多自由度系統(tǒng)可控機(jī)構(gòu)式新型機(jī)械工程設(shè)計(jì)理論與方法

1、多自由度系統(tǒng)可控機(jī)構(gòu)式新型機(jī)械工程設(shè)計(jì)理論與方法摘 要：機(jī)械工程是裝備工業(yè)的重要組成局部，也是其主要核心。我們平常使用的機(jī)械工程在日常的消費(fèi)過程中起著非常重要的作用，不僅可以節(jié)約勞動力還可以節(jié)省時間，壓縮本錢等，但是隨著時代的開展，社會科技的進(jìn)步，現(xiàn)有的機(jī)械工程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(jī)，隨著這種挖掘機(jī)的構(gòu)架比較穩(wěn)定，工作效率也比較高，但是，單自由度構(gòu)架下的挖掘機(jī)還是缺乏一定的靈敏性。再如液壓式挖掘機(jī)，雖然這種挖掘機(jī)比單自由度挖掘機(jī)更加靈敏，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相對較短，在工作中還會出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象。所以，如今急需一種新的

2、可控機(jī)構(gòu)，用來代替原有的可控機(jī)構(gòu)，多自由度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論很好的解決了這一問題。多自由度系統(tǒng)不僅僅可以整合現(xiàn)有的機(jī)械技術(shù)，而且還可以再利用先進(jìn)的電子技術(shù)對工程設(shè)備進(jìn)展設(shè)計(jì)和改造，用以滿足使用者的需求，在機(jī)械工程具備的動力學(xué)特性的根底上，通過加大多自由度系統(tǒng)的使用，是將來機(jī)械工程的開展方向。因此，作為機(jī)械設(shè)計(jì)人員要可以明白多自由度系統(tǒng)可控機(jī)械的設(shè)計(jì)原理，探究出完善的設(shè)計(jì)方法。但是，由于不同的工程對設(shè)備的性能要求方面不同，所以我國如今所擁有的工程設(shè)備并不能滿足使用者的需求，并且在一定程度上存在著缺乏之處，作為新興的可控機(jī)構(gòu)，多自由度系統(tǒng)漸漸進(jìn)入了人們的視線。關(guān)鍵詞：多自由度系統(tǒng)；機(jī)械工程；可控機(jī)構(gòu)；

3、理論與方法1 可控機(jī)構(gòu)應(yīng)有的自由度機(jī)構(gòu)的自由度也就是指機(jī)構(gòu)可以獨(dú)立運(yùn)動的個數(shù)，所以可控機(jī)構(gòu)的自由度，一定是含有獨(dú)立特性的一種參數(shù)，機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)。一個機(jī)械可以施行的最大范圍的獨(dú)立變量是機(jī)構(gòu)所具有的活動度，這只是相對于日常所見的銜接的機(jī)械而言。安設(shè)在機(jī)械設(shè)備上的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過安裝在機(jī)械末端的執(zhí)行器，在相對于機(jī)械體系內(nèi)所設(shè)置的機(jī)架，通過計(jì)算所得到的自由度，便是這一機(jī)構(gòu)應(yīng)有的自由度。同樣，安裝在機(jī)械設(shè)備上的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這種機(jī)械的自由度就等同于代動平臺的應(yīng)有自由度。根據(jù)我們的螺旋理論，通常把機(jī)械中并聯(lián)機(jī)構(gòu)所具有的自由度，當(dāng)成螺旋系數(shù)的維度，并且這種維度也是螺旋系數(shù)所特有的，而螺旋預(yù)設(shè)的

4、維數(shù)就是指機(jī)械架構(gòu)所具有的活動度。在機(jī)械配件所擁有的架構(gòu)內(nèi)也有一定的自由度，其所擁有的自由度帶有局部性的特點(diǎn)，并且不會影響到機(jī)械構(gòu)造內(nèi)的其他配件的功能，這是配件架構(gòu)內(nèi)的消極自由度。在機(jī)械構(gòu)建中還存在著一些帶有典型特性的自由度，一般存在與連接滾子的配件中，當(dāng)然這種狀況一般只會出如今平面機(jī)構(gòu)中。但是在空間態(tài)勢下存在的運(yùn)動鏈，也會出現(xiàn)上述所說的帶有典型性的自由度。在可控機(jī)構(gòu)中會出現(xiàn)一些特有的約束，這種特有的冗余約束一般統(tǒng)稱之為虛約束，之所以會出現(xiàn)這種所謂的虛約束，根本上是同機(jī)構(gòu)常擁有的運(yùn)動副有關(guān)，因?yàn)槿缃駲C(jī)械部件中所擁有的運(yùn)動副，都是以前設(shè)計(jì)中已經(jīng)設(shè)好了所需要的幾何關(guān)聯(lián)。所以，在可控機(jī)構(gòu)中存在的一些

