多自由度可控機構式新型工程機械設計理論與方法研究

1、<p>　　多自由度可控機構式新型工程機械設計理論與方法研究</p><p>　　【摘要】隨著工業(yè)現代化的進程越來越快，在我國的裝備工程中工程機械的使用占據著越來越大的范圍，工程機械在現代化的生產生活中發(fā)揮了至關重要的作用。但是，由于不同的工程對設備的性能要求方面不同，所以我國現在所擁有的工程設備并不能滿足使用者的需求，并且在一定程度上還存在著不足之處，作為新興的可控機構，多自由度漸漸的進入了人們的視線

2、。 </p><p>　　【關鍵詞】多自由度 工程機械 可控機構 理論與方法 </p><p>　　工程機械是裝備工業(yè)的重要組成部分，也是其主要核心。我們平常使用的工程機械在日常的生產過程中起著非常重要的作用，不僅能夠節(jié)約勞動力還能夠節(jié)省時間，壓縮成本等，但是隨著時代的發(fā)展，社會科技的進步，現有的工程機械已不能滿足工作的需要。例如：在建筑行業(yè)都會使用到的單自由度的挖掘機，隨著這種挖掘

3、機的構架比較穩(wěn)定，工作效率也比較高，但是，單自由度構架下的挖掘機還是缺乏一定的靈活性。再如液壓式挖掘機，雖然這種挖掘機比單自由度挖掘機更加靈活，但是液壓式挖掘的使用壽命有待延長，而且其零部件的壽命也是相對比較短的，在工作中還會出現漏油的現象。所以，現在急需一種新的可控機構，用來代替原有的可控機構，多自由度的設計理論很好的解決了這一問題。多自由度不僅僅能夠整合現有的機械技術，而且還可以再利用先進的電子技術對工程設備進行設計和改造，用以滿足

4、使用者的需求，在工程機械具備的動力學特性的基礎上，通過加大多自由度的使用，是未來工程機械的發(fā)展方向。因此，作為機械設計人員要能夠明白多自由度可控機械的設計原理，摸索出完善的設計方法。 </p><p>　　一、可控機構應有的自由度 </p><p>　　機構的自由度也就是指機構能夠獨立運動的個數，所以，可控機構的自由度，一定是含有獨立特性的一種參數，機構的原動件數等于機構的自由度數。一個機

5、械能夠實施的最大范圍的獨立變量是機構所具有的活動度，這只是相對于日常所見的銜接的機械而言。安設在機械設備上的串聯(lián)機構，通過安裝在機械末端的執(zhí)行器，在相對于機械體系內所設置的機架，通過計算所得到的自由度，便是這一機構應有的自由度。同樣，安裝在機械設備上的并聯(lián)機構，這種機械的自由度就等同于代動平臺的應有自由度。根據我們已知的螺旋理論，通常把機械中并聯(lián)機構所具有的自由度，當成螺旋系數的維度，并且這種維度也是螺旋系數所特有的。而螺旋預設的維數就

6、是指機械架構所具有的活動度。在機械配件所擁有的架構內也有一定的自由度，其所擁有的自由度是帶有局部性的特點，并且不會影響到機械結構內的其他配件的功能，這是配件架構內的消極自由度。在機械構建中還存在著一些帶有典型的特性的自由度，一般存在與連接滾子的配件中，當然這種狀況一般只會出現在平面機構中。但是在空間態(tài)勢下存在的運動鏈，也會出現上述所說的帶有典型性的自由度。在可控機構中會出現一些特有的約束，這種特有的冗余約束一般統(tǒng)稱之為</p>

7、;<p>　　二、裝載機構具有的可控特性 </p><p><b>　　（一）構型的預設 </b></p><p>　　在機械中的裝載機是連接著已經設計安裝好的執(zhí)行機構，在這個機構上一般會在上下兩個方位安裝限位塊，這樣的設計，會限制機械動臂運動的靈活性，無法使動臂去在預設范圍內發(fā)揮自有的功能。在此機構中，上方所安裝的限位塊主要功能是用于特定的幾何限位，而

8、下方所安裝的限位塊，主要功能是支撐機械的動臂，使機械能夠順利的翻轉和復位。除了這兩個限位塊，在機構的動臂中，也設計安裝有夾帶著擋塊的轉軸，并且把具有一定規(guī)格的槽體安裝在了動臂的前側，這樣能夠保證滑塊能夠持續(xù)的滑動，不會出現影響其他機構工作的現象。經過組裝好的動臂及滑塊，在經過機械中的連桿，進而與機械內的傳動桿，相互連接在一起。在機械前側的鏟斗架，一直連接著機構中的動臂與鏟斗，并在機構內的連動桿的作用下進行正常的工作。 </p>

