平面机构过约束分析方法的综合应用

平面闭链机构及机械系统中广泛存在的过约束导致了机械性能的一系列有害影响 ,已经受到机械结构设计者的充分重视 ,提出了多种机构过约束的分析方法 ,但是这些方法还存在一些不足 ,还需进一步发展完善。笔者针对 2种常用的机构过约束分析方法公式计算法和回路自由度分析法存在的不足 ,在对其深入、系统研究的基础上 ,将 2种方法相结合 ,得到了一种较实用的、且便于计算机辅助分析的机构过约束分析方法 ,并提出了一些机构过约束分析的新的见解。

以过约束空间机构构造的汽车侧门锁变模式电动开启支链

面向汽车侧门锁轻量化及空间有效利用的需求,基于方位特征集提出一种空间过约束机构构型方案,对其拓扑结构及尺度约束类型进行机构解耦特征综合,构造两簇互相垂直的旋转副({R_(A)||R_(B)||R_(F)⊥R_(E)||R_(C)||R_(D)});对空间解耦过约束机构尺度特征进行优化,综合出可用于车门锁电动开启的空间RRURR解耦少杆过约束机构;在此基础上增设由滑槽与扭簧组合的柔顺副,构建具有柔顺性的单回路变模式空间RRUPRR机构。其不同驱动模式、限位边界可实现多种运动模式及其模式切换,包括空间6R过约束机构运动、空间5R1P机构运动和平面3R1P四杆机构运动模式。将柔顺单回路变模式机构嵌入车门锁电动开启支链,实现了电动开启、手动开启等功能;动力学仿真得到手动开启工况中齿轮曲柄仅发生0.042°的微小转动角度,验证了电动开启支链与手动开启支链的运动兼容。

一种过约束并联机构受力的数值仿真分析方法

鉴于目前对过约束并联机构进行受力仿真分析的研究非常少,提出了一种对该类机构受力的数值仿真分析方法。将机构的动平台、定平台及所有运动副视作刚体,将易产生空间复合弹性变形的分支杆视为柔性体,用虚拟关节代替外形复杂的运动副模型,结合三维建模软件、ANSYS软件及ADAMS软件建立与理论模型完全一致的刚柔混合模型;仅改变驱动量使机构运动到指定位形,便能实现对机构在任意位形下的受力分析,避免了对机构的不同位形重建模型。采用该方法对三种类型的过约束并联机构进行了受力分析,分析结果验证了该方法的正确性,同时也表明该方法具有一定的通用性,且无需复杂的理论计算,便能获得过约束并联机构在任意位形下的驱动力和各关节约束反力大小,为此类机构的受力分析提供了便捷途径。

考虑杆件空间复合弹性变形的过约束并联机构受力分析方法

以3-PRRR三自由度移动并联机构为例提出一种考虑杆件空间复合弹性变形(包括弯曲、拉伸和扭转变形)的过约束并联机构受力分析方法。提出并定义分支约束力螺旋系刚度矩阵,建立分支约束力螺旋系幅值与分支末端弹性变形之间的映射关系;然后结合动平台受力平衡方程推导得到了分支约束力螺旋系幅值的一般解析表达式,分析施加给动平台的约束力螺旋与运动副实际约束反力之间的内在联系,从而求解得到了驱动力和所有被动运动副的约束反力。基于ADAMS仿真软件提出了一种建立过约束并联机构受力仿真模型的方法,所建刚柔混合模型与理论模型完全一致,且仿真结果与理论计算结果的最大误差不超过2%,有效地验证了提出的过约束并联机构受力分析的正确性。

基于几何约束条件过约束并联机构自由度瞬时性的简便判别方法

由于采用螺旋理论工具计算得到的并联机构自由度是瞬时的,特别对于过约束并联机构,不仅其自由度性质可能改变,而且有些自由度的运动可能根本实现不了,所以必须对其自由度的瞬时性进行判别。鉴于国内外对过约束并联机构自由度瞬时性的判别方法的研究非常少,基于机构自身的几何约束条件提出一种判别过约束并联机构自由度瞬时性的简便方法。该方法根据各分支的几何约束条件建立几何约束方程,通过检查几何约束方程是否存在非零实数解来判别机构自由度的瞬时性,并以五种过约束并联机构为例,阐述该方法的具体判别步骤。基于仿真软件ADAMS提出一种判别过约束并联机构自由度瞬时性的仿真分析方法,该方法检测仿真模型自动添加的多余自由度,检查自动添加的多余自由度是否产生位移来判别自由度是否为瞬时的,同样采用这种仿真分析方法对上述五种过约束并联机构的自由度瞬时性进行判别。结果表明两种判别方法得到的结果是一致的,有力地验证了两种判别方法的正确性。

