力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

1、力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法第25卷第1期2021年3月南華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofUniversityofSoutyChina(ScienceandTechnology)V01.25No.1MaL2021文章編號(hào):16730062(2021)Ol一0042O7力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法羅金良,文群,王樹(shù)國(guó)(南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖南衡陽(yáng)421001)摘要:提出了選擇初始運(yùn)動(dòng)鏈中適當(dāng)?shù)臉?gòu)件作為力封閉構(gòu)件設(shè)計(jì)力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法.根據(jù)初始運(yùn)動(dòng)鏈的自由度特征,指出了自適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需解決的主要問(wèn)題,詳細(xì)介紹了運(yùn)動(dòng)鏈的選擇方法,給出了自適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本原那么和方法,通

2、過(guò)不同類型的設(shè)計(jì)實(shí)例,論證自適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的可行性,對(duì)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì),具有重大的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值.關(guān)鍵詞:初始運(yùn)動(dòng)鏈;力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu);設(shè)計(jì)方法中圖分類號(hào):TH112.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BInnovationDesignMethodofForceClosedSelf-adaptiveMechanismLUOJin-liang,WENQun,WANGShu-guo(SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofSouthChina,Hengyang,Hunan421001,China)Abstract:Aninnovationdesignmetho

3、dofforceclosedself-adaptivemechanismisputforwardbyselectingtheappropriatemembersintheincipientkinematicchainasforceclosurecomponents.Accordingtothefreedomcharacteristicsoftheincipientkinematicchainofforceclosedself-adaptivemechanism,themainproblemstobesolvedofself-adaptivemechanismdesignarepointedou

4、t.SelectionmethodofkinematicChainisintroduced,andthedesignprincipleandmethodofself-adaptivemechanismisadvancedalso.Thefeasibilityoftheself-adaptivemechanismdesignmethodisprovedbydifferenttypesofdesignexamples.Ithasimportanttheoreticalsignificanceandpracticalvaluetoinnovationdesignofself-adaptivemech

5、anism.keywords:incipientkinematicchain;forceclosedself-adaptiveMechanism;designmethod隨著對(duì)機(jī)械智能化及智能機(jī)械研究的不斷深入與開(kāi)展,自適應(yīng)機(jī)構(gòu)已成為機(jī)構(gòu)學(xué)研究的新課題.自適應(yīng)機(jī)構(gòu),是指無(wú)需通過(guò)測(cè)控,而是依靠機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部工作對(duì)象,環(huán)境,條件及工作要求變化的自動(dòng)適應(yīng),并可靠地完成預(yù)期工作要求的機(jī)械裝置.如文獻(xiàn)1-6等所述的一些收稿日期:20211104基金工程:湖南省科技廳科技方案基金資助工程(2021GK3085);衡陽(yáng)市科技方案基金資助工程(2021KJII)作者簡(jiǎn)介:羅金良(1968一),男,

6、湖南醴陵人,南華大學(xué)機(jī)械學(xué)院高級(jí)工程師,博士.主要研究方向:自適應(yīng)智能機(jī)械理論,機(jī)器人機(jī)構(gòu).第25卷第1期羅金良等:力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法43變結(jié)構(gòu),變自由度和內(nèi)力加壓裝置以及具有形狀自適應(yīng)功能的欠驅(qū)動(dòng)多指節(jié)機(jī)器人手指機(jī)構(gòu)都是一些具有自適應(yīng)功能的自適應(yīng)機(jī)構(gòu).文獻(xiàn)7對(duì)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分類,并把其中內(nèi)力封閉的加壓裝置,如夾持器,剪刀,差式制動(dòng)器,差速器,某些機(jī)械手爪等,能自動(dòng)適應(yīng)工作對(duì)象的尺寸,位置和形狀在一定范圍內(nèi)的變化而實(shí)現(xiàn)可靠地工作的類自適應(yīng)機(jī)構(gòu)稱為力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu).并通過(guò)一對(duì)內(nèi)力與二元素桿的等價(jià)替代,得到了此自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的初始運(yùn)動(dòng)鏈,其自由度為0(力矩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))或一1(力驅(qū)動(dòng)機(jī)