5、約束，不會影響機(jī)構(gòu)體系內(nèi)存在的其他運(yùn)動，對其他機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)行不會產(chǎn)生其他作用，隨著公共約束的消除，機(jī)構(gòu)中所存在的螺旋數(shù)值，我們可以對此數(shù)值進(jìn)展衡量，假設(shè)此數(shù)值大于機(jī)構(gòu)原有的階數(shù)，那么就說明機(jī)構(gòu)中存在著冗余約束，另外所謂的過約束一般是包含了上述的冗余約束還包括機(jī)械的公共約束。2 裝載機(jī)構(gòu)具有的可控特性2.1 構(gòu)型的預(yù)設(shè)在機(jī)械中的裝載機(jī)是連接著已經(jīng)設(shè)計(jì)安裝好的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在這個機(jī)構(gòu)上一般會在上下兩個方位安裝限位塊，這樣的設(shè)計(jì)會限制機(jī)械動臂運(yùn)動的靈敏性，無法使動臂去在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)發(fā)揮自有的功能。在此機(jī)構(gòu)中，上方所安裝的限位塊主要功能是用于特定的幾何限位，而下方所安裝的限位塊，主要功能是支撐機(jī)械的動臂，使

6、機(jī)械可以順利的翻轉(zhuǎn)和復(fù)位。除了這兩個限位塊，在機(jī)構(gòu)的動臂中，也設(shè)計(jì)安裝有夾帶著擋塊的轉(zhuǎn)軸，并且把具有一定規(guī)格的槽體安裝在動臂的前側(cè)，這樣可以保證滑塊可以持續(xù)的滑動，不會出現(xiàn)影響其他機(jī)構(gòu)工作的現(xiàn)象。經(jīng)過組裝好的動臂及滑塊，在經(jīng)過機(jī)械中的連桿，進(jìn)而與機(jī)械內(nèi)的傳動桿，互相連接在一起。在機(jī)械前側(cè)的鏟斗架，一直連接著機(jī)構(gòu)中的動臂與鏟斗，并在機(jī)構(gòu)內(nèi)的連動桿的作用下進(jìn)展正常的工作。2.2 常用的變胞途徑變胞原理就是采用特定方法，使機(jī)構(gòu)的拓?fù)錁?gòu)造加以變化，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的自由度的變化。把能在瞬時使某些構(gòu)件發(fā)生合并別離或出現(xiàn)幾何奇異，并使機(jī)構(gòu)有效構(gòu)件數(shù)或自由度數(shù)發(fā)生變化。從而產(chǎn)生新構(gòu)型的機(jī)構(gòu)稱為變胞機(jī)構(gòu)。如今機(jī)構(gòu)中

7、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。但是在如今的機(jī)械工程中，尤其是涵蓋了多自由度系統(tǒng)的機(jī)械工程，出現(xiàn)了幾何變胞這種新形式的變胞途徑。一般而言就是把機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動副，在設(shè)計(jì)的過程中便制定成具有特殊形狀，用來滿足機(jī)械的需求，詳細(xì)而言就是在體系架構(gòu)的上下方位增加限位塊。變胞性能在機(jī)構(gòu)中的實(shí)現(xiàn)是通過動臂連接著的相應(yīng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動限制來實(shí)現(xiàn)的。2.3 拓?fù)浼軜?gòu)的細(xì)化當(dāng)設(shè)計(jì)好變胞構(gòu)架并且制造出來之后，通過安裝調(diào)試，使其可以在機(jī)構(gòu)中正常的工作，在這里提到的新的裝載構(gòu)架是比較現(xiàn)代化的，具有一定的電動特性。通過對拓?fù)錁?gòu)架的重新設(shè)計(jì)和

