試論多自由度系統可控機構式新型機械理論與方法

摘 要：機械工程是裝備工業的重要組成部分，也是其主要核心。我們平常使用的機械工程在日常的生產過程中起着非常重要的作用，不僅能夠節約勞動力還能夠節省時間，壓縮成本等，但是隨着時代的發展，社會科技的進步，現有的機械工程已不能滿足工作的需要。例如：在建築行業都會使用到的單自由度的挖掘機，隨着這種挖掘機的構架比較穩定，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相對較短，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，多自由度系統的設計理論很好的解決了這一問題。多自由度系統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，用以滿足使用者的需求，在機械工程具備的動力學特性的基礎上，通過加大多自由度系統的使用，是未來機械工程的發展方向。因此，作為機械設計人員要能夠明白多自由度系統可控機械的設計原理，摸索出完善的設計方法。但是，由於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並不能滿足使用者的需求，並且在一定程度上存在着不足之處，作為新興的可控機構，多自由度系統漸漸進入了人們的視線。

關鍵詞：多自由度系統；機械工程；可控機構；理論與方法

1 可控機構應有的自由度

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，機構的原動件數等於機構的自由度數。一個機械能夠實施的最大範圍的獨立變量是機構所具有的活動度，這只是相對於日常所見的銜接的機械而言。安設在機械設備上的串聯機構，通過安裝在機械末端的執行器，在相對於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並聯機構，這種機械的自由度就等同於代動平台的應有自由度。根據我們已知的螺旋理論，通常把機械中並聯機構所具有的自由度，當成螺旋係數的維度，並且這種維度也是螺旋係數所特有的，而螺旋預設的維數就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，其所擁有的自由度帶有局部性的特點，並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着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，當然這種狀況一般只會出現在平面機構中。但是在空間態勢下存在的運動鏈，也會出現上述所説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，這種特有的宂餘約束一般統稱之為虛約束，之所以會出現這種所謂的虛約束，基本上是同機構常擁有的運動副有關，因為現在機械部件中所擁有的運動副，都是以前設計中已經設好了所需要的幾何關聯。所以，在可控機構中存在的一些約束，不會影響機構體系內存在的其他運動，對其他機械機構的運行不會產生其他作用，隨着公共約束的消除，機構中所存在的螺旋數值，我們可以對此數值進行衡量，如果此數值大於機構原有的階數，那麼就説明機構中存在着宂餘約束，另外所謂的過約束一般是包含了上述的宂餘約束還包括機械的公共約束。

2 裝載機構具有的可控特性

2.1 構型的預設

在機械中的裝載機是連接着已經設計安裝好的執行機構，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範圍內發揮自有的功能。在此機構中，上方所安裝的限位塊主要功能是用於特定的幾何限位，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，也設計安裝有夾帶着擋塊的轉軸，並且把具有一定規格的槽體安裝在動臂的前側，這樣能夠保證滑塊能夠持續的滑動，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杆，相互連接在一起。在機械前側的剷鬥架，一直連接着機構中的動臂與剷鬥，並在機構內的連動杆的作用下進行正常的工作。

2.2 常用的變胞途徑

變胞原理就是採用特定方法，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生合併分離或出現幾何奇異，並使機構有效構件數或自由度數發生變化。從而產生新構型的機構稱為變胞機構。現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勢下的`變胞組成。但是在現在的機械工程中，尤其是涵蓋了多自由度系統的機械工程，出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着的相應轉動軸，在所需要的情況下，收到這個區域所傳來的信號即轉動限制來實現的。

2.3 拓撲架構的細化

當設計好變胞構架並且製造出來之後，通過安裝調試，使其能夠在機構中正常的工作，在這裏提到的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劃，可以在不同情況下用來代替原有的拓撲結構的工作。例如安裝一台帶有驅動功能的電動機，就可以更好的去翻轉機器，並且提高液壓裝載機的工作效率，更好的卸去原料，使得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，進而可以明在不同時間段和工作狀態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於其他的裝載機構是比較新穎的。當把自由度設置為零的時候，可以通過行對應的公式計算，得到新的變胞元。

3 運動學的範疇內建模

3.1 建模原理的本源

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。在有機態勢下將帶有可控性質的挖掘機和裝載機安裝在一起的執行機構可以當成是一個機構的結合點。通常在平面範疇下的可控機構，基本上會帶有三個層面的自由度。為了能夠創造產生機構所特有的運動模型，需要引入閉環矢量這一概念，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特定的影響係數。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射關係。

3.2 挖掘機構在三自由度架構的原理

具體事例而言，有一種軌跡可以被當成機械輸出態勢下所形成的軌跡，這種軌跡就是機構在運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杆，使之與橫軸形成設計好的夾角，可以涵蓋130°的原始角度。機構中主動杆在工作中所產生的角位移，會有一定的運動規律產生，可以通過計算得出，並可更替。

3.3 逆解方式的運用

在挖掘機中使用的可控機構是建立在三自由度的構架下，可以把銜接剷鬥的機器構架當是一種在動靜態勢下所產生的平台。為了更好更明晰的去解釋這種難度，可以把平台上所設定的三個點，在設計時便使其形成三角形的形狀，當然在動平台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。在機構中通過剷鬥與機架的銜接，可以預先設定出幾何中心，進而明確其所在的座標系，當明確了機構的座標系之後，就可以妥善的安裝剷鬥與機構的連接。一般情況下，機構中連桿所處的末端，就是建立座標系的所在位置，通過連桿在工作中產生的關節軸線，是連桿在相對態勢下產生的運動軸線，就是座標系的縱軸。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，在相對態勢下的機械連桿產生的轉角，就是機械關節部位特有的轉角，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。在預先設定規劃好機構的座標系後，可以當是零的編號。在機構的設計開發中，支鏈所特有的笛卡爾座標系，就是未能能夠是機械構架中存在的動臂去替換原有存在的支鏈。在完成這一工作之後，通過相應的計算，就可以得出現有就夠支鏈的D-H參數。可控機構在多自由度系統下的設計和開發，就是把機構中存在的支鏈以及運動副當成是機構體系中最重要的主動關節，並且所得出的D-H參數是為了以後能夠更好的對機構動臂的調節。

4 結束語

現代機械構架在多自由度系統理論的參與下，不僅僅涉及到原有的動力學説，並且還涉及到了電子領域以及其他的先進製造機理。使得在多自由度系統構架下的機械設計變得更加複雜，設計時充滿着各種各樣的疑難問題。通常來説，機械構建在設計時應該考慮的結構參數、部件與部件之間的尺度參數，這些都是設計師首先考慮的問題，做到最優化，使得機械原有的部件的受力特性得到充分的提升，並且不破壞機械本身具有的性能，所以在設計時不僅僅要考慮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，使設計出來的產品更加完美，確保使用着的需求得到滿足。

參考文獻

[2]王俊卿.混合驅動平面3-RRR機構的基礎研究[D].中北大學，2011.

作者簡介：郭興改（1966，7-），女，河南省鄭州市人，本科，高級工程師，研究方向：機械工程。