7、構(gòu)).同時(shí),文獻(xiàn)8創(chuàng)新地提出了一種綜合自由度為0或一1運(yùn)動(dòng)鏈的構(gòu)型方法胚圖支鏈法,并通過(guò)此方法綜合出了l0桿及以下運(yùn)動(dòng)鏈的所有有用的構(gòu)型,為創(chuàng)新設(shè)計(jì)這類自適應(yīng)機(jī)構(gòu)提供了可靠的原型.通常有了運(yùn)動(dòng)鏈,就能夠設(shè)計(jì)出機(jī)構(gòu).然而,由于自適應(yīng)機(jī)構(gòu)初始運(yùn)動(dòng)鏈包含了力的轉(zhuǎn)化構(gòu)件,其設(shè)計(jì)的理念和思路都與自由度為+1機(jī)構(gòu)有所不同.目前對(duì)其設(shè)計(jì)原那么,通用方法和步驟的研究幾乎是空白.為此,提煉出自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,制定其設(shè)計(jì)的一般步驟,將為開(kāi)拓自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的研究領(lǐng)域和創(chuàng)新設(shè)計(jì)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)提供重要的理論指導(dǎo),具有重大的工程實(shí)用價(jià)值.1力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的十原那么與方法利用文獻(xiàn)7綜合出的F=0和F=一1的運(yùn)動(dòng)鏈,通過(guò)適當(dāng)?shù)?/p>

8、選擇,替代和布置代表系統(tǒng)封閉內(nèi)力的二元素桿,使機(jī)構(gòu)具有足夠的自適應(yīng)自由度,即可以到達(dá)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)自適應(yīng)功能的目的,并創(chuàng)新設(shè)計(jì)出力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu).為此,稱由初始運(yùn)動(dòng)鏈設(shè)計(jì)出能滿足具體的自適應(yīng)功能要求的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,稱為力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的功能化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).盡管自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案會(huì)因采用不同自由度特征的運(yùn)動(dòng)鏈,而導(dǎo)致其驅(qū)動(dòng)方式,設(shè)計(jì)對(duì)象和功能要求的不同,但是,其功能設(shè)計(jì)的一般原那么和方法卻是一致的,為此,針對(duì)該類機(jī)構(gòu)的一些共性特征,特提出進(jìn)行該類自適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原那么及方法.1.1選取機(jī)構(gòu)的初始運(yùn)動(dòng)鏈選擇運(yùn)動(dòng)鏈的一般原那么和方法為:1)確定初始運(yùn)動(dòng)鏈的自由度特征.初始運(yùn)動(dòng)鏈的自由度特征是根據(jù)

9、機(jī)構(gòu)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)方式來(lái)確定的.假設(shè)采用力驅(qū)動(dòng),選取自由度F=一1的初始運(yùn)動(dòng)鏈,假設(shè)采用力矩驅(qū)動(dòng),那么選擇自由度F=0的初始運(yùn)動(dòng)鏈.2)確定初始運(yùn)動(dòng)鏈中二元素桿的最少數(shù)量n2min?對(duì)于力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu)其自適應(yīng)自由度數(shù)n等于其需適應(yīng)工作對(duì)象的尺寸參數(shù)的變化數(shù)量6,再根據(jù)力(力矩)驅(qū)動(dòng)確定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)力封閉的內(nèi)力對(duì)數(shù)n由此確定代替這些內(nèi)力所需二元素桿的最少數(shù)量.采用力矩驅(qū)動(dòng)時(shí):凡2=n/f=n=6(1)而采用力驅(qū)動(dòng):n2mi=凡r=凡+1=6+1(2)3)確定最少工作構(gòu)件數(shù)n及中間構(gòu)件數(shù)lbi?工作構(gòu)件是執(zhí)行構(gòu)件(指對(duì)工作對(duì)象施加工作力的構(gòu)件)和主動(dòng)構(gòu)件(指施加驅(qū)動(dòng)力的構(gòu)件)的統(tǒng)稱;中問(wèn)構(gòu)件那么是指在

