空间单自由度连杆机构的解域综合理论与方法研究

Compared with the planar linkages, the application of the spatial linkages can realize more functions, and it has the advantages of compact structure, small occupation space, superior performance and so on. However, the design of spatial mechanism is more complex and diffcult, and it is difficult to design a satisfactory spatial mechanism without the aid of modern mechanism design theory, methodology and design tools. Moreover,for some synthesis problems we can usually obtain infinite numbers of linkages, which meet all design conditions. And these infinite solutions for linkages can be mapped in a planar or spatial region.The regions are called the solution region.These theories and methodologies about the solution regions are proposed in our research work on synthesis of planar four-bar, spherical four-bar and mulit-bar linkages. Therefore, the application’s main goal is to extend the solution region theories and methodologies to the motion generation (or rigid body guidance synthesis) of spatial linkages, and form new theory and methodology for synthesizing spatial linkages. And then, some visualizing, three-dimensional, dynamic and automation spatial linkages design software will be developed. Based on some achievements obtained by us before, taking several typical spatial mechanisms as synthesis objects,the systematic theory and mothodology will be summarized. The achievements from this project will pose a positive significance in perfecting the kinematics synthesis theory of mechanisms and guiding the design of high-performace spatial mechanisms as well as applications.

与平面机构相比空间连杆机构的应用能够实现更多的功能，且具有结构紧凑、占用空间小、性能优越等特点。但空间机构的设计复杂、难度较大，如不借助现代设计理论、方法与设计工具就很难设计出满意的机构。另外,在进行机构设计时,对满足某一设计要求的机构综合问题，通常会得到无穷多解。在平面和球面四杆机构以及平面多杆机构的综合中我们提出了把无穷多解表示在一个有限的平面或空间区域内的综合理论与方法，该区域称为解域。本申请的主要目标就是将该理论与方法拓展到空间连杆机构的运动生成（或空间刚体导引机构）或函数生成的综合中，形成新的适合于空间连杆机构的设计理论与方法体系，给出可视化、立体化、动态化及自动化的多种空间机构的创新设计软件系统。本申请将借鉴已取得的研究成果，以几种典型空间机构的综合为研究对象，最终给出系统的解域综合理论与方法。本项目研究成果对丰富和完善机构综合理论，指导空间机构的创新设计及应用具有积极意义。

本课题以解域方法为基础对空间RCCC机构、HCCC机构、1CS-4SS机构的运动生成问题，以及平面复杂机构的系统分析作了较全面深入系统的研究。完成了如下研究内容：.1．空间RCCC机构、HCCC机构四位置解域综合.针对空间RCCC机构的四位置运动生成问题，本研究工作给出了三种解域综合方法，每种方法都能得到无穷多解，并表示到称为解域的平面内。对HCCC机构，提出一种解域综合的解析方法，即通过公式推导得到一个7次方程，求解该方程就可以确定全部解，并由此建立该机构的解域。对两种机构的综合都给出了去除缺陷机构的方法。.2. 1CS-4SS机构的六位置解域综合. 本研究项目提出了一种1CS-4SS空间机构，并给出了机构的六位置解域综合方法。首先给出了SS杆和CS杆的综合方程，再通过Bertini数值求解得到CS杆的离散解，结合SS杆的解曲线综合出1CS-4SS空间机构的全部解。通过缺陷判定消除解域内有缺陷的机构和不满足其他要求的机构最终得到了可行解域。通过示例验证了公式的正确性和有效性以及所提出方法的适用性。.３. ５-SS机构的六位置全解域综合.在以往研究成果的基础上，提出了基于动解曲线或定解曲线分别建立动点解域或定点解域的设计方法。研究表明，解域的建立依赖于动、定解曲线的分布情况，太密或太疏都不利于建立解域。所以，设计者可根据动、定解曲线的分布情况合理选择适当的解曲线建立解域。根据已知的构件个数，可以分别建立五种不同类型的解域，即所谓的５-SS机构的六位置全解域。.４.平面复杂机构位置、特殊位形、分支与回路及运动范围的系统分析理论与方法研究.本研究给出了全部四、六杆复杂杆组的位置分析过程。在求解位置分析多项式时，所求得的全部实数解对应该杆组的全部可能位形。在求出杆组中一个构件的全部位形解后，剩余部分由简单二杆组构成，这些二杆组与位置分析多项式得到的实数解在位形上是一一对应的。同时，根据所提出的判别式确定出了全部特殊位形点。本研究基于角位移曲线给出了判别分支与回路以及机构在各分支相应运动范围的有效方法，从而生成所需要的机构运动方案。.5．机构分析与综合软件系统开发. 利用VC++, Matlab 和 Bertini开发工具分别针对上述机构分析与机构综合开发了多个软件系统模块。