Единая теория структуры, синтеза и анализа многозвенных механических систем с геометрическими, гибкими и динамическими связями звеньев. Часть 1. Базовые структурные уравнения и универсальные таблицы строения

Многозвенные механические системы (механизмы и приводы машин) благодаря надежности и простоте конструкции нашли широкое применение в различных областях современного машиностроения. Их используют в роботах, манипуляторах, технологических и строительных машинах, автоматических линиях и др. Предложена единая теория структуры, синтеза и анализа механизмов, машин и строительных конструкций, содержащих геометрические (в виде одно- и многоподвижных кинематических пар), гибкие контактные (в виде трения или ленты) и динамические бесконтактные (инерционные, гравитационные и др.) связи звеньев для построения плоских и пространственных одно- и многоконтурных кинематических цепей машин с заданным числом замкнутых контуров звеньев и приводных двигателей. Установлены области возможного существования многозвенных механических систем с открытыми, замкнутыми и смешанными кинематическими цепями, на основе которых разработаны (на уровне изобретений) разнообразные плоские и пространственные зубчатые и рычажные механизмы для вибрационных приводов, систем переменной структуры с точной внутрицикловой остановкой, тягового рычажного привода многоосных тепловозов, пространственного смесителя с несколькими месильными емкостями, трибометра, позволяющего точно определять предельную тяговую способность гибкого ремня фрикционной ременной передачи, и безредукторных устройств, обеспечивающих горизонтальное перемещение подвешенного груза с заданной малой скоростью.

Литература

[1] Ассур Л.В. Исследование плоских стержневых механизмов с точки зрения их структуры и классификации. Москва, Изд-во АН СССР, 1952. 529 с.

[2] Кожевников С.Н. Основания структурного синтеза механизмов. Киев, Наукова думка, 1979. 232 с.

[3] Баранов Г.Г. Классификация, строение, кинематика и кинетостатика плоских механизмов с парами первого рода. Труды семинара по теории машин и механизмов, Москва, ИМАШ, 1952, т. 2, № 46, с. 15–39.

[4] Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. В 7 т. Т 1. Элементы механизмов. Простейшие рычажные и шарнирно-рычажные механизмы. Москва, URSS, 2019. 500 с.

[5] Решетов Л.Н. Самоустанавливающиеся механизмы. Справочник. Москва, Машиностроение, 1979. 334 с.

[6] Крайнев А.Ф. Механика (искусство построения) машин. Фундаментальный словарь. Москва, Машиностроение, 2000. 904 с.

[7] Пожбелко В.И. Единая теория и результаты моделирования механических, трибомеханических и биомеханических систем. Тр. XXIII Российской школы по проблемам науки и технологий, Миасс, 24–26 июня 2003, Москва, УрОРАН, 2003, с. 375–392.

[8] Пожбелко В.И. Инерционно-импульсные приводы машин с динамическими связями. Москва, Машиностроение, 1989. 136 с.

[9] Вульфсон И.И. Динамика цикловых машин. Санкт-Петербург, Политехника, 2013. 425 с.

[10] Евграфов А.Н., Коловский М.З., Петров Г.Н. Теория механизмов и машин. Санкт-Петербург, Изд-во Политехнического университета, 2015. 206 с.

[11] Тимофеев Г.А. Теория механизмов и механика машин. Москва, Высшее образование, 2009. 352 с.

[12] Пожбелко В.И., Лившиц В.А. Теория механизмов и машин в вопросах и ответах. Челябинск, Изд-во ЮУрГУ, 2004. 439 с.

[13] Смелягин А.И. Структура машин, механизмов и конструкций. Москва, ИНФРА-М, 2019. 387 с.

[14] Умнов Н.В., Сильвестров Э.Е. Использование методов гомотопии при синтезе механизмов. Сб. докл. междунар. конф. по теории механизмов и машин, Краснодар, Кубанский ГТУ, 2006, с. 47–48.

[15] Абдраимов С., Джуматаев М.С. Шарнирно-рычажные механизмы переменной структуры. Бишкек, Илим, 1993. 177 с.

[16] Пожбелко В.И. Теория структуры механических систем. Методы решения задач синтеза механизмов. Челябинск, ЧГТУ, 1993, с. 19–56.