10、主動(dòng)與執(zhí)行構(gòu)件之間傳遞力和運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件,也稱為連接構(gòu)件或傳力構(gòu)件.(1)如果系統(tǒng)中17,=1,機(jī)構(gòu)無(wú)需傳力構(gòu)件,就能形成封閉的系統(tǒng),因此,凡=1;如果凡.,=2,那么至少需要一個(gè)傳力構(gòu)件,將兩者的合力傳遞到機(jī)架,才能形成封閉的系統(tǒng),所以,n=1,/3,cmi=1.(2)多數(shù)情況下,特別是有兩對(duì)或更多內(nèi)力作用的情況下,執(zhí)行構(gòu)件數(shù)量等于內(nèi)力數(shù),驅(qū)動(dòng)力可作用于其中一個(gè)執(zhí)行構(gòu)件上,或兩個(gè)執(zhí)行構(gòu)件之間.這時(shí)執(zhí)行構(gòu)件也可直接與支架連接,所以機(jī)構(gòu)ni=2.(3)假設(shè)需增加力的作用效益,那么主動(dòng)構(gòu)件必須與執(zhí)行構(gòu)件別離,同時(shí),主動(dòng)構(gòu)件到執(zhí)行構(gòu)件之間至少還要增加一個(gè)傳力構(gòu)件,通過(guò)傳力構(gòu)件將動(dòng)力傳至執(zhí)行構(gòu)件,構(gòu)成復(fù)式

11、杠桿系統(tǒng),機(jī)構(gòu)最少需要等于工作內(nèi)力數(shù)的執(zhí)行構(gòu)件,以及1個(gè)傳力構(gòu)件和1個(gè)主動(dòng)構(gòu)件.實(shí)際上,依據(jù)運(yùn)動(dòng)鏈的自由度及其構(gòu)件數(shù)的關(guān)系,在需要獲得機(jī)構(gòu)大的機(jī)械增益時(shí),所需增加的中間構(gòu)件數(shù)量應(yīng)該為2的倍數(shù).這樣可以根據(jù)以上原那么,確定機(jī)構(gòu)的最少工作構(gòu)件數(shù)及中間構(gòu)件數(shù).4)確定根底構(gòu)件數(shù)凡(或稱機(jī)架)及其桿型.一個(gè)內(nèi)力封閉白適應(yīng)機(jī)構(gòu)一般都有一個(gè)固定的構(gòu)件機(jī)架;但有時(shí)也可以是一個(gè)幾乎要承受所有構(gòu)件傳遞過(guò)來(lái)的力的構(gòu)件,作為系統(tǒng)內(nèi)部的主要支承件,稱為相對(duì)機(jī)架;將這樣的構(gòu)件稱為力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的根底構(gòu)件.通常根底構(gòu)件一般都是運(yùn)動(dòng)鏈中包含運(yùn)動(dòng)副元素最多的多元素南華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021年3月桿.一般,根底構(gòu)件數(shù)

12、n=1,關(guān)鍵是確定其桿型,確定其最少運(yùn)動(dòng)副元素的數(shù)量.其數(shù)量可根據(jù)封閉內(nèi)力數(shù)量n/f.傳力構(gòu)件的數(shù)量凡以及主動(dòng)構(gòu)件數(shù)及其與根底構(gòu)件是否聯(lián)接來(lái)確定.5)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的總構(gòu)件數(shù)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)所需的最少構(gòu)件數(shù)由需適應(yīng)的工作對(duì)象尺寸參數(shù)變化量相等的二元素桿,代表驅(qū)動(dòng)力的二元素桿,必需的工作構(gòu)件和中間構(gòu)件及根底構(gòu)件四局部組成,所以:n2mi+nw+n瑚in+b(3)1.2功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題與一般原那么在機(jī)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),必須著重考慮以下問(wèn)題:1)同一條初始運(yùn)動(dòng)鏈可以設(shè)計(jì)出不同功能的機(jī)械裝置,而實(shí)現(xiàn)不同功能的機(jī)械裝置,其內(nèi)力作用方式,工作對(duì)象的形狀以及其工作構(gòu)件(頭,指,塊等)的結(jié)構(gòu)形狀都將不同;2)驅(qū)