8、規(guī)劃，可以在不同情況下用來代替原有的拓?fù)錁?gòu)造的工作。例如安裝一臺帶有驅(qū)動功能的電動機(jī)，就可以更好的去翻轉(zhuǎn)機(jī)器，并且進(jìn)步液壓裝載機(jī)的工作效率，更好的卸去原料，使得機(jī)械構(gòu)架工作效率更加顯著。電動機(jī)被安裝在機(jī)架以上，而不是安裝在平常使用的鉸鏈處，通過這樣的處理，不可以提升機(jī)構(gòu)原有的體系剛性，另一方面也限制了機(jī)械構(gòu)架的慣性。通過在矩陣的影響下，拓?fù)錁?gòu)造便很明晰的被描繪出來，進(jìn)而可以明在不同時間段和工作狀態(tài)下的拓?fù)錁?gòu)造的互相交替。在預(yù)先設(shè)計(jì)好的原理下所產(chǎn)生的機(jī)械架構(gòu)，可以做到逐步代替原有的機(jī)械構(gòu)架。在新的機(jī)械構(gòu)架根底上，可以更好的明確裝在機(jī)構(gòu)的變胞特性，明晰了變胞生成以及開展的總過程，進(jìn)而可以描繪出變胞

9、機(jī)構(gòu)的工作流程。這與生物學(xué)上的進(jìn)化屬性是根本上一樣的。新的裝載機(jī)構(gòu)帶有一定的變胞特性，其所使用的銜接特點(diǎn)相對于其他的裝載機(jī)構(gòu)是比較新穎的。當(dāng)把自由度設(shè)置為零的時候，可以通過行對應(yīng)的公式計(jì)算，得到新的變胞元。 3 運(yùn)動學(xué)的范疇內(nèi)建模3.1 建模原理的根源機(jī)構(gòu)具有特定的運(yùn)動學(xué)原理，主要是描繪機(jī)構(gòu)在運(yùn)動中所產(chǎn)生的機(jī)構(gòu)軌跡、設(shè)計(jì)建造時設(shè)定的加速度、機(jī)構(gòu)特有的運(yùn)動速率和位移、機(jī)構(gòu)運(yùn)行時產(chǎn)生的角速度、剛性部件在運(yùn)動時的轉(zhuǎn)動流程。通過這些機(jī)構(gòu)所具有的特定根源，可以明晰識別機(jī)構(gòu)所具有的受力特性、通過運(yùn)算得出機(jī)構(gòu)存在的誤差、清楚的知道機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中存在的奇異性，可以更好地在設(shè)計(jì)中預(yù)留出機(jī)構(gòu)部件的工作空間，預(yù)設(shè)好機(jī)

10、構(gòu)的控制系統(tǒng)。在有機(jī)態(tài)勢下將帶有可控性質(zhì)的挖掘機(jī)和裝載機(jī)安裝在一起的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以當(dāng)成是一個機(jī)構(gòu)的結(jié)合點(diǎn)。通常在平面范疇下的可控機(jī)構(gòu)，根本上會帶有三個層面的自由度。為了可以創(chuàng)造產(chǎn)活力構(gòu)所特有的運(yùn)動模型，需要引入閉環(huán)矢量這一概念，在此根底上預(yù)設(shè)好約束方程。機(jī)構(gòu)在運(yùn)動中產(chǎn)生的特定速率以及通過計(jì)算得出的機(jī)構(gòu)部件加速度，都是對一階方程及二階方程產(chǎn)生特定的影響系數(shù)。通過對隱函數(shù)的運(yùn)用，可以計(jì)算得出在理論上的時空邊界，明晰描繪出在理論態(tài)勢下機(jī)構(gòu)所可以到達(dá)的運(yùn)動空間。在如今的機(jī)械理論中常用到的D-H參數(shù)法，可以在二維空間內(nèi)建立相對應(yīng)的運(yùn)動模型，機(jī)構(gòu)的平移運(yùn)算一般都是通過機(jī)構(gòu)部件的位移得到的，這樣就可以明晰的得