[17] Марковец А.В., Полотебнов В.О. Синтез механизмов транспортирования материалов с прямолинейным участком траектории движения зубчатой рейки. Известия высших учебных заведений. Технология легкой промышленности, 2018, т. 38, № 1, с. 117–121.

[18] Сухих Р.Д. Структурный синтез механизмов по заданному числу звеньев. Расчет, проектирование и конструирование железнодорожных машин: сб. науч. тр., Санкт-Петербург, ПГУПС, 2003, ч. 3, с. 3–31.

[19] Дворников Л.Т. Опыт структурного синтеза механизмов. Теория механизмов и машин, 2004, т. 2, № 2, с. 3–17.

[20] Пейсах Э.Е., Нестеров В.А. Система проектирования плоских рычажных механизмов. Москва, Машиностроение, 1988. 232 с.

[21] Пейсах Э.Е. Атлас структурных схем восьмизвенных плоских шарнирных механизмов. Теория механизмов и машин, 2006, т. 4, № 1(7), с. 3–17.

[22] Романцев А.А. К вопросу создания структурных схем плоских шарнирных групп звеньев. Теория механизмов и машин, 2014, т. 12, № 1(23), с. 81–90.

[23] Пожбелко В.И. Единая теория структуры, структурный синтез и анализ статически определимых механических систем на основе новой формулы подвижности. Теория механизмов и машин, 2013, т. 11, № 2(22), с. 15–37.

[24] Пожбелко В.И. Универсальный метод топологического синтеза многоконтурных структур и атлас кинематических цепей восьмизвенных механизмов и их инвариантов. Теория механизмов и машин, 2014, т. 12, № 2(24), с. 66–80.

[25] Пожбелко В.И. Метод решения задачи выявления изоморфизма или метаформизма при структурном синтезе сложных многоконтурных механических систем. Теория механизмов и машин, 2015, т. 13, № 1(25), с. 23–40, doi: 10.5862/TMM.25.3

[26] Пожбелко В.И., Куц Е.Н. Разработка метода структурного синтеза многоконтурных рычажных механизмов с многократными шарнирами на основе базисных групп. Теория механизмов и машин, 2018, т. 16, № 4(40), с. 136–149, doi: 10.5862/TMM.40.1

[27] Kolovsky M., Evgrafov A., Semenov Yu., Slousch A. Advanced Theory of Mechanisms and Machines. Berlin, Springer, 2000. 396 p.

[28] Peisakh E. E. An algorithmic description of the structural synthesis of planar Assur groups. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2007, vol. 36, no. 6, pp. 505–514, doi: 10.3103/S1052618807060015

[29] Babichev D., Evgrafov A., Lebedev S. Lever mechanisms: the new approach to structural synthesis and kinematic analysis. Advances in Mechanism and Machine Science. Mechanism and Machine Science, Switzerland, Springer, 2019, vol. 73, pp. 559–568, doi: 10.1007/978-3-030-20131-9_56

[30] Uicker J.J., Pennock G.R. Theory of Mechanisms. New York, Oxford Univ. Press, 2003. 928 p.

[31] Butcher E.A., Hartman C. Efficient enumeration and hierarchical classification of planar simple-jointed kinematic chains: application to 12- and 14-bar single degree-of-freedom chains. Mechanism and Machine Theory, 2005, vol. 40, pp. 1030–1050, doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2004.12.015

[32] Ceccarelli M. Fundamentals of Mechanics of Robotic Manipulations. Netherlands, Springer, 2004. 312 p.

[33] Sunkari R.P., Schmidt L.C. Structural synthesis of planar kinematic chains by adapting a McKay-type algorithm. Mechanism and Machine Theory, 2006, vol. 41 (9), pp. 1021–1030, doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2005.11.007

[34] Servatius B., Shai O., Whiteley W. Combinatorial Characterization of the Assur Graphs from Engineering. European Journal of Combinatorics, 2010, vol. 31, no. 4, pp. 1091–1104, doi: 10.1016/j.ejc.2009.11.019

[35] Muller A. Kinematic topology and constraints of multi-loop linkages. Robotica, 2018, vol. 36, no. 11, pp. 1641–1663, doi: 10.1017/S0263574718000619

[36] Butcher E.A., Hartman C. Efficient enumeration of planar simple-jointed kinematic chains. Mechanism and Machine Theory, 2005, vol. 40, no. 9, pp. 1030–1050, doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2004.12.015

[37] Wei Y.E., Fang Y.F., Guo S. Reconfigurable parallel mechanisms with planar five-bar metamorphic linkages. Science China. Technological Science, 2014, vol. 57, no. 1, pp. 210–218.