13、動(dòng)力(力矩)的施加方式將決定機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu);3)考慮力在裝置中的傳遞和變換及工作力的施加與釋放的運(yùn)動(dòng)傳遞趨勢(shì);4)要保證系統(tǒng)工作時(shí),各構(gòu)件能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整到達(dá)力的靜定或超靜定狀態(tài).5)要考慮機(jī)構(gòu)自由度變化的結(jié)構(gòu)特征,保證機(jī)構(gòu)能順利的實(shí)現(xiàn)自由度的變化;同時(shí),由于機(jī)構(gòu)一般只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)自由度,是屬于欠驅(qū)動(dòng)的狀態(tài),所以為了保證機(jī)構(gòu)可靠的工作,還需要解決機(jī)構(gòu)自適應(yīng)自由度的順序約束與釋放的問(wèn)題.從以上問(wèn)題可以看出自適應(yīng)機(jī)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程比較復(fù)雜,因而特提出以下一些根本的設(shè)計(jì)程序與原那么.1)確定運(yùn)動(dòng)鏈中各構(gòu)件在實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)功能時(shí)所起的功用,即確定運(yùn)動(dòng)鏈中作為機(jī)構(gòu)根底構(gòu)件,執(zhí)行構(gòu)件,主動(dòng)構(gòu)件,傳力構(gòu)件和替代封

14、閉力(包括驅(qū)動(dòng)力)的構(gòu)件.2)根據(jù)工作對(duì)象的形狀,位置及機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的功能等,設(shè)計(jì)執(zhí)行構(gòu)件的形狀及其與根底構(gòu)件(機(jī)架)的聯(lián)接方式.充分考慮機(jī)械裝置內(nèi)力封閉數(shù)量及方位,以便于實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的內(nèi)力封閉.工作頭局部要與工作對(duì)象保持可靠的接觸,可盡量設(shè)計(jì)成易于確定其工作反力的形狀,方案設(shè)計(jì)時(shí),一般均可設(shè)計(jì)成高副接觸的形狀.3)設(shè)計(jì)主動(dòng)構(gòu)件,確定其與根底構(gòu)件的聯(lián)接方式.通過(guò)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式以及力的傳遞方式,確定其與中間構(gòu)件或執(zhí)行構(gòu)件的聯(lián)接狀態(tài).4)設(shè)計(jì)力和運(yùn)動(dòng)的傳遞路線及要求,確定中間構(gòu)件及驅(qū)動(dòng)力,阻力的聯(lián)接和作用點(diǎn),及其與驅(qū)動(dòng)力發(fā)生器的配置方位.按照取得最大的力的增益效果的原那么來(lái)配置執(zhí)行構(gòu)件,中間構(gòu)件及主動(dòng)構(gòu)

15、件.保證從主動(dòng)力到阻力有顯著擴(kuò)力作用,并按動(dòng)力臂大于阻力臂的原那么選擇適當(dāng)?shù)母軛U比確定中間構(gòu)件的可動(dòng)鉸接點(diǎn),并確定好主力與阻力的作用點(diǎn).中間構(gòu)件的方位,應(yīng)按照構(gòu)成大傳動(dòng)角的原那么來(lái)布置.各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副類型,位置及方位的配置設(shè)計(jì)時(shí),要特別注意主動(dòng)件到執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)傳遞狀況,確保執(zhí)行構(gòu)件能按預(yù)期方向?qū)崿F(xiàn)工作封閉與釋放運(yùn)動(dòng).5)選擇驅(qū)動(dòng)裝置,合理布置各鉸鏈連接點(diǎn)的位置,保證整個(gè)系統(tǒng)具有良好的傳力特性,并能自動(dòng)適應(yīng)尺寸參數(shù)的變化,且工作時(shí)機(jī)構(gòu)能夠處于靜定或超靜定的穩(wěn)定工作狀態(tài).6)按照力流優(yōu)先向阻力最小的路徑傳遞,流動(dòng)的原那么,檢驗(yàn)確保機(jī)械裝置工作前后階段自由度可變的結(jié)構(gòu)特征,實(shí)現(xiàn)在欠驅(qū)動(dòng)的條件下具有

16、確定的運(yùn)動(dòng).按照上述的要求,繪制出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及各桿的形狀,就可以得到機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖,其功能設(shè)計(jì)工作也就得以完成.2自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)2.1力驅(qū)動(dòng)夾緊裝置的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)例:設(shè)計(jì)用于夾緊工件如圖l所示工件的夾緊裝置,要求用規(guī)定的垂直力和水平力,能夠適應(yīng)長(zhǎng)度和高度尺寸在一定范圍內(nèi)變化,并要求系統(tǒng)具有較大的機(jī)械效益.圖1根本要求Fig.1Basicdemand1)選擇初始運(yùn)動(dòng)鏈.(1)依題意,夾緊裝置采用力驅(qū)動(dòng)F=一1;(2)機(jī)構(gòu)自動(dòng)適應(yīng)的變化參數(shù)為工件長(zhǎng)度和高度日,即自適應(yīng)自由度n由=6=2.此時(shí),封閉力的對(duì)數(shù)n=3,即2i=nc,=3.第25卷第1期羅金良等-力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方

