三自由度可控机构的型综合分析

王龙

三自由度可控机构的型综合分析

王龙

（芜湖职业技术学院机械工程学院，安徽芜湖，241003）

机构的型综合指的是根据机构的运动需要对机构进行选型设计。型综合是机构优化设计以及创新设计必不可少的部分，对研究机构的组成原理和找到新型且具有实用价值的机构具有重大的意义。以三自由度可控挖掘机为模型，利用运动链开放副间的边数特征进行型综合并进行特定化，为以后可控机构型综合研究提供了思路。

型综合；可控挖掘机；特定化。

1. 可控机构组成介绍

可控机构由可控升降机构，可控摆动机构，铲斗翻转机构组成，具体简图以及组成名称功能如下表以及下图所示：

表1 可控机构各组成名称及功能

图1 可控机构简图

2. 运动链的型综合

由于任何运动链全部都是由二副杆、三副杆以及多副杆组成，而且各副杆之间的连接存在相互对应的关系，这为探索运动链的综合提供了新的思路，现有机构为十杆十二副的运动链，本文采用开放副间边数特征进行型综合。

2.1 连杆配合类配方案

对于十杆十二副机构有：

同理，可得另外四个类配方案，即：

图2 混合杆件的加法

2.2 构件开放副间的边数和加法

根据构件运动副数目的差异，将各杆的边数用数字表示，如二副杆为11，三副杆为111……五副杆为11111。当一构件与其他构件连接之前，它上所带的运动副为一个运动副单元不完整的运动副，称为开放运动副，用符号“l”表示，当一独立构件开放副与其他构件开放副连接后形成一个完整的运动副，称之为闭合运动副，用符号“¡”表示，两个开放副之间的线段数目叫做边数。混合杆件的边数加法法则如下：混合构件是由不同运动副的杆件混合连接而成，其边长的表示方法如上面所述，如图2所示，混合杆件计算规则如下：构件1313是由二副杆11与两个三副杆111连接而成，即：111+11=122，122+111=1313，在1313构件上，再分别加上两个三副杆111，即：1313+111=13214，13214+111=141314，在构件141314上，再分别加上两个二副杆11，即141314+22=361314，，将361314构件开放副闭合得构件46314，在构件46314基础上再加一个二副杆，即：46314+22=46336，再次闭合46336机构得构件7663，在构件7663基础上加上二副杆，即7663+11=8466。即得到的最后十杆十二副机构8466。

3. 十杆十二副机构的型综合与特定化

3.1 可控机构的型综合

图3 部分运动链图谱

3.2 可控挖掘机构的特定化

为了将挖掘机构具体化，需要在一般化图谱上，经过特定约束要求，选择出所需要的挖掘机构。运动链特定化的步骤为：首先按照设计约束定下条件，即把符合机架、主动杆和铲斗设计条件的选择出来，然后按照设计要求将机架、主动杆和铲斗分配到远动链图谱中，分配原则要符合设计要求，最后经过整理，得到特定化的十杆十二副可控挖掘机构。

首先选择机架，由于该挖掘机构有三个主动杆，并主动杆要与机架连接，机构的自由度数与内环数都是3，所以确定机架为多副杆。当机架为三副杆时，与机架相连的每个内环路要大于等于3，当机架为为四副杆时，与机架相连的三个内环路中要有两个内环路大于4。再次选择主动杆，主动杆必须安装在机架上，

最后选择铲斗，铲斗既不能直接和机架连接，也不能直接与主动杆连接，且铲斗选取为二副杆。

利用上面的约束条件，经过对98个运动链进行分析后，排除了63个不符合条件的运动链，对剩余的35个运动链进行特定化，得到80种可行方案，部分特定运动链如下：

图4 部分运动链图谱

由于篇幅限制，仅对A图、E图进行具体化,如图5所示：

图5 A、E运动链具体化

4. 结束语

本文首先分析了已知的可控挖掘机，通过分析可知该可控挖掘机构是三自由度十杆十二副机构，然后利用开放副边数闭合的方法对十杆十二副机构进行型综合得到所有的运动链，再根据实际需要选择机构的机架、主动杆、执行机构的满足条件，最后得到符合条件的挖掘机构，并且选择2个挖掘机构进行具体化。本文为以后的挖掘机构的构型选择提供了方向，为进一步设计分析可控挖掘机构奠定了基础。

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[5]孙亮波. 新基于杆组法的机构型综合与运动学分析系统研究[D]. 武汉: 武汉科技大学, 2012.

Analysis on Type Synthesis of the 3-dof Controllable Mechanism

WANG Long

Type synthesis of mechanism is to select and design the mechanism according to the motion requirements of the mechanism. Type synthesis is an essential part of mechanism optimization design and innovation design, with great significance to the research on the composition of the mechanism and the discovery of innovative mechanism with practical values. Modeled on the three-degree-of-freedom controllable excavator, it can provide an idea for comprehensive research on type synthesis of the controllable mechanism to carry out and specify type synthesis by taking advantage of the feature of the number of edges between the open pairs of the motion chain.

type synthesis; controllable excavator; specify.

TH122

A

1009-1114（2019）02-0020-04

2019-04-07

王龙（1989—），安徽淮北人，研究生，助教，研究方向为机械设计。

研究项目：芜湖职业技术学院校级自然一般项目“新型可控机构式挖掘机的型综合与分析研究”（Wzyzr201915）。

文稿责编 戴晓东