[38] Kong X., Gosselin C.M. Type Synthesis of Parallel Mechanisms. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2007. 268 p.

[39] Gogu G. Structural synthesis of parallel robots (Solid mechanics applications). Netherlands, Springer, 2008. 706 p.

[40] Ding H., Hou F., Kecskemethy A., Huang Z. Synthesis of a complete set of contracted graphs for planar non-fractionated simple-jointed kinematic chains with all possible DOFs. Mechanism and Machine Theory, 2011, vol. 46, no. 11, pp. 1588–1600, doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2011.07.012

[41] Li Q., Huang Z. Type synthesis of parallel mechanism using Lie group. IEEE Transactions of Robotics and Automation, 2004, no. 2, vol. 20, pp. 173–180, doi: 10.1109/TRA.2004.824650

[42] Tsai L.W. Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators. New York, Wiley InterScience, 1999. 520 p.

[43] Balchanowski J. General method of structural synthesis of parallel mechanisms. Archives of civil and mechanical engineering, 2016, vol. 16, no. 3, pp. 256–268, doi: 10.1016/j.acme.2015.11.002

[44] Muller A. Kinematic topology and constraints of multi-loop linkages. Robotica, 2018, no. 11, vol. 36, pp. 1627–1640, doi: 10.1017/S0263574718000619

[45] Li C., Guo H., Tang D., Yan H., Liu R., Deng Z. A 3-R(SRS)RP Multi-Loop Mechanism for Space Manipulation: Design, Kinematics, Singularity, and Workspace, Mechanisms Robotics, 2020, vol. 12, no. 1 pp. 1–17, doi: 10.1115/1.4044911

[46] Liu J. Representations & isomorphism identification of planar kinematic chains with multiple joints based on the converted adjacent matrix. Journal of Mechanical Engineering, 2012, vol. 48, pp. 15–21, doi: 10.3901/JME.2012.05.015

[47] Ding H., Huang Z. Isomorphism identification of graphs: Especially for the graphs of kinematic chains. Mechanism and Machine Theory, 2009, vol. 44, no. 1, pp. 122–139, doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2008.02.008

[48] Chu J., Zou Y. An algorithm for structural synthesis of planar simple and multiple joint kinematic chains. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2014, vol. 228, pp. 2178–2192, doi: 10.1177/0954406213516306

[49] Ding H., Yang W., Huang P., Kecskemethy A. Automatic structural synthesis of planar multiple joint kinematic chains. ASME Journal of Mechanical Design, 2013, vol. 135, pp. 091007-1, doi: 10.1115/1.4024733

[50] Pozhbelko V. A unified structure theory of mechanical systems with simple and multiple joints: Multiloop structural synthesis, DOF-analysis and isomorphic identification. Proceedings of the 14th IFToMM World Congress, Taipei, Taiwan, October 25-30, 2015, doi: 10.6567/IFToMM.14TH.WC.OS3.003

[51] Ermoshina E., Pozhbelko V., Kuts D. Generation of non-fractionated planar closed kinematic chains with all the possible set multiple joint assortment up to MAX total multiple joint factor. Proceedings of the 14th IFToMM World Congress, Taipei, Taiwan, October 25–30, 2015, doi: 10.6567/IFToMM.14TH.WC.OS3.004

[52] Pozhbelko V. A unified structure theory of multibody open, closed loop and mixed mechanical systems with simple and multiple joint kinematic chains. Mechanism and Machine Theory, 2016, vol. 100, no. 6, pp. 1–16, doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2016.01.001

[53] Pozhbelko V., Ermoshina E. Number structural synthesis and enumeration process of all possible sets of multiple joints