17、法45(3)此時(shí),/Z=2,=1.所以運(yùn)動(dòng)鏈的構(gòu)件總數(shù):2i+n+n.i+nb6.(4)由于二夾持力及其合力將傳至根底構(gòu)件,為了使驅(qū)動(dòng)力具有擴(kuò)力作用,應(yīng)有支點(diǎn)在根底件上,故根底構(gòu)件運(yùn)動(dòng)副元素?cái)?shù)大于或等于4;再根據(jù)夾緊裝置需要較大的機(jī)械效益,那么還需要至少增加2個(gè)中間構(gòu)件,所以,選擇如圖2所示的F=一l,N=8的運(yùn)動(dòng)鏈.2)應(yīng)用上述的功能結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的具體原那么和方法,將圖2所示的運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行結(jié)構(gòu)化.圖2運(yùn)動(dòng)鏈Fig.2Kinematicchain在進(jìn)行機(jī)構(gòu)配置時(shí),通常保證機(jī)構(gòu)可靠T作所需的作用力是的,而工作構(gòu)件及其與根底件的聯(lián)接可以按前述的方法確定.因此,系統(tǒng)能否處于最正確受力狀態(tài)的關(guān)鍵就是中間構(gòu)

18、件的布置和驅(qū)動(dòng)力(力矩)的大小及方向確實(shí)定.首先,對(duì)圖3中確定的工作局部(執(zhí)行構(gòu)件)進(jìn)行分析.由靜力學(xué)定理可知,工作時(shí),構(gòu)件5能處于靜平衡狀態(tài)的一個(gè)必要條件是鉸鏈O產(chǎn)生的反力R處于xoy座標(biāo)系的2,3象限;同理,構(gòu)件2實(shí)現(xiàn)靜平衡狀態(tài)的一個(gè)必要條件是鉸鏈o產(chǎn)生的反力處于XtOY座標(biāo)系的1,4象限內(nèi).當(dāng)與OX共線時(shí),機(jī)構(gòu)的傳力特性最正確,封閉力最大,從而確定將中間構(gòu)件4水平配置.再根據(jù),產(chǎn)生的作用力方位和執(zhí)行構(gòu)件2,5的壓緊運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)以及整個(gè)系統(tǒng)力的傳遞與效益,確定主動(dòng)力構(gòu)件3的方位及各鉸鏈點(diǎn)的配置,得到如圖4所示的機(jī)構(gòu).3)機(jī)械系統(tǒng)的靜定平衡分析按照設(shè)計(jì)要求,所設(shè)計(jì)的力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu)必須能夠?qū)崿F(xiàn)靜

19、定或超靜定的封閉狀態(tài).為此,可按靜力學(xué)原理,對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析,結(jié)果如圖4所示.在圖示工作位置,要使構(gòu)件2處于平衡狀態(tài),支座反力RR,:和垂直方向的夾緊力F必然匯交于一點(diǎn)0,且符合矢量封閉法那么.由于F,其方向線必須過(guò)點(diǎn)并垂直于接觸面,由構(gòu)件3的受力狀況可確定R必通過(guò)C點(diǎn)及R與JP的交點(diǎn),從而得到F與R:的交點(diǎn)0,那么可確定鉸鏈4的反力R.的作用線沿AO.圖3工作局部Fig.3Executivemembers圖4力驅(qū)動(dòng)的夾緊裝置Fig.4ClampdevicedrivenbyforceP保證機(jī)構(gòu)能夠可靠地夾緊,到達(dá)機(jī)構(gòu)靜定的根本原那么是盡可能保持兩夾緊力大小相等,即F=F.下面將探討保持F=

20、F的幾何條件.對(duì)構(gòu)件2所受外力對(duì)點(diǎn)取矩,對(duì)構(gòu)件4和5組成的系統(tǒng)對(duì)F點(diǎn)取矩,根據(jù)靜力平衡條件,它們的合力矩必為0,即:MA=0:一R32h1一32yzl+Fz2=0(4)M,=0:R34h一RHh=0(5)根據(jù)圖中的力學(xué)及幾何關(guān)系,可得出:F=(h1cotc+11)(6)2hF:LPcotcz(7),3對(duì)于構(gòu)件3的平衡方程為:M.=0:一Pz舢+R23z=0(8)綜合上述方程,可以解出能夠保持F=F南華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021年3月的幾何條件如式(9)所示,同時(shí),該方程還可以作為參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)約束方程來(lái)使用.Z13+h1h3Z刪一f2h2Z=0(9)上述系統(tǒng)配置,在圖示工作位置,驅(qū)動(dòng)

