基于约束法线的多环耦合机构自由度分析计算

罗国军; 王晓慧; 闫献国; 王友利

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2022.05.009

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基于约束法线的多环耦合机构自由度分析计算

设计计算 | 更新时间：2022-09-24

- 基于约束法线的多环耦合机构自由度分析计算
- Analysis and Calculation of DOF of Multi-loop Coupling Mechanism based on Constraint Normal Line
- 机械传动 2022年46卷第5期页码：62-68
- 作者机构：
  
  1.太原科技大学机械工程学院，山西太原 030024
  2.重型机械教育部工程研究中心，山西太原 030024
- 作者简介：
  
  罗国军（1987— ），男，山西忻州人，博士研究生；研究方向为机构设计理论。
  王晓慧（1959— ），男，山西曲沃人，博士，教授；研究方向为尺寸工程、机械精度设计理论及应用。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(51975395)
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2022.05.009
  中图分类号：
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罗国军,王晓慧,闫献国等.基于约束法线的多环耦合机构自由度分析计算[J].机械传动,2022,46(05):62-68.

Luo Guojun,Wang Xiaohui,Yan Xianguo,et al.Analysis and Calculation of DOF of Multi-loop Coupling Mechanism based on Constraint Normal Line[J].Journal of Mechanical Transmission,2022,46(05):62-68.
罗国军,王晓慧,闫献国等.基于约束法线的多环耦合机构自由度分析计算[J].机械传动,2022,46(05):62-68. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.05.009.

Luo Guojun,Wang Xiaohui,Yan Xianguo,et al.Analysis and Calculation of DOF of Multi-loop Coupling Mechanism based on Constraint Normal Line[J].Journal of Mechanical Transmission,2022,46(05):62-68. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.05.009.

摘要

针对空间多环耦合机构比空间并联机构更加复杂，运动链之间通过运动副作用于耦合构件产生了更多的约束作用，提出了一种适用于多环耦合机构的自由度计算新方法。首先，确定机构中的耦合构件，结合运动副约束法线分布，把机构中各构件之间通过运动副产生的约束，简化成约束点上法线的分布；然后，将耦合机构的自由度分析转化为分析各个耦合构件的约束法线几何关系，根据建立的约束法线几何关系对自由度的判定理论，分析判定耦合构件的自由度性质，并确定各耦合构件的过约束数目；最后，通过机构的连续性确定虚约束数目，代入自由度计算公式，得到多环耦合机构的自由度。结合实例分析可知，新方法不仅可以求得各耦合构件的自由度，还可准确计算耦合机构的自由度。新方法理论依据充分，物理意义明确，可有效应用于耦合机构的自由度分析。

Abstract

Since spatial multi-loop coupling mechanisms are more complicated than spatial parallel mechanisms， and the coupling members are more restrained by the side effects of motion between kinematic chains， a new method for calculating degrees of freedom （DOF） suitable for multi-loop coupling mechanisms is proposed. The idea is to firstly determine the coupling components in the mechanism， combine the constraint normal line distribution of the motion pairs， combine the constraints generated by the motion pairs between the various components in the mechanism， simplify into the distribution of normal lines on the constraint points， and then transform the degree of freedom analysis of the coupling mechanism into an analysis of the geometric relationship of the constraint normal lines of each coupling member. According to the established theory of determining the degrees of freedom of the constraint normal line geometric relationship， analyze and determine the nature of the degrees of freedom of the coupling member， determine the number of over-constraint of each coupling member.Finally，determine the number of virtual constraints through the continuity of the mechanism， and substitute the degrees of freedom calculation formula to obtain the degrees of freedom of the multi-loop coupling mechanism. Combined with example analysis， the method can not only obtain the degrees of freedom of each coupling member but also accurately calculate the degrees of freedom of the coupling mechanism. The new method has a sufficient theoretical basis and clear physical meaning， can be effectively applied to the analysis of the degrees of freedom of the coupling mechanism.

关键词

多环耦合机构约束法线几何定理自由度计算

Keywords

Multi-loop coupling mechanismConstraint normal lineGeometric theoremDegree of freedom calculation

references

杨廷力，沈惠平，刘安心，等.机构自由度公式的基本形式、自由度分析及其物理内涵［J］.机械工程学报，2015，51（13）：69-80.

YANG Tingli，SHEN Huiping，LIU Anxin，et al.Review of the formulas for degrees of freedom in the past ten years［J］.Journal of Mechanical Engineering，2015，51（13）：69-80.

牟德君，张一同，张兴.机构自由度和构件自由度的关系及本质区别［J］.机械工程学报，2018，54（5）：74-83.

MU Dejun，ZHANG Yitong，ZHANG Xing.Relations between DOF of mechanism and DOF of links and their essential differences［J］.Journal of Mechanical Engineering，2018，54（5）：74-83.

黄真，刘婧芳，李艳文.论机构自由度［M］.北京：科学出版社，2011：41-45.