过约束剪铰式双层周边桁架可展天线机构设计与分析

基于过约束剪铰式机构单元,构造了一种过约束剪铰式双层周边桁架可展天线机构,分析了双层周边桁架机构的构型机理及过约束特征,对整体桁架机构进行了单元划分,将其分解为多个闭环可展开机构单元;考虑节点连接件的尺寸,推导出了过约束剪铰式双层周边桁架机构的组合条件,基于反螺旋理论分析了闭环可展开机构单元的自由度及运动形式,结果得到了其只有一个收展运动自由度,进而分析得到了整体双层周边桁架可展天线机构整体亦只有一个自由度,最后建立了过约束剪铰式双层周边桁架可展机构的仿真模型,模拟了整个机构的收拢与展开过程,验证了其整体的可展性。本文提出的过约束剪铰式双层周边桁架可展天线机构具有单自由度以及高刚度的特点,在深空探测领域具有较好的应用前景。

平面机构中的过约束

过约束广泛存在于各种平面机构中,并对机械系统性能造成了一系列有害影响;另一方面,在许多情况下,过约束及过约束结构也常常是机构及机械系统正常工作的必然的客观需要.对平面机构中过约束产生的机理进行了详细的分析研究,在此基础上系统地将其分为运动副元素上的过约束,重复运动副结构中的过约束和封闭运动链中的过约束,并分析了过约束对机械系统性能产生的影响.同时,提出了一些消除或减小过约束有害影响的措施.

基于加权广义逆求解被动过约束刚-柔耦合并联机构的受力问题

提出一种直接应用力映射矩阵的加权广义逆求解一般被动过约束并联机构(指分支提供给动平台的约束力/力偶数目大于等于1的被动过约束并联机构)的超静定受力问题的方法。基于小变形叠加原理和螺旋理论得到了分支约束力螺旋系刚度矩阵的一般表达式。推导一般被动过约束并联机构的各分支约束力螺旋系幅值与六维外力之间的映射关系式,进而证明了该关系式恰好是力映射矩阵的加权广义逆,其中加权矩阵为各分支约束力螺旋系刚度矩阵组成的分块对角阵的逆。以3-RRC空间三自由度被动过约束并联机构和一个并联振动平台为例,直接应用加权广义逆求解了机构各分支约束力螺旋系的幅值,并进行仿真验证。基于加权广义逆求解被动过约束并联机构的超静定受力问题大大简化了求解过程且解的形式统一、简单。

基于超平面同伦法的平面过约束机构判定

过约束机构的研究涉及到非线性代数方程组的高维解问题,现有的数值法难以确定方程组是否存在高维解,提出超平面同伦法,并基于该方法提出了过约束机构的判定准则.发现了一种平面四回路过约束机构,并运用判定准则对该机构进行验证.通过对该四回路过约束机构的过约束条件分析,构造了一类新的平面过约束机构.

用穷举法求过约束机构存在的充要条件

本文给出求过约束机构存在的充要条件的一种方法——穷举法,并以4R、RPRP机构为例,说明这种方法的应用.文中的结果表明,除了平面4R机构、球面4R机构以及Bennett机构外,不存在其它4R机构;除平面RPRP机构外,还存在且只存在一种RPRP机构.文中的方法也可用于求其它过约束机构存在的充要条件.

空间双层过约束可展机构的设计与分析

折展机构以其优越的折展性能,广泛应用于航空航天以及建筑等领域。以基于等边Bennett机构拓展得到的6R机构与三重对称Bricard机构巧妙结合,得到了一种可折展的环状机构,建立了多种过约束机构的几何模型并改进了环状机构的理论模型。利用D-H参数法对改进组合机构进行了运动学分析,得到其运动特性。以可折展环状机构为基本组网单元搭建了大尺度单层空间折展机构;以拓展6R机构衍生的7R机构结合Sarrus机构设计了可折展的连接单元,与单层折展机构复合构建空间双层可展机构,并提出了空间多层折展机构的可能性。