21、力p的大小及方向都是確定且唯一的,各構(gòu)件也都處于靜平衡狀態(tài),能夠保證夾緊工作.因此,該系統(tǒng)是靜定的,能夠處于穩(wěn)定的工作狀態(tài).中間連桿組成了復(fù)式杠桿系統(tǒng),從而使機(jī)構(gòu)具備了較大的機(jī)械效益.實(shí)際上,以F為輸出機(jī)械效益為:,7:FH=h2cot=(1.),7川從式(1o)可以看出,只要足夠大,機(jī)構(gòu)力的增益效果將非常明顯,機(jī)械效益得到大大的提高.4)欠驅(qū)動(dòng)條件下系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與自適應(yīng)性能分析該機(jī)構(gòu)在所有內(nèi)力未封閉前,其自由度為2,但只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)力作用,是一種欠驅(qū)動(dòng)方式,運(yùn)動(dòng)是不確定的.為了實(shí)現(xiàn)可靠的夾緊及松開(kāi)過(guò)程,機(jī)構(gòu)必須具有確定的運(yùn)動(dòng)傳遞規(guī)律.因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須合理的配置系統(tǒng)的構(gòu)件,特別是執(zhí)行構(gòu)件的位姿,

22、分析其力能的傳遞路線及運(yùn)動(dòng)趨勢(shì).為此,將執(zhí)行構(gòu)件2配置在近似的水平方位,保證在夾緊時(shí),其在重力的作用下能首先與工件接觸于B點(diǎn),產(chǎn)生了垂直方向的夾緊力.此時(shí),B就可以看作是整個(gè)機(jī)構(gòu)的一個(gè)高副接觸點(diǎn),增加了一個(gè)約束.機(jī)構(gòu)的自由度F=3X62×81=1(液壓油缸看成兩個(gè)構(gòu)件),在驅(qū)動(dòng)力P的作用下,具有確定的運(yùn)動(dòng).當(dāng)構(gòu)件5與工件接觸于G點(diǎn)時(shí),產(chǎn)生了水平方向的夾緊力,最后這兩個(gè)方向的夾緊力不斷地進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整,直到系統(tǒng)處于靜定或超靜定狀態(tài).當(dāng)工件的尺寸發(fā)生變化,盡管約束反力R弘不再處于OX軸上,且P力也不一定處于軸方向時(shí),由于機(jī)構(gòu)具有2自由度,它總可以按前述過(guò)程,根據(jù)工件的尺寸變化,自動(dòng)調(diào)整其

23、構(gòu)件的位姿,最終到達(dá)系統(tǒng)的靜定或超靜定狀況,使系統(tǒng)的自由度變?yōu)橐?.因此,該機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)其變自由度特征,具有自適應(yīng)調(diào)整的運(yùn)動(dòng),能夠自動(dòng)適應(yīng)工件兩個(gè)方向尺寸的變化.2.2力矩驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用力矩驅(qū)動(dòng),設(shè)計(jì)一制動(dòng)器,該制動(dòng)器通過(guò)一對(duì)相反的制動(dòng)瓦作用到一個(gè)給定的旋轉(zhuǎn)制動(dòng)輪上,如圖5所示.制動(dòng)輪的直徑d及制動(dòng)瓦的摩擦角0.制動(dòng)瓦作用力F和構(gòu)成一個(gè)作用在制動(dòng)輪上的制動(dòng)力偶矩M=Fdsin0.制動(dòng)器必須適應(yīng)左瓦和右瓦上的各自磨損,即要自動(dòng)適應(yīng)和兩個(gè)尺寸的變化.圖5制動(dòng)器的根本問(wèn)題Fig.5Basicdemandofarrester從初始運(yùn)動(dòng)鏈的自由度特征分析可知,應(yīng)該選取自由度為0的運(yùn)動(dòng)鏈來(lái)進(jìn)

