自適應(yīng)機(jī)械的設(shè)計(jì)分析

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一、引言

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)主要就是包括機(jī)構(gòu)的自由度、約束、運(yùn)動(dòng)副數(shù)（可統(tǒng)一視為機(jī)構(gòu)的約束）、構(gòu)件數(shù)及構(gòu)件運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)尺度等，而在方案設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的是機(jī)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(jī)構(gòu)綜合的核心和重點(diǎn)就是自由度、約束及構(gòu)件數(shù)的可變、可調(diào)控設(shè)計(jì)，這也是自適應(yīng)機(jī)構(gòu)與一般機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的區(qū)別。

二、自由度的設(shè)計(jì)

自適應(yīng)機(jī)構(gòu)在工作過程中，機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能的，這里稱這個(gè)“初始狀態(tài)”的機(jī)構(gòu)構(gòu)型為自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的“初始機(jī)構(gòu)”。絕大多數(shù)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的初始機(jī)構(gòu)都是一個(gè)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(jī)構(gòu)都需要設(shè)計(jì)出與工作目標(biāo)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(yùn)動(dòng)的可能。同時(shí)，還應(yīng)該注意到自適應(yīng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的原因及價(jià)值就在于其驅(qū)動(dòng)控制的簡(jiǎn)化，而且一般只需用一個(gè)驅(qū)動(dòng)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)多自由度的適應(yīng)，因而均是欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所以在多自由度的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)初始運(yùn)動(dòng)鏈中都包含一個(gè)主驅(qū)動(dòng)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(chǎng)合的工作過程中將以不同的方式存在，有的是一開始時(shí)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(jī)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(jī)構(gòu)的“條件自由度”。因此，在設(shè)計(jì)初始機(jī)構(gòu)時(shí)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(jì)。

三、約束及可變約束的設(shè)計(jì)

約束特別是可變約束是機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能的關(guān)鍵。由于自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的初始運(yùn)動(dòng)鏈均為多自由度機(jī)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(jī)構(gòu)均采取單驅(qū)動(dòng)的型式，與運(yùn)動(dòng)鏈的自由度不等，而在工作過程中必須具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此，在工作過程中必須“增加”或“解除”一些約束，使機(jī)構(gòu)總是保持在與驅(qū)動(dòng)自由度相同的等實(shí)際自由度運(yùn)動(dòng)。所以，在自適應(yīng)機(jī)構(gòu)中，隨著工作過程中的運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)中必須采用可變、可調(diào)控的約束?？勺兗s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(jì)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(jī)構(gòu)的內(nèi)外部條件等來(lái)確定的。在這里，僅根據(jù)最具典型的例子來(lái)說明可變約束設(shè)計(jì)的一般規(guī)律。

1．具有多工作自由度自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的約束設(shè)計(jì)。如前述汽車差速器、重錘式慣性調(diào)速器、差動(dòng)式抓斗、自動(dòng)調(diào)速器以及變矩器等自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)它們的約束時(shí)，首先是在初始運(yùn)動(dòng)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(jì)，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(jì)這類機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵是如何正確設(shè)計(jì)與所需自動(dòng)調(diào)整的工作參數(shù)相對(duì)應(yīng)的外部聯(lián)接，然后通過外部可變約束來(lái)改變機(jī)構(gòu)的某些參數(shù)達(dá)到調(diào)整的目的。因此，這類機(jī)構(gòu)的約束設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：內(nèi)部約束的設(shè)計(jì)，使機(jī)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(jì)。而外部約束總是與被調(diào)控的運(yùn)動(dòng)或力能參數(shù)緊密相關(guān)的，因此，這類機(jī)構(gòu)的可變約束多數(shù)為“外部動(dòng)力約束”。

