自適應(yīng)機械的設(shè)計分析

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一、引言

機構(gòu)結(jié)構(gòu)主要就是包括機構(gòu)的自由度、約束、運動副數(shù)（可統(tǒng)一視為機構(gòu)的約束）、構(gòu)件數(shù)及構(gòu)件運動學(xué)、動力學(xué)尺度等，而在方案設(shè)計中最關(guān)鍵的是機構(gòu)的自由度、約束及構(gòu)件數(shù)等參數(shù)，所以自適應(yīng)機構(gòu)綜合的核心和重點就是自由度、約束及構(gòu)件數(shù)的可變、可調(diào)控設(shè)計，這也是自適應(yīng)機構(gòu)與一般機構(gòu)設(shè)計的區(qū)別。

二、自由度的設(shè)計

自適應(yīng)機構(gòu)在工作過程中，機構(gòu)都是在初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上通過一定參數(shù)的變化來實現(xiàn)自適應(yīng)功能的，這里稱這個“初始狀態(tài)”的機構(gòu)構(gòu)型為自適應(yīng)機構(gòu)的“初始機構(gòu)”。絕大多數(shù)自適應(yīng)機構(gòu)的初始機構(gòu)都是一個多自由度、多執(zhí)行構(gòu)件的系統(tǒng)。為了適應(yīng)工作變化的要求，初始機構(gòu)都需要設(shè)計出與工作目標變化數(shù)相同的自由度，使之具有產(chǎn)生相應(yīng)自適應(yīng)運動的可能。同時，還應(yīng)該注意到自適應(yīng)機構(gòu)產(chǎn)生的原因及價值就在于其驅(qū)動控制的簡化，而且一般只需用一個驅(qū)動自由度來實現(xiàn)多自由度的適應(yīng)，因而均是欠驅(qū)動系統(tǒng)，所以在多自由度的自適應(yīng)機構(gòu)初始運動鏈中都包含一個主驅(qū)動自由度及若干自適應(yīng)冗余自由度。這些自適應(yīng)冗余自由度，在不同的應(yīng)用場合的工作過程中將以不同的方式存在，有的是一開始時就存在的，僅僅是在工作過程中逐漸被約束掉的，稱之為自適應(yīng)機構(gòu)的“工作自由度”；有的則是一開始就被約束掉，在工作過程中，將按工作需要逐漸被“釋放”的，稱之為自適應(yīng)機構(gòu)的“條件自由度”。因此，在設(shè)計初始機構(gòu)時要根據(jù)工作要求將這些冗余的自適應(yīng)自由度分別加以區(qū)分和設(shè)計。

三、約束及可變約束的設(shè)計

約束特別是可變約束是機構(gòu)實現(xiàn)自適應(yīng)功能的關(guān)鍵。由于自適應(yīng)機構(gòu)的初始運動鏈均為多自由度機構(gòu)，根據(jù)用途的不同，這些自由度有的始終存在，有的則是在工作過程中根據(jù)需要由于約束的變化而被依次的“釋放”。但不論是哪種情況，一般自適應(yīng)機構(gòu)均采取單驅(qū)動的型式，與運動鏈的自由度不等，而在工作過程中必須具有確定的相對運動，因此，在工作過程中必須“增加”或“解除”一些約束，使機構(gòu)總是保持在與驅(qū)動自由度相同的等實際自由度運動。所以，在自適應(yīng)機構(gòu)中，隨著工作過程中的運動或力能參數(shù)的變化，約束也應(yīng)能作相應(yīng)的變化，也即是說自適應(yīng)機構(gòu)中必須采用可變、可調(diào)控的約束。可變約束的類型及其可調(diào)控因素與應(yīng)用在前已作了較系統(tǒng)的介紹，如何應(yīng)用和設(shè)計這些可變約束是要根據(jù)具體工作要求，需自適應(yīng)的參數(shù)類型，以及機構(gòu)的內(nèi)外部條件等來確定的。在這里，僅根據(jù)最具典型的例子來說明可變約束設(shè)計的一般規(guī)律。

1．具有多工作自由度自適應(yīng)機構(gòu)的約束設(shè)計。如前述汽車差速器、重錘式慣性調(diào)速器、差動式抓斗、自動調(diào)速器以及變矩器等自適應(yīng)機構(gòu)，在設(shè)計它們的約束時，首先是在初始運動鏈中，一般通過幾何約束（包括常幾何約束及可變幾何約束）的設(shè)計，使之具有滿足工作要求的多自由度（一般為2～3），這一般是比較容易的。而設(shè)計這類機構(gòu)的關(guān)鍵是如何正確設(shè)計與所需自動調(diào)整的工作參數(shù)相對應(yīng)的外部聯(lián)接，然后通過外部可變約束來改變機構(gòu)的某些參數(shù)達到調(diào)整的目的。因此，這類機構(gòu)的約束設(shè)計的主要內(nèi)容是：內(nèi)部約束的設(shè)計，使機構(gòu)具有多自由度以及外部聯(lián)接與外部約束的正確設(shè)計。而外部約束總是與被調(diào)控的運動或力能參數(shù)緊密相關(guān)的，因此，這類機構(gòu)的可變約束多數(shù)為“外部動力約束”。