单自由度概率翻转移动连杆机构

基于一种过约束伸缩机构,设计一种单自由度的概率翻转移动连杆机构。通过分析机构的移动原理得出该机构具有两种运动步态,即定向步态和概率步态。定向步态的机构移动有确定的方向;概率步态的机构移动有两个可能方向,此随机过程在理想条件下符合伯努利概率分布。针对机构的移动特性和移动路径,提出使其在平面内任意运动的控制方法。建立移动机构的动力学模型并进行运动仿真。仿真结果表明,通过两种步态的组合控制,可以使机构实现从指定的出发点到达任意的预期目标点的平面移动。制作一台样机,验证了该单自由度机构的移动和转向功能。

平面图形放缩机构

放大尺是由单个平行四边形机构组成的,它可以对两点间的距离进行按比例的放大或缩小,但是不能对平面上的几个点间的距离同时进行放大或缩小,如果将多个平行四边形按照一定的顺序和角度连接起来,再加上一个驱动就可以完成这一工作。按这种方式构成的机构既可以是单自由度的普通机构,也可以是单自由度的过约束机构。加上一些带标记的滑动副,这种机构可以组成一些由直线段构成的大小可变的图形。

Bennett机构自由度的螺旋分析

用螺旋理论对Bennett机构的自由度进行了研究,揭示其具有的线性属性。最后用此方法对Bennett机 构的几何条件进行分析。

机构构件位移协调原理的研究

通过对过约束机构的静不定次数进行研究,进而对机构构件的位移协调原理进行研究,推导出机构构件位移协调方程.

某一特殊普通面对称Bricard机构及其分析

该文的研究对象是一种特殊的Bricard6R机构——普通面对称机构.在6根连杆等长,且铰链连接、偏置为零的情况下,分析了连杆的闭环方程,得到了输入输出角之间的关系.同时通过分析,得出该机构的彼此相间隔的三点构成的平面相互平行.然后,通过Adams仿真,验证了之前理论分析的正确性.

基于蝶形机构的放缩机构的设计及仿真

蝶形机构是由两个全等的三角形组成。它利用两个三角形相对应的顶点铰接,使构成该顶点的两组边可以相对于顶点转动,从而使该机构形状及各对应点的距离发生变化,如果以一定的方式将数个同样的蝶形机构连接起来,可以在平面内组成单自由度的过约束放缩机构。本文将其引入空间范围,并对所构成图形的自由度进行分析。

基于ADAMS的交错轴等速传动RCCR空间机构的运动学仿真

利用虚拟样机技术对具有特殊尺度的一种RCCR过约束空间机构建模和运动学仿真分析,证明它具有空间交错轴等角速回转传动的特性.进而,指出了其应取的平衡结构型式.

空间机构的间隙影响分析新技术

本文介绍了一种用于评估间隙配合运动影响机构的精度等级技术。该技术可以用于分析平面、空间，开放或闭合链机构，但不适用于过约束机构。该技术可以明确地具体化，因为它可以准确地确定运动链实际间隙配合所产生的影响值大小，而不需要利用近，概率密度函数来分析。该技术最大的创新点就是它不要像其它方法那样要求知道作用在机构上的作用力大小，而只要知道机构的组合结构就可以直接得出该运动之间的最大配合误差，该误差也就是间隙配合所引起的最大偏差。所以机构的内部运动问题就可以通过这种运动学方法解决，而不需要像许多文献资料中那样用运动静力学来解决。

剪叉式过约束双环桁架可展天线机构的构型设计与自由度分析

基于过约束剪叉机构单元,构造了一种剪叉式过约束双环桁架可展天线机构作为星载天线支撑机构.首先,分析了剪叉式过约束双层环形桁架机构的构型机理及过约束特征,并对整体桁架机构进行了单元划分;考虑节点连接件的尺寸,推导出了此剪叉式过约束双环桁架机构的组环几何条件.然后,将双层环形桁架机构进行单元分解,基于图论和螺旋理论绘制了分解后机构单元的旋量约束拓扑图,进而分析了闭环可展开机构单元和整体双层环形桁架机构的自由度,结果表明,双层环形桁架机构的自由度和闭环可展开机构单元的自由度数相同,均只有1个自由度.最后建立了双层环形桁架可展开天线机构的仿真模型,模拟了整个机构的展开过程,验证了整体的可展性.该剪叉式过约束双环桁架可展天线机构所含运动副均为转动副,且整个机构仅具有单个自由度,运动形式简单.