9、;<p>　?。ǘ┏Ｓ玫淖儼緩?</p><p>　　變胞原理就是采用特定方法，使機構的拓撲結構加以變化，以實現機構的自由度的變化。把能在瞬時使某些構件發(fā)生合并分離、或出現幾何奇異，并使機構有效構件數或自由度數發(fā)生變化。從而產生新構型的機構稱為變胞機構?，F在機構中通常用到的變胞途徑，一般只要是有電磁變胞、有力變胞以及組合態(tài)勢下的變胞組成。但是在現在的工程機械中，尤其是涵蓋了多自由度的工程機械，出

10、現了幾何變胞這種新形式的變胞途徑。一般而言就是把機構中的運動副，在設計的過程中便制定成具有特殊形狀，用來滿足機械的需求，具體而言就是在體系架構的上下方位增加限位塊。變胞性能在機構中的實現是通過動臂連接著的相應轉動軸，在所需要的情況下，收到這個區(qū)域所傳來的信號即轉動限制來實現的。 </p><p>　?。ㄈ┩負浼軜嫷募毣?</p><p>　　當設計好變胞構架并且制造出來之后，通過安裝調試

11、，使其能夠在機構中正常的工作，在這里提到的是新的裝載構架是比較現代化的，具有一定的電動特性。通過對拓撲構架的重新設計和規(guī)劃，可以在不同的情況下用來代替原有的拓撲結構的工作。例如安裝一臺帶有驅動功能的電動機，就可以更好的去翻轉機器，并且可以提高液壓裝載機的工作效率，更好的卸去原料，是的機械構架工作效率更加顯著。電動機被安裝在機架以上，而不是安裝在平常使用的鉸鏈處，通過這樣的處理，不能能夠提升機構原有的體系剛性，另一方面也限制了機械構架的慣

12、性。通過在矩陣的影響下，拓撲結構便很清晰的被描繪出來，進而可以明了在不同時間段和工作狀態(tài)下的拓撲結構的相互交替。在預先設計好的原理下所產生的機械架構，可以做到逐步代替原有的機械構架。在新的機械構架基礎上，可以更好的明確裝在機構的變胞特性，清晰了變胞生成以及發(fā)展的總過程，進而可以描繪出變胞機構的工作流程。這與生物學上的進化屬性是基本上相同的。新的裝載機構帶有一定的變胞特性，其所使用的銜接特點相對于其他的裝載機構是比較新穎的。當把自由度設置

13、為零的時候，可以通過行對應的公式計算，得到新的變胞元。 　　三、運動學的</p><p>　?。ㄒ唬┙Ｔ淼谋驹?</p><p>　　機構具有特定的運動學原理，主要是描述機構在運動中所產生的機構軌跡、設計建造時設定的加速度、機構特有的運動速率和位移、機構運行時產生的角速度、剛性部件在運動時的轉動流程。通過這些機構所具有的特定本源，能夠清晰識別機構所具有的受力特性、通過運算得出機構存在

14、的誤差、清楚的知道機構在運行中存在的奇異性，能夠更好地在設計中預留出機構部件的工作空間，預設好機構的控制系統(tǒng)。在有機態(tài)勢下將帶有可控性質的挖掘機和裝載機安裝在一起的執(zhí)行機構可以當成是一個機構的結合點。通常在平面范疇下的可控機構，基本上會帶有三個層面的自由度。為了能夠創(chuàng)造產生機構所特有的運動模型，需要引入閉環(huán)矢量這一概念，在此基礎上預設好約束方程。機構在運動中產生的特定速率以及通過計算得出的機構部件加速度，都是對一階方程及二階方程產生著特

15、定的影響系數。通過對隱函數的運用，可以計算得出在理論上的時空邊界，清晰描述出在理論態(tài)勢下機構所能夠達到的運動空間。在現在的機械理論中常用到的D-H參數法，可以在二維空間內建立相對應的運動模型，機構的平移運算一般都是通過機構部件的位移得到的，這樣就可以清晰的得到機構的輸出參數，還可以得到變量與變量之間的特有映</p><p>　?。ǘ┩诰驒C構在三自由度架構的原理 </p><p>　　現在

