变拓扑机构可变运动副相关设计目录分析.doc

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1、可变运动副是变拓扑机构改变拓扑结构的重要所在，其结构设计是变拓扑机构构型综合的疑难Z处。基于可变运动副拓扑变化方式的研究，构建可变运动副设计目录，用于可变运动副的结构设计。分别针对可变运动副的改变轴线方位、改变数目和改变类型等三类拓扑变化过程，分析可变运动副的约朿变化特征，并采用运动副约朿函数的算术运算进行描述。本文在归纳设计可变运动副结构形式的基础上，对可变运动副拓扑变化方式、约束变化特征和对应结构等设计信息进行分类和汇编，构建可变运动副设计目录。研究发现采用可变运动副设计目录,能快速有效地设计可变运动副结构，为含可变运动副的变拓扑机构构型综合提供方便。关键词：变拓扑机构，运动副,约束变

2、化特征，设计目录不同于传统机构，其运动链的拓扑结构在机构运动过程中会发生变化，因其特殊的结构特征和机构性能，近年来备受学者们的关注。Yan等提出了一种因运动副的拓扑变异特性而导致机构拓扑发生变化的变运动链机构［1］。Liu等根据拓扑结构不同阶段和输入数的多少将变运动链机构分为了三种类型，并提出了可变运动副的概念［2］。Ku。认为“尽管存在如机构奇界等导致与变拓扑同样效果的其他因素，但理论上变运动链机构就相当于变拓扑机构”［3］oYan等研究了可变运动副发生拓扑变化的两种基本形式，采用符号编码法描述可变运动副的拓扑特征，通过相应的符号序列表示运动副拓扑变化顺序［4］。刘川禾硏究了变拓扑机构的

3、结构组成理论，提出了变元、变胞器等概念用于变拓扑机构的结构分析⑸。Kuo等研究了机构的拓扑结构与构态的基本概念，以及机构拓扑结构发生变化的四个条件，并采用约束矩阵法，结合可变运动副符号编码法捉出了一种变拓扑机构的结构分析与同构识别方法［6-7］oYan等将符号编码法与运动链结构图相结合，根据运动副的约束条件和坐标序列，提出了一种变拓扑机构构型综合方法［8・9］。变胞运动副作为变胞机构［10］的重要结构组成部分，也具有变拓扑的特性，是一种典型的可变运动副。Li等引入了等效阻力梯度模型，分析变胞运动副的约束特点，并结合扩展Assur杆组法，捉出一种基于工作任务的变胞机构结构综合方法［11-12

4、］0杨强等应用等效阻力梯度模型研究了变胞运动副的基本约束形式与约束变化规律［13］o以上研究表明，可变运动副是实现机构变拓扑的重要结构单元。但目前的相关硏究多集中在变拓扑机构的结构分析、可变运动副拓扑描述与约朿形式研究等方面，而对于如何有效设计可变运动副结构，以便于变拓扑机构的构型综合尚需进一步研究。本文基于设计目录的理念和方法［14］,通过对可变运动副拓扑变化方式的研究，构建可变运动副设计目录，为可变运动副的结构设计和变拓扑机构的构型综合提供帮助。1变拓扑机构机构是由构件组成的系统，用来传递运动或动力。在传统机构学中，机构一般具有一个固定的拓扑结构和运动形式。但变拓扑机构，具有多个稳定的

5、拓扑构态，可以改变拓扑结构使得机构的构态发生变化。变拓扑机构通过不同稳定构态之间的转换实现不同的机械运动,完成不同的工作任务。由于变拓扑机构具有变拓扑结构的特性，机构的构件和运动副的类型、数目，或构件和运动副之间的邻接关系等拓扑特征，在机构构态转换过程中可能会发生相应变化，发生变化的充分条件包括［8］：1）构件和/或运动副的有效数H发生变化；2）某些运动副的运动形式发生变化；3）构件和运动副的邻接和关联性发生变化；4）运动副之间的相对排列（包含轴线方位）发生变化。可见，采用具有变拓扑特性的可变运动副作为机构的结构组成单元，是使机构实现变拓扑功能的重要方式之一C因此，对可变运动副的拓扑变化以

6、及其结构实现形式进行研究，有助于设计可变运动副结构，综合变拓扑机构构型。2可变运动副拓扑变化分析2.1运动副约朿函数在机构运动过程中，运动副的组成构件间的相对运动关系是由该运动副的约束特征决定的。运动副在某一时刻的约束特征，采用运动副约束函数C(t)［15］进行表达。C(t)=(cl,c2,c3,c4,c5,c6)T(l)ci=Opi=pimax=Opimaxpipi>pimax>01pimax>pi>0(2)式中：cl,c2,c3为运动副沿各坐标轴线方向的移动约束；c4,c5,c6为运动副沿各坐标轴线方向的转动约束；pi为运动副相应轴线方向的驱动力或力矩；pimax为运动副相应轴线方向的

7、最大约朿力或力矩。当约朿函数C(t)的分量ci=O时，运动副在i方向上无约朿;当ci=l时，该方向上的约朿为完全刚性约束;当02.2可变运动副拓扑变化方式可变运动副拓扑变化的本质表现为组成构件Z间相互接触关系的变化，并体现在运动副约朿特征的变化上。由上節可知，可变运动副拓扑变化的主要方式包括：改变运动副轴线方位、改变运动副数目以及改变运动副类型。以不同的方式改变拓扑结构，运动副具有不同的约束变化特征，需采取相应的结构形式