浅析多自由度可控机构式新型工程机械设计方法

浅析多自由度可控机构式新型工程机械设计方法

何林

广州瑞松北斗汽车装备有限公司 广东广州 510535

摘要：多自由度可控机构具有动力学性能优异、刚度大、承载力强、柔性化输出等特点，可将其用于新型工程机械设计中，提高工程机械质量。基于此，文章结合理论实践，总结多自由度可控机构式新型工程机械设计方法，结合工程实践，探究如何应用设计方法，完成多自由度可控机构式新型工程机械设计工作。

关键词：多自由度；可控机构；工程机械

前言：工程机械是生产生活的重要设备，关系到行业机械化、现代化发展。传统工程机械以单自由度机构为主，虽然强度大、坚固耐用，但在生产实践中存在输出灵活性偏低的问题，不满足目前柔性化生产需求。就此，设计人员可引进多自由度可控机构，创新开展工程机械设计工作，推动行业转型升级。

1. 多自由度可控机构式新型工程机械设计方法

自由度是指机构可以独立运动个数，用于呈现机构的独立特性，多自由度可控机构的原动件数较多，可提高机械运行的灵活性，解决目前生产缺陷，可以此开展新型工程机械设计。在新型工程机械设计中，设计人员在合理应用多自由度可控机构的同时，需按照规范流程实施设计，以保障设计的可行性与有效性，切实发挥多自由度可控机构的作用。细化来说，规范设计流程如下：

1. 总体设计。设计人员需根据工程机械的应用场景，分析工程机械的功能要求、生产特点、安装空间及工作范围等要素，对比国内外同类机械设备，选择合适的多自由度可控机构，优化工程机械的性能，提高生产灵活性，达到理想运行状态。

2. 结构设计。在完成总体设计的基础上，遵循设计思路进行工程机械结构设计，将工程机械划分为不同模块，分别进行构件设计，明确不同构件的类型要求，选择性价比最高的构件，并从工程机械整体入手，调节构件的性能与参数，保障构件间协调配合，使工程机械符合动力学要求^[1]。以装载机为例，在结构设计时，设计人员考虑到装载机与执行机构的位置关系，在进行动臂配件选择与设计时，于内部安装带有挡块的转轴；于前侧安装相应规格的槽体，为滑块滑动提供条件，保障工程机械各个构件的有效衔接、正常联动。

3. 有限元分析。在完成工程机械设计后，设计人员可利用有限元软件开展应力与应变分析，综合评估工程机械的强度、刚度等性能是否符合设计要求，优化调整不合理部分，提高设计方案的可行性。同时，设计人员应在此环节进行拓扑结构的细化处理，优化工程机械的构架，提升其变胞性能，发挥多自由度可控机构的优势，创新工程机械的构件衔接方式。

4. 仿真分析。根据调整后的设计方案，利用UG软件实施工程机械的仿真分析，构建工程机械各个构件的立体模型，组装成工程机械，导入ADAMS软件中，设置工程机械的约束条件与运行动力，实施仿真分析，了解工程机械运行中的各项参数及机械构件的位移、速度、加速度与角速度等参数，探究其是否符合工程机械要求。考虑到多自由度可控机构在平面角度含有的自由度在三个层级内，可使用闭环矢量方法进行工程机械构件建模，并通过约束方程设置工程机械的运动条件，利用隐函数描画可达空间，通过位移实施平移运算，获得准确的仿真分析数据，明确工程机械设计中各变量的映射关系，为后续优化设计奠定基础。

5. 优化设计。根据仿真分析结果，进一步优化工程机械设计方案，在确保其符合设计要求的基础上，调整工程机械的体积等参数，节约原材料，减少工程机械自重，提高工程机械设计质量，延长其使用寿命^[2]。