16、通常將斜角坐標系和直角坐標系統(tǒng)稱為笛卡爾坐標系。平面仿射坐標系是由相交于遠點的兩條數軸構成的。如果這兩條數軸上所具有的度量單位是相等的，那么這個仿射坐標系便是笛卡爾坐標系。首先，在明晰了笛卡爾坐標系原理之后，在設計建造中，就需要設定一個坐標原點，在水平態(tài)勢下體現出來的延展方向就是笛卡爾坐標系的橫軸，同樣，在豎直態(tài)勢下所體現的延展方向就是笛卡爾坐標系的縱軸。為了更清晰的描繪笛卡爾坐標系，可以用A和B這兩個英文字母代表橫軸上的兩個端點，在挖

17、掘機上安裝的鏟斗部件，其所設定的輸出點，被安裝在鏟斗的根部中點。可以用{ E， F， &}來表示其特有的坐標位置，其中，E代表了坐標系中的橫軸，F代表了坐標系的縱軸。R代表了變徑。因此可以把（a-&1 ）*2+ （b-&1 ）*2=r*r當是五桿機構在笛卡爾坐標系中所特有的約束方程式。 </p><p>　　具體事例而言，有一種軌跡可以被當成機械輸出態(tài)勢下所形成的軌跡，這種軌跡就是機構在運

18、動中所產生的折線軌跡。在一般的機構體系中，通過設置三根特定的主動桿，使之與橫軸形成設計好的夾角，可以涵蓋130°的原始角度。機構中主動桿在工作中所產生的角位移，會有一定的運動規(guī)律產生，可以通過計算得出，并且可以更替，以下圖表可以反映出機構在運動中的尺度參數。 </p><p>　?。ㄈ┠娼夥绞降倪\用 </p><p>　　在挖掘機中使用的可控機構是建立在三自由度的構架下，可以把

19、銜接鏟斗的機器構架當是一種在動靜態(tài)勢下所產生的平臺。為了更好更明晰的去解釋這種難度，可以把平臺上所設定的三個點，在設計時便使其形成三角形的形狀，當然，在動平臺上連接的這三個點，也可以設計成三角形，這樣就可以問題變得簡單化。在機構中通過鏟斗與機架的銜接，可以預先設定出幾何中心，進而明確其所在的坐標系;當明確了機構的坐標系之后，就可以妥善的安裝鏟斗與機構的連接。一般情況下，機構中連桿所處的末端，就是建立坐標系的所在位置，通過連桿在工作中產生

20、的關節(jié)軸線，就是連桿在相對態(tài)勢下產生的運動軸線，就是坐標系的縱軸。而軸線夾帶產生的距離其實就是機構連桿的長度。軸線在相對勢態(tài)下的轉角其實也就是連桿在工作中產生的特有轉角。根據右手定則的原理，在相對態(tài)勢下的機械連桿產生的轉角，就是機械關節(jié)部位特有的轉角，通過計算得出的連桿偏距，清晰的明確了軸線特定的焦點，包含了機械的有向距離。在預先設定規(guī)劃好機構的坐標系后，可以當是零的編號。在機構的設計開發(fā)中，支鏈所特有的笛卡爾坐標系，就是未能能夠是機械

21、構架中存在的動臂去替換原有存在的支鏈。在完成這一工作之后，通過相</p><p><b>　　四、結語 </b></p><p>　　現代機械構架在多自由度理論的參與下，不僅僅涉及到原有的動力學說，并且還涉及到了電子領域以及其他的先進制造機理。使得在多自由度構架下的機械設計變得更加復雜，設計時充滿著各種各樣的疑難問題。通常來說，機械構建在設計時應該考慮的結構參數、部件

22、與部件之間的尺度參數，這些都是設計師首先考慮的問題，做到最優(yōu)化，是的機械原有的部件的受力特性得到充分的提升，并且還不破壞機械本身具有的性能，所以在設計時不僅僅要考了到機械實物的輸入和輸出特性，也要考慮到機械在工作中的真實狀態(tài)，使設計出來的產品更加完美，確保使用著的需求得到滿足。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1] 潘宇晨.

23、多自由度可控機構式新型工程機械設計理論與方法研究[ D] . 廣西大學， 2013 . </p><p>　　[2] 王建亮. 新型三自由度可控機構創(chuàng)新設計[ D] . 廣西大學， 2013 . </p><p>　　[3] 王汝貴. 兩自由度可控閉鏈機構系統(tǒng)運動實施[ J ] . 中國機械工程， 2013 </p><p>　　[4]黃志雄，何清華，張新海，等.小