2．具有條件自由度自適應(yīng)機構(gòu)的約束設(shè)計。這是自適應(yīng)機構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的一類。其特征是始終保持一個自由度工作，在工作過程中僅改變其構(gòu)件與約束（運動副）數(shù)。因此，這類自適應(yīng)機構(gòu)的約束設(shè)計就是對應(yīng)的“條件約束”的設(shè)計，即某些約束的加入與消除、機構(gòu)內(nèi)部約束的數(shù)量與結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計。由于機械運動是依靠力的驅(qū)動，而且機械中的一切約束都可以用力的約束來代替，因此，自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的功能都是通過“力”或力矩在機構(gòu)中的傳遞和變換來實現(xiàn)的。“條件約束”的“條件”實質(zhì)上就是力的“封閉”與“釋放”的條件，從而，這些機構(gòu)中的“條件自由度”就是依靠“力”的約束來使之“實現(xiàn)”或“消除”的。

3．內(nèi)力封閉自適應(yīng)機構(gòu)的約束設(shè)計。內(nèi)力封閉自適應(yīng)機構(gòu)是一類較為特殊的應(yīng)用較為普遍的自適應(yīng)裝置。該裝置中同時具有工作自由度和條件自由度的特征，同時，這類裝置一般都以傳遞與變換力為主要目的，而且最終都是在將工作對象計入機構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（一般視為機架），通過內(nèi)力封閉約束，成為一個靜定甚至超靜定的結(jié)構(gòu)。

四、初始運動鏈的選擇及多方案設(shè)計

由于自適應(yīng)機構(gòu)都具自適應(yīng)自由度，其初始機構(gòu)的自由度等于機構(gòu)的自適應(yīng)自由度，所以其初始運動鏈均為多自由度（一般為2－3）的運動鏈。眾所周知，對于單鉸運動鏈而言，自由度為2的運動鏈其構(gòu)件數(shù)為3、5、7、9等奇數(shù)，閉鏈的最少構(gòu)件數(shù)為5；而自由度為3的運動鏈其構(gòu)件數(shù)則為4、6、8、10等偶數(shù)，閉鏈的最少構(gòu)件數(shù)則為6。一般，機構(gòu)中執(zhí)行構(gòu)件的數(shù)量一般等于自適應(yīng)的自由度數(shù)。另外，機構(gòu)需要一個作為機架的基礎(chǔ)構(gòu)件，因此，對于自適應(yīng)自由度為2的自適應(yīng)機構(gòu)，如果驅(qū)動力直接施加到兩個執(zhí)行構(gòu)件上，其運動鏈可以是最少構(gòu)件數(shù)為3的開鏈。通常，為了有較好的傳力特性，最基本的要求是驅(qū)動力不直接施加到執(zhí)行構(gòu)件上，增加一個主動構(gòu)件，同時增加一個傳力構(gòu)件，因此，其最基本的構(gòu)件數(shù)為5。如果需要更好運動學(xué)或動力學(xué)性能的自適應(yīng)機構(gòu)，在此基礎(chǔ)上增加的構(gòu)件數(shù)為2的倍數(shù)。由此，可以看出能夠?qū)崿F(xiàn)同一功能的運動鏈應(yīng)該有很多，有必要合理設(shè)計出盡量多的能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的自適應(yīng)功能的運動鏈，并從中進行方案優(yōu)選。

五、運動與力能傳遞特性的設(shè)計

自適應(yīng)機構(gòu)大多都是采用欠驅(qū)動方式的多自由度系統(tǒng)，在工作中都存在冗余自由度，而在自適應(yīng)機構(gòu)系統(tǒng)中，一般都是應(yīng)用力的均衡、增益、傳遞或轉(zhuǎn)換，以及力與運動的相互作用等特性與規(guī)律，通過可變約束進行調(diào)控來實現(xiàn)其自適應(yīng)功能的，所以必須對這種欠驅(qū)動系統(tǒng)中機構(gòu)的運動趨勢及力能傳遞的路線進行分析與設(shè)計，以確保機構(gòu)具有確定的運動，同時又能可靠的實現(xiàn)機構(gòu)的自適應(yīng)功能。對于具有多工作自由度的自適應(yīng)機構(gòu)其約束的設(shè)計主要是動力約束及幾何約束的設(shè)計，而起自適應(yīng)調(diào)控作用的是與被調(diào)控參數(shù)緊密相關(guān)的“外部約束”，因此其設(shè)計的關(guān)鍵是外部聯(lián)接的設(shè)計，確定了這些外部約束，機構(gòu)的運動及力能傳遞的關(guān)系都將得以確定。對于具有多條件自由度的自適應(yīng)機構(gòu)，由條件自由度的定義可知，這些自由度都是在工作之前就被約束掉了的，只是在工作的過程中按照要求依次釋放的一個過程，機構(gòu)始終保持一個自由度工作，其機構(gòu)的運動關(guān)系及力能的傳遞路線都是確定的，與一般的機構(gòu)無異。

六、結(jié)語

總之，可變約束結(jié)構(gòu)是自適應(yīng)機構(gòu)最基本的功能結(jié)構(gòu)特征，自適應(yīng)機構(gòu)設(shè)計的核心是可變約束結(jié)構(gòu)的設(shè)計；自適應(yīng)自由度是自適應(yīng)機構(gòu)具有自適應(yīng)功能的基本保證；通過運動鏈的選擇及其多方案設(shè)計可以優(yōu)選機構(gòu)的最佳方案；而運動與力能傳遞特性的設(shè)計是確定機構(gòu)初始功能結(jié)構(gòu)尺寸及運動副配置的基本原則；因此，只有通過合理的全面的分析與綜合，才能使自適應(yīng)機構(gòu)得到創(chuàng)新與發(fā)展。