作B1B2和B2B3的垂直平分線b12和b23，它們交于C點(diǎn)，如圖1b。查詢出B1C和CD的尺寸，得lB1C=707.274mm和lCD=255.185mm。2.圖2a為一雙聯(lián)齒輪變速裝置，用撥叉DE操縱雙聯(lián)齒輪移動(dòng)。設(shè)計(jì)一四桿機(jī)構(gòu)ABCD操縱撥叉的擺動(dòng)。已知機(jī)架lAD=100mm,鉸鏈A、D的位置如圖所示，撥叉滑塊行程為30mm,撥叉尺寸lED=lDC=40mm,固定軸心D在撥叉滑塊行程的垂直等分線上。又在此四桿機(jī)構(gòu)ABCD中構(gòu)件AB為受柄，當(dāng)手柄垂直向上位于AB1位置時(shí)，撥叉處于E1位置，當(dāng)手柄AB1逆時(shí)針轉(zhuǎn)過=90處于水平位置AB2時(shí)，撥叉處于E2位

5、置。試設(shè)計(jì)此四桿機(jī)構(gòu)。分析：要設(shè)計(jì)該鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，實(shí)際上就是要找出活動(dòng)鉸鏈B的位置。進(jìn)入AutoCAD2004作圖界面，按給定條件用1:1的比例畫出機(jī)架AD，以D為圓心，lDC的長度為半徑作圓，然后過D點(diǎn)畫垂線，將此垂線分別左偏和右偏15mm,確定出撥叉在最左端的位置C1DE1和撥叉在最右端的位置C2DE2以及手柄的位置線AB1和AB2，如圖2b。若將手柄視為刀架，則活動(dòng)鉸鏈C將繞B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，可把C1繞A點(diǎn)沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)90，得C點(diǎn)，再作C2C的垂直平分線C12交AB的位置線于B點(diǎn)，如圖2C。查詢出AB和BC的尺寸，得lAB=19.7263mm,lBC=95.2737mm。三、運(yùn)動(dòng)分析實(shí)例

6、進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，就是了解機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中構(gòu)件上某些點(diǎn)的位移、速度和加速度以及構(gòu)件的角位移、角速度和角加速度等。例如通過對機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析，可以了解從動(dòng)件速度的大小以及變化規(guī)律，確定其是否滿足要求等。進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，對于了解現(xiàn)有機(jī)械的運(yùn)動(dòng)特性以及創(chuàng)造新機(jī)械都是十分必要的。如圖3a所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，已知lAB=30mm,lBC=75mm,lCD=32mm,lAD=80mm,構(gòu)件1以等角速度1=10rad/s順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。要求求出在圖示位置時(shí)構(gòu)件2上C點(diǎn)的速度C,加速度2、3以及構(gòu)件2和構(gòu)件3的角速度2、3，角加速度2、3。分析：進(jìn)入AutoCAD2004作圖界面，按1:1的比例畫出機(jī)構(gòu)的位置圖

7、,如圖3a。任選極點(diǎn)p,作矢量AB,指向與1的轉(zhuǎn)向一致，長度pb=1lAB。再過b點(diǎn)作CB的方向線bcBC,從p點(diǎn)作C的方向線pcCD,交bc于c點(diǎn)。查詢得=C=390.2485mm/s,=CB=218.1756mm/s,從而求出2=CB/ lBC=2.9090rad/s, 3=C/ lCD=12.1953rad/s。分別將、平移到機(jī)構(gòu)簡圖中的c點(diǎn)處，判斷出2為逆時(shí)針方向，3為逆時(shí)針方向。任選極點(diǎn)p，作矢量AB，大小為=anB=12lAB,指向?yàn)锽A；作BC,大小為=anCB=22lBC, 指向?yàn)镃B；作BC,作為atCB的方向線；作CD，大小為=anC=32lCD；作CD，作為atC的方向線

8、，與相交于點(diǎn)。查詢=3=5352.17mm/s2, =2 =8127.37 mm/s2, 2=/lBC=8102.52/75=108.0336rad/s2,3=/lCD=2447.06/32=76.4706 rad/s2。三、結(jié)論用圖解法進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析，不僅原理簡單，而且直觀形象，采用AutoCAD作圖后，不僅可以非常方便地解決作圖的精度問題，同時(shí)可以大大提高作圖效率，尺寸可精確到8位小數(shù)。在作圖中，可以迅速完成端點(diǎn)、中點(diǎn)、交點(diǎn)、垂足等特殊點(diǎn)的捕捉，可以使用不同顏色、不同粗細(xì)、不同線型的線條作圖；可以方便地完成平行線、垂線、圖形拷貝、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、尺寸標(biāo)注、查詢等功能；可以方便地進(jìn)行文件保存、圖形修改、圖形打印功能。使用這些功能完全能夠克服圖解法的精度差和效率低的缺點(diǎn)，對于實(shí)現(xiàn)連桿給定位置和實(shí)現(xiàn)連架桿對應(yīng)位置的情況，顯得更加有效，而且在Windows平臺上的AutoCAD中的