多自由度可控機(jī)構(gòu)式新型工程機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法研究.pdf

1、工程機(jī)械是我國裝備工業(yè)的重要組成部分，在農(nóng)田、水利、交通、市政建設(shè)維護(hù)和各類綜合性機(jī)械化施工方面發(fā)揮了重要的作用。但是，現(xiàn)有工程機(jī)械產(chǎn)品存在一些不足之處。以挖掘機(jī)為例，傳統(tǒng)單自由度機(jī)械式挖掘機(jī)堅(jiān)固耐用，但輸出不夠靈活;液壓式挖掘機(jī)可實(shí)現(xiàn)柔性化的輸出，但又存在液壓系統(tǒng)零部件加工裝配要求高、壽命不長、漏油等缺陷。這是工程機(jī)械領(lǐng)域一個(gè)長期未能取得突破的棘手難題。
　　 多自由度可控機(jī)構(gòu)是機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，具有輸出柔性化

2、、剛度高、慣量低、承載能力強(qiáng)、動力學(xué)性能好等特點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者對可控機(jī)構(gòu)開展了較多研究工作，但總體說來，有關(guān)成果還比較零散、孤立，多是針對某種可控機(jī)構(gòu)（如平面兩自由度五桿機(jī)構(gòu)）的研究，可供工程實(shí)際應(yīng)用的機(jī)構(gòu)構(gòu)型依然很少。而且所討論的多為平面機(jī)構(gòu)，對空間可控機(jī)構(gòu)的研究鮮見報(bào)道，尤其結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用的研究還較少。
　　 針對上述問題，本文將多自由度可控機(jī)構(gòu)應(yīng)用于工程機(jī)械產(chǎn)品，研究這類機(jī)構(gòu)面向任務(wù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)相關(guān)的理論和方法，主要工作及創(chuàng)新

3、點(diǎn)如下:
　　 1.提出了基于功能分析的面向任務(wù)機(jī)構(gòu)型綜合方法，并將其應(yīng)用于工程機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)當(dāng)中:
　　 在對現(xiàn)有工程機(jī)械輸出動作要求、機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求等全面分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用功能分析方法，通過功能求解模型求解得到其輸出運(yùn)動的規(guī)律和特性。通過機(jī)構(gòu)構(gòu)型演化和基于螺旋理論的約束綜合，發(fā)明了一系列平面可控機(jī)構(gòu)式、空間可控機(jī)構(gòu)式、變胞可控機(jī)構(gòu)式工程機(jī)械產(chǎn)品的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
　　 2.提出了新型可控機(jī)構(gòu)式工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)學(xué)

4、分析理論和方法:
　　 針對平面和空間可控機(jī)構(gòu)各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在運(yùn)動副運(yùn)動自由度旋量描述的基礎(chǔ)上，求解了機(jī)構(gòu)各運(yùn)動鏈運(yùn)動螺旋系的基?；诨ヒ茁菪碚摚芯苛诉\(yùn)動鏈終端約束及其在約束下的自由運(yùn)動，進(jìn)而得到了這類機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器受到的約束以及在此約束下的自由度數(shù)和運(yùn)動輸出規(guī)律;
　　 針對具有變胞功能可控機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用構(gòu)態(tài)鄰接矩陣、拓?fù)鋱D、變胞機(jī)構(gòu)的基因建模與構(gòu)態(tài)進(jìn)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析方法等，分析其工作原理和構(gòu)態(tài)轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，得

5、到了機(jī)構(gòu)構(gòu)態(tài)演變過程的生物學(xué)進(jìn)化特性，發(fā)展了自由度為0的兩種有向阿蘇爾桿組作為新的變胞元并給出其表達(dá)方式，獲得了變胞進(jìn)化生長過程中構(gòu)型的轉(zhuǎn)化方式和蛻化方法，最后通過進(jìn)化計(jì)算，得到了變胞源裝載機(jī)構(gòu)的基因模型表達(dá)式。
　　 3.提出了新型可控機(jī)構(gòu)式工程機(jī)械的運(yùn)動學(xué)分析理論和方法:
　　 針對平面可控機(jī)構(gòu)式挖掘機(jī)的特點(diǎn)，以一種正鏟式平面三自由度可控挖掘機(jī)構(gòu)為例，運(yùn)用閉環(huán)矢量法和約束方程建立了機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模型，分析了機(jī)構(gòu)的速度和加

6、速度特性，求解得到了一階和二階運(yùn)動影響系數(shù)。根據(jù)隱函數(shù)存在定理，求解了機(jī)構(gòu)處于理論工作空間邊界的條件，得到了機(jī)構(gòu)的理論可達(dá)工作空間;
　　 針對空間可控機(jī)構(gòu)式裝載機(jī)的特點(diǎn)，運(yùn)用D-H參數(shù)法建立了鏟斗可實(shí)現(xiàn)兩維轉(zhuǎn)動輸出的可控裝載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型，進(jìn)而通過位移群的平移計(jì)算，求解得到了鏟斗運(yùn)動學(xué)輸出參數(shù)與各個(gè)輸入變量之間的映射關(guān)系。
　　 4.提出了新型可控機(jī)構(gòu)式工程機(jī)械的動態(tài)性能分析理論和方法:
　　 以正鏟式平面三

7、自由度可控挖掘機(jī)構(gòu)為例，考慮到驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心旋轉(zhuǎn)引起不均勻磁場的機(jī)電耦合關(guān)系，運(yùn)用有限元建模方法建立了此類可控挖掘機(jī)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)的耦合動力學(xué)模型，利用多尺度法，研究了系統(tǒng)在驅(qū)動電機(jī)電磁參數(shù)激勵下的主共振問題，得到其在此情況下的一階近似定常解，分析了系統(tǒng)主共振機(jī)理。
　　 在上述理論分析的基礎(chǔ)上，建立了多自由度可控機(jī)構(gòu)式新型工程機(jī)械的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行了仿真分析。依據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合挖掘機(jī)和裝載機(jī)完成典型挖掘、裝載動作的要求，選取