参数化机构自由度分析及软件设计

作     者：赵韵秋 

作者单位：华北科技学院 

学位级别：硕士

导师姓名：罗建国;安明坤

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 081202[工学-计算机软件与理论] 

主      题：机构 主-副运动 自由度分析 参数化 软件设计 

摘      要：近年来,我国安全生产事故频发,其中农业机械行业事故死亡人数虽然在2012年反弹后逐年下降,但每年的死亡人数依旧不容小觑。因此,不仅要在生产中进行严格的安全管理,还要从源头上设计出拥有本质安全的机构,最大化地减少因机械设备设计缺陷而导致的安全事故。而面对越来越智能的人类社会,人们的需求不断升高,为了对日新月异的机构进行更深入的研究,首先要分析它的自由度,从而掌握它的数目和性质。当今的机构越来越复杂,传统的自由度计算公式已经不能完全满足对复杂机构自由度的分析。因此,在安全人机工程学的基础上,本文基于主-副运动理论,对机构的自由度计算方法进行了探索和分析,为使用者建立了一套可更便捷、普适的自由度计算方法。根据机构输入运动元素和机构输出运动元素的物理数学表象特点,将机构自由度的区分定义了输入自由度和输出自由度等概念。基于主-副运动理论,分析了机构的主运动和伴随运动,给出了串联机构的输入运动元素与输出运动元素之间的转换公式。基于机构关节运动域的特点,分析了关节运动域的“六元素特征描述,给出了关节运动能力特性计算公式。引入输入运动元素和输出运动元素转换公式,借助关节运动域解析图,分析了并联机构的支链运动能力特性,绘制出机构平面六维拓扑图,从而得到机构的自由度数目。基于主-副运动理论得到的新自由度计算方法,对RPPR串联机构和4-RPPRR并联机构的自由度进行了分析,并用传统的自由度计算公式进行了计算,验证了该方法的正确性。基于主-副运动理论,利用编程软件VB对机构自由度计算分析过程进行了软件设计,构建了参数化的人机交互界面。建立了机构输入、输出运动元素转换公式的体系,实现VB界面下输入机构参数,快速得到支链的运动能力特性分析,借助计算机辅助图形软件AutoCAD得到机构结构简图。通过软件的嵌入式开发和应用,实现了软件间的数据共享和传输,得到了机构的自由度数目,进一步验证了系统软件的有效性和实用性。