24、行功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).能滿足根本要求的最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)荈=0,N=7,為使機(jī)構(gòu)具有更好的增益效果,現(xiàn)選擇圖6所示的n=5,N:9,F=0的運(yùn)動(dòng)鏈來(lái)進(jìn)行力矩驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其中構(gòu)件6,7是作為實(shí)現(xiàn)力矩傳遞的構(gòu)件.圖6F=0的運(yùn)動(dòng)鏈Fig.6KinematicchainwinIF=O首先,按照功能結(jié)構(gòu)化的原那么和方法,對(duì)系統(tǒng)的各構(gòu)件及其聯(lián)接進(jìn)行布置.為了有更好的傳力特性,使鉸鏈點(diǎn)A,以及E分別配置在二切向摩擦力的作用線上,且鉸鏈點(diǎn)B和的連線與法向力平行.中間構(gòu)件5處于鉛垂位置并使其力作用線通過(guò)制動(dòng)輪中心.根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的靜力分析可得到最正確布置方案如圖7所示.而機(jī)構(gòu)的機(jī)械效益為:圖7力矩驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器

25、Fig.7Thearresterdrivenbytwist第25卷第1期羅金良等:力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法47(+2h2)LDtan0,丁一L¨)調(diào)整好式(11)中相應(yīng)的參數(shù),系統(tǒng)可以以較小的驅(qū)動(dòng)力矩,實(shí)現(xiàn)較大的制動(dòng)力矩,使機(jī)構(gòu)具有較高的機(jī)械效益.2.3同一運(yùn)動(dòng)鏈實(shí)現(xiàn)不同功能的功能結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)用同一條初始運(yùn)動(dòng)鏈,根據(jù)功能要求,選擇不同構(gòu)件為執(zhí)行構(gòu)件,可以設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)不同的自適應(yīng)功能的力封閉自適應(yīng)加壓裝置.如圖8所示,同樣是F=0,N=一1的運(yùn)動(dòng)鏈,可以創(chuàng)新設(shè)計(jì)出不同的自適應(yīng)機(jī)構(gòu).(a)運(yùn)動(dòng)鏈(b)夾緊裝置6.(c)制動(dòng)器(d)人力起重杠桿(e)手動(dòng)鋼絲剪圖8同一運(yùn)動(dòng)鏈實(shí)現(xiàn)多功能

26、的結(jié)構(gòu)圖Fig.8Differentfunctionstructureswithsamekinematicchain尸2.4自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的多方案功能設(shè)計(jì)方法1)選擇多種不同的運(yùn)動(dòng)鏈實(shí)現(xiàn)同一自適應(yīng)功能多方案設(shè)計(jì)是指利用不同的運(yùn)動(dòng)鏈對(duì)實(shí)現(xiàn)同一自適應(yīng)功能的機(jī)械裝置進(jìn)行多種方案的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),再根據(jù)實(shí)際的工作要求及其工作環(huán)境選擇其最正確的方案.如圖9所示的自適應(yīng)制動(dòng)器.其中方案(a),(b)是滿足最根本要求的力驅(qū)動(dòng)方式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖;方案(C),(d),(g)那么是具有更好的機(jī)械效益的力驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖;方案(e),(f)是滿足最少構(gòu)件數(shù)的力矩驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖;而(h)那么是具有較大力的增益效果的力矩驅(qū)

27、動(dòng)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖.一一1一磷磷(f)F=O,N=7南華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021年3月1(h)F._O,=9圖9制動(dòng)器的多方案結(jié)構(gòu)圖Fig.9Differentfunctionstructuresofarrester2)選擇同一運(yùn)動(dòng)鏈不同的工作構(gòu)件實(shí)現(xiàn)同一功能多方案設(shè)計(jì)的另一種形式是選擇同一運(yùn)動(dòng)鏈,根據(jù)工作環(huán)境及外部條件的要求,選擇不同的構(gòu)件作為工作構(gòu)件來(lái)實(shí)現(xiàn)同一自適應(yīng)功能的多種方案的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).如圖1O所示,圖(bd)為通過(guò)選擇不同的工作構(gòu)件得到的夾緊裝置.(c)(d)圖1O同運(yùn)動(dòng)鏈不同工作構(gòu)件的夾緊裝置多方案結(jié)構(gòu)Fig.10Structuresofclampdevicewithdifferentoperationmembersofsamekinematicchain這三種方案都能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的夾