11、到機(jī)構(gòu)的輸出參數(shù)，還可以得到變量與變量之間的特有映射關(guān)系。3.2 挖掘機(jī)構(gòu)在三自由度架構(gòu)的原理詳細(xì)事例而言，有一種軌跡可以被當(dāng)成機(jī)械輸出態(tài)勢下所形成的軌跡，這種軌跡就是機(jī)構(gòu)在運(yùn)動中所產(chǎn)生的折線軌跡。在一般的機(jī)構(gòu)體系中，通過設(shè)置三根特定的主動桿，使之與橫軸形成設(shè)計(jì)好的夾角，可以涵蓋130°的原始角度。機(jī)構(gòu)中主動桿在工作中所產(chǎn)生的角位移，會有一定的運(yùn)動規(guī)律產(chǎn)生，可以通過計(jì)算得出，并可更替。3.3 逆解方式的運(yùn)用在挖掘機(jī)中使用的可控機(jī)構(gòu)是建立在三自由度的構(gòu)架下，可以把銜接鏟斗的機(jī)器構(gòu)架當(dāng)是一種在動靜態(tài)勢下所產(chǎn)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(shè)定的三個點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時便使

12、其形成三角形的形狀，當(dāng)然在動平臺上連接的這三個點(diǎn)也可以設(shè)計(jì)成三角形，這樣就可以問題變得簡單化。在機(jī)構(gòu)中通過鏟斗與機(jī)架的銜接，可以預(yù)先設(shè)定出幾何中心，進(jìn)而明確其所在的坐標(biāo)系，當(dāng)明確了機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)系之后，就可以妥善的安裝鏟斗與機(jī)構(gòu)的連接。一般情況下，機(jī)構(gòu)中連桿所處的末端，就是建立坐標(biāo)系的所在位置，通過連桿在工作中產(chǎn)生的關(guān)節(jié)軸線，是連桿在相對態(tài)勢下產(chǎn)生的運(yùn)動軸線，就是坐標(biāo)系的縱軸。而軸線夾帶產(chǎn)生的間隔 其實(shí)就是機(jī)構(gòu)連桿的長度。軸線在相對勢態(tài)下的轉(zhuǎn)角其實(shí)也就是連桿在工作中產(chǎn)生的特有轉(zhuǎn)角。根據(jù)右手定那么的原理，在相對態(tài)勢下的機(jī)械連桿產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角，就是機(jī)械關(guān)節(jié)部位特有的轉(zhuǎn)角，通過計(jì)算得出的連桿偏距，明晰的明確

13、了軸線特定的焦點(diǎn)，包含了機(jī)械的有向間隔 。在預(yù)先設(shè)定規(guī)劃好機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)系后，可以當(dāng)是零的編號。在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)中，支鏈所特有的笛卡爾坐標(biāo)系，就是未能可以是機(jī)械構(gòu)架中存在的動臂去交換原有存在的支鏈。在完成這一工作之后，通過相應(yīng)的計(jì)算，就可以得出現(xiàn)有就夠支鏈的D-H參數(shù)。可控機(jī)構(gòu)在多自由度系統(tǒng)下的設(shè)計(jì)和開發(fā)，就是把機(jī)構(gòu)中存在的支鏈以及運(yùn)動副當(dāng)成是機(jī)構(gòu)體系中最重要的主動關(guān)節(jié)，并且所得出的D-H參數(shù)是為了以后可以更好的對機(jī)構(gòu)動臂的調(diào)節(jié)。4 完畢語現(xiàn)代機(jī)械構(gòu)架在多自由度系統(tǒng)理論的參與下，不僅僅涉及到原有的動力學(xué)說，并且還涉及到了電子領(lǐng)域以及其他的先進(jìn)制造機(jī)理。使得在多自由度系統(tǒng)構(gòu)架下的機(jī)械設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)時充滿著各種各樣的疑難問題。通常來說，機(jī)械構(gòu)建在設(shè)計(jì)時應(yīng)該考慮的構(gòu)造參數(shù)、部件與部件之間的尺度參數(shù)，這些都是設(shè)計(jì)師首先考慮的問題，做到最優(yōu)化，使得機(jī)械原有的部件的受力特性得到充分的提升，并且不破壞機(jī)械本身具有的性