2．具有條件自由度自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的約束設(shè)計(jì)。這是自適應(yīng)機(jī)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的一類。其特征是始終保持一個(gè)自由度工作，在工作過程中僅改變其構(gòu)件與約束（運(yùn)動(dòng)副）數(shù)。因此，這類自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的約束設(shè)計(jì)就是對(duì)應(yīng)的“條件約束”的設(shè)計(jì)，即某些約束的加入與消除、機(jī)構(gòu)內(nèi)部約束的數(shù)量與結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)。由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)是依靠力的驅(qū)動(dòng)，而且機(jī)械中的一切約束都可以用力的約束來(lái)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(jī)構(gòu)中的傳遞和變換來(lái)實(shí)現(xiàn)的?！皸l件約束”的“條件”實(shí)質(zhì)上就是力的“封閉”與“釋放”的條件，從而，這些機(jī)構(gòu)中的“條件自由度”就是依靠“力”的約束來(lái)使之“實(shí)現(xiàn)”或“消除”的。

3．內(nèi)力封閉自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的約束設(shè)計(jì)。內(nèi)力封閉自適應(yīng)機(jī)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(shí)具有工作自由度和條件自由度的特征，同時(shí)，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(duì)象計(jì)入機(jī)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（一般視為機(jī)架），通過內(nèi)力封閉約束，成為一個(gè)靜定甚至超靜定的結(jié)構(gòu)。

四、初始運(yùn)動(dòng)鏈的選擇及多方案設(shè)計(jì)

由于自適應(yīng)機(jī)構(gòu)都具自適應(yīng)自由度，其初始機(jī)構(gòu)的自由度等于機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)自由度，所以其初始運(yùn)動(dòng)鏈均為多自由度（一般為2－3）的運(yùn)動(dòng)鏈。眾所周知，對(duì)于單鉸運(yùn)動(dòng)鏈而言，自由度為2的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)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(jī)構(gòu)需要一個(gè)作為機(jī)架的基礎(chǔ)構(gòu)件，因此，對(duì)于自適應(yīng)自由度為2的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，如果驅(qū)動(dòng)力直接施加到兩個(gè)執(zhí)行構(gòu)件上，其運(yùn)動(dòng)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(dòng)力不直接施加到執(zhí)行構(gòu)件上，增加一個(gè)主動(dòng)構(gòu)件，同時(shí)增加一個(gè)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(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)性能的自適應(yīng)機(jī)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(yùn)動(dòng)鏈應(yīng)該有很多，有必要合理設(shè)計(jì)出盡量多的能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的自適應(yīng)功能的運(yùn)動(dòng)鏈，并從中進(jìn)行方案優(yōu)選。

五、運(yùn)動(dòng)與力能傳遞特性的設(shè)計(jì)

自適應(yīng)機(jī)構(gòu)大多都是采用欠驅(qū)動(dòng)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(jī)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(yùn)動(dòng)的相互作用等特性與規(guī)律，通過可變約束進(jìn)行調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)功能的，所以必須對(duì)這種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及力能傳遞的路線進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，以確保機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又能可靠的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)功能。對(duì)于具有多工作自由度的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)其約束的設(shè)計(jì)主要是動(dòng)力約束及幾何約束的設(shè)計(jì)，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(jì)的關(guān)鍵是外部聯(lián)接的設(shè)計(jì)，確定了這些外部約束，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及力能傳遞的關(guān)系都將得以確定。對(duì)于具有多條件自由度的自適應(yīng)機(jī)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(gè)過程，機(jī)構(gòu)始終保持一個(gè)自由度工作，其機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系及力能的傳遞路線都是確定的，與一般的機(jī)構(gòu)無(wú)異。

六、結(jié)語(yǔ)

總之，可變約束結(jié)構(gòu)是自適應(yīng)機(jī)構(gòu)最基本的功能結(jié)構(gòu)特征，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是可變約束結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；自適應(yīng)自由度是自適應(yīng)機(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)功能的基本保證；通過運(yùn)動(dòng)鏈的選擇及其多方案設(shè)計(jì)可以優(yōu)選機(jī)構(gòu)的最佳方案；而運(yùn)動(dòng)與力能傳遞特性的設(shè)計(jì)是確定機(jī)構(gòu)初始功能結(jié)構(gòu)尺寸及運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)得到創(chuàng)新與發(fā)展。