2. 多自由度可控机构式新型工程机械设计实践

为探究多自由度可控机构式新型工程机械设计要点，本文以装载机为例，结合装载机构型设计实践，总结如何落实设计方法，实现新型工程机械的设计目标。

2.1总体设计

在多自由度可控机构式装载机设计时，设计人员应按照如下流程确定装载机的最佳构型：

1. 分析装载机的结构特点，划分装载机的构件，明确构件分配方案，结合拓扑学原理绘制拓扑胚图。在绘制拓扑胚图时，可应用胚图插点法，选择符合装载机装载作业自由度要求的平面连杆机构，再结合装载机的构型要求，选择合适的拓扑图。第二，对选择的拓扑图实施功能化处理，明确装载机机架、铲斗与主动杆的构型，进而将拓扑图转变成装载机构。第三，根据评定准则，选择最佳装载机构，完成构型设计^[3]。

2.2结构设计

在实际生产中，装载机的运行环节包括物料插入、下限收斗、重载运输、上限举升、上限卸料五项。就目前的装载机设计而言，最常用的机构为平面连杆机构，可用的机构构件数量包括6杆、8杆、10杆等。如果利用移动副连接的构件将液压缸划分为不同模块，需进行机构自由度的计算，计算公式如下：

F=3（n-1）-2p_l-p_h+v_p

其中，n是指平面连杆机构中的构件数量；p_l是指低副数目；p_h是指平面高副数目；v_p是指移动副形成的运动链的基本回路数量。

根据是上述公式，计算的装载机自由度为2，可满足生产要求。就此，设计人员进行2自由度平面机构的装载机设计，将机构图转变为拓扑图，呈现不同构件间的相互连接方式，为后续设计奠定基础。

2.3拓扑分析

在构建的拓扑图中，减掉二副构件对应的二度点，可获得拓扑胚图，以此整合装载机的构型。在实际工作中，设计人员依托于拓扑图的机构运动链，明确机构各个副构件的数量及其分配方案，按照方案中大于2的副构件数目明确构件运动链的拓扑胚图，再向其中插入二度点，即可获得相应的拓扑图。需要注意的是，在插入二度点的过程中，应控制插入动作，避免消极子链的出现，并减掉拓扑胚图中的同构类型。在该装载机设计中，设计人员共获得1种5杆机构拓扑图、4种7杆机构拓扑图与46种九杆机构拓扑图。考虑到装载机的作业要求，按照相应的约束条件进行筛选，最终获得23种拓扑图，配置的构件构型方案75种。

2.4优化设计

根据获得的75种构件构型方案，按照如下标准进行评定分析，优化构型设计，确保装载机的性能、成本达到最优状态。

1. 在进行装载机铲斗选择时，优先选择两副构件构型，因为两副铲斗的成本低于三个及以上运动副的铲斗；第二，在进行装载机的主动杆选择时，优先选择二副构件，因为三个及以上运动副的主动杆在生产时，受力状况更为复杂，需投入更多设计制造费用；第三，在装载机整体构型设计中，分别由不同单元控制动臂与铲斗，将两副主动杆错开与铲斗的连接，使装载机的整体构型更为简洁，避免复杂构型加大工程机械控制难度；第四，在进行装载机的控制系统设计时，尽量简化控制动臂提升模块的传动支链以及控制铲斗翻转模块的传动支链，通过构件结构的简化，减少设备自重，提高工程机械设计质量。

遵循上述评定标准，设计人员选择最佳装载机构型，由电传动系统提供动力，未配置液压系统，装载机的机械效率更高，且整体机械结构简单，自重轻，在满足装载机作业要求的同时，兼备经济、环保优势。

结论：综上所述，在多自由度可控机构式新型工程机械设计中，设计人员应遵循总体设计、结构设计、有限元分析、仿真分析与优化设计流程实施设计工作。在实际设计中，设计人员需综合考虑工程机械特点，利用多自由度可控机构优势，合理选择工程机械构件结构形式，优化设计各项参数，提高工程机械设计质量。

参考文献：

[1]窦佳龙.多自由度可控机构式新型工程机械设计理论与方法研究[J].大观周刊,2020(11):408.

[2]张启升,李瑞琴,梁晶晶.多自由度混合冗余驱动机构运动学及可控性分析[J].科学技术与工程,2019,19(20):196-202.

[3]娄玉印,于瑛,周胜飞,等.新型可控香蕉种植机的结构设计与等效有限元分析[J].科学技术创新,2019(18):25-27.