HUANG Zhen，LIU Jingfang，LI Yanwen.Mobility mechanisms［M］.Beijing：Science Press，2011：41-45.

ZENG Q，FANG Y F.Structural synthesis and analysis of serial-parallel hybrid mechanisms with spatial multi-loop kinematic chain［J］.Mechanism and Machine Theory，2012，49：198-215．

吉昊，沈惠平，杨廷力.一种新型低耦合度半对称2T1R并联机构的拓扑设计及运动学［J］.机械传动，2020，44（1）：13-22.

JI Hao，SHEN Huiping，YANG Tingli.Topological design and kinematics for a novel semi-symmetrical 2T1R parallel mechanism with low coupling degree［J］.Journal of Mechanical Transmission，2020，44（1）：13-22.

DING H F，CAO W A，CHEN Z M，et al.Structural synthesis of two-layer and two-loop spatial mechanisms with coupling chains［J］.Mechanism and Machine Theory，2015，92： 289-313.

LIU F，HUANG H L，LI B，et al.Design and analysis of a cable-driven rigid-flexible coupling parallel mechanism with variable stiffness［J］.Mechanism and Machine Theory，2020，153：1-19.

WEI G，DING X L，DAI J S.Mobility and geometric analysis of the hoberman switch-pitch ball and its variant［J］.Journal of Mechanisms and Robotics，2010，2（3）：31-38.

李端玲，戴建生，张启先，等.一种变胞机构——魔术花球的自由度分析［J］.机械工程学报，2002，38（9）：12-16.

LI Duanling，DAI Jiansheng，ZHANG Qixian，et al.Mobility of a kind of metamorphic mechanism-magic ball［J］.Journal of Mechanical Engineering，2002，38（9）：12-16.

LALIBERTE T，GOSSELIN C.Polyhedra with articulated faces［C］//Proceedings of 12th IFToMM World Congress，June 18-21，2007，Besancon，France，2007：18-21.

刘婧芳，黄晓欧，余跃庆，等.多环耦合机构末端件自由度计算的等效法［J］.机械工程学报，2014，50（23）：13-19.

LIU Jingfang，HUANG Xiaoou，YUE Yueqing，et al.Equivalent method of output mobility calculation for anovel multi-loop coupled mechanism［J］.Journal of Mechanical Engineering，2014，50（23）：13-19.

高慧芳，刘婧芳，黄晓欧.基于独立运动分流标记法的多环耦合机构自由度分析方法［J］.北京工业大学学报，2015，41（11）：1658-1664.

GAO Huifang，LIU Jingfang，HUANG Xiaoou.Method of mobility calculation for a coupled mechanism based on independent motion shunting measurement［J］.Journal of Beijing University of Technology，2015，41（11）：1658-1664.

沈惠平，邵国为，朱小蓉，等.基于POC法的多环耦合并联机构拓扑特征分析［J］.农业机械学报，2016，47（4）：349-354.

SHEN Huiping，SHAO Guowei，ZHU Xiaorong，et al.POC method based topology characteristic analysis of multi-loop coupled mechanisms［J］.Journal of Agricultural Machinery，2016，47（4）：349-354.

曹文熬，丁华锋，陈子明，等.两层两环空间耦合链机构自由度分析原理［J］.机械工程学报，2016，52（17）：116-126.

CAO Wenao，DING Huafeng，CHEN Ziming，et al.Principle of mobility analysis of two-level and two-loop spatial mechanisms with coupling chains［J］.Journal of Mechanical Engineering，2016，52（17）：116-126.

王晓慧，吴冬祖，兰国生，等.基于定位法线的工件自由度分析几何定理及应用［J］.机械工程学报，2017，53（9）：157-163.

WANG Xiaohui，WU Dongzu，LAN Guosheng，et al.The geometry theorem and application of degree of freedom analysis of workpiece based on location normal［J］.Journal of Mechanical Engineering，2017，53（9）：157-163.

WANG X H，SONG F J，WANG Y L，et al.A method for determining the DOF of workpiece based on developed geometry theorem［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017，92：4553-4560.

LUO G J，WANG X H，YAN X G.Geometric theorems and application of the DOF analysis of the workpiece based on the constraint normal line［J］.Advances in Materials Science and Engineering，2021（2）：1-9.

孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理［M］.8版.北京：高等教育出版社，2013：15-16.

SUN Huan，CHEN Zuomu，GE Wenjie.Theory of machines and mechanisms［M］.8th ed.Beijing：Higher Education Press，2013：15-16.

黄真，曾达幸.机构自由度计算原理和方法［M］.北京：高等教育出版社，2016：68-70.

HUANG Zhen，ZENG Daxing.The calculation principle and method of the degree of freedom of the organization［M］.Beijing：Higher Education Press，2016：68-70.

ZHANG Y T，LI Y W，WANG L Y.A new formula of mechanism mobility based on virtual constraint loop［J］.Science China-Technological Sciences，2011，54（10）：2768-2775.

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