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新型机械工程设计理论与方法分析-工程设

计论文-设计论文

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1可控机构应有的自由度

机构的自由度也就是指机构能够运动的个数，所以可控机构的自由

度，一定是含有特性的一种参数，机构的原动件数等于机构的自由

度数。一个机械能够实施的最大范围的变量是机构所具有的活动度，

这只是相对于日常所见的衔接的机械而言。安设在机械设备上的串联

机构，通过安装在机械末端的执行器，在相对于机械体系内所设置的

机架，通过计算所得到的自由度，便是这一机构应有的自由度。同样，

安装在机械设备上的并联机构，这种机械的自由度就等同于代动平台

的应有自由度。根据我们已知的螺旋理论，通常把机械中并联机构所

具有的自由度，当成螺旋系数的维度，并且这种维度也是螺旋系数所

特有的，而螺旋预设的维数就是指机械架构所具有的活动度。在机械

配件所拥有的架构内也有一定的自由度，其所拥有的自由度带有局部

性的特点，并且不会影响到机械结构内的其他配件的功能，这是配件

架构内的消极自由度。在机械构建中还存在着一些带有典型特性的自

由度，一般存在与连接滚子的配件中，当然这种状况一般只会出现在

平面机构中。但是在空间态势下存在的运动链，也会出现上述所说的

带有典型性的自由度。在可控机构中会出现一些特有的约束，这种特

有的冗余约束一般统称之为虚约束，之所以会出现这种所谓的虚约束，

基本上是同机构常拥有的运动副有关，因为现在机械部件中所拥有的

运动副，都是以前设计中已经设好了所需要的几何关联。所以，在可

控机构中存在的一些约束，不会影响机构体系内存在的其他运动，对

其他机械机构的运行不会产生其他作用，随着公共约束的消除，机构

中所存在的螺旋数值，我们可以对此数值进行衡量，如果此数值大于

机构原有的阶数，那么就说明机构中存在着冗余约束，另外所谓的过

约束一般是包含了上述的冗余约束还包括机械的公共约束。

2装载机构具有的可控特性

2.1构型的预设

在机械中的装载机是连接着已经设计安装好的执行机构，在这个机构

上一般会在上下两个方位安装限位块，这样的设计会限制机械动臂运

动的灵活性，无法使动臂去在预设范围内发挥自有的功能。在此机构

中，上方所安装的限位块主要功能是用于特定的几何限位，而下方所

安装的限位块，主要功能是支撑机械的动臂，使机械能够顺利的翻转

和复位。除了这两个限位块，在机构的动臂中，也设计安装有夹带着

挡块的转轴，并且把具有一定规格的槽体安装在动臂的前侧，这样能

够保证滑块能够持续的滑动，不会出现影响其他机构工作的现象。经

过组装好的动臂及滑块，在经过机械中的连杆，进而与机械内的传动

杆，相互连接在一起。在机械前侧的铲斗架，一直连接着机构中的动

臂与铲斗，并在机构内的连动杆的作用下进行正常的工作。

2.2常用的变胞途径

变胞原理就是采用特定方法，使机构的拓扑结构加以变化，以实现机

构的自由度的变化。把能在瞬时使某些构件发生合并分离或出现几何

奇异，并使机构有效构件数或自由度数发生变化。从而产生新构型的

机构称为变胞机构。现在机构中通常用到的变胞途径，一般只要是有

电磁变胞、有力变胞以及组合态势下的变胞组成。但是在现在的机械

工程中，尤其是涵盖了多自由度系统的机械工程，出现了几何变胞这

种新形式的变胞途径。一般而言就是把机构中的运动副，在设计的过

程中便制定成具有特殊形状，用来满足机械的需求，具体而言就是在

体系架构的上下方位增加限位块。变胞性能在机构中的实现是通过动

臂连接着的相应转动轴，在所需要的情况下，收到这个区域所传来的

信号即转动限制来实现的。

2.3拓扑架构的细化

当设计好变胞构架并且制造出来之后，通过安装调试，使其能够在机

构中正常的工作，在这里提到的新的装载构架是比较现代化的，具有

一定的电动特性。通过对拓扑构架的重新设计和规划，可以在不同情

况下用来代替原有的拓扑结构的工作。例如安装一台带有驱动功能的

电动机，就可以更好的去翻转机器，并且提高液压装载机的工作效率，

更好的卸去原料，使得机械构架工作效率更加显著。电动机被安装在

机架以上，而不是安装在平常使用的铰链处，通过这样的处理，不能

够提升机构原有的体系刚性，另一方面也限制了机械构架的惯性。通

过在矩阵的影响下，拓扑结构便很清晰的被描绘出来，进而可以明在

不同时间段和工作状态下的拓扑结构的相互交替。在预先设计好的原

理下所产生的机械架构，可以做到逐步代替原有的机械构架。在新的

机械构架基础上，可以更好的明确装在机构的变胞特性，清晰了变胞

生成以及发展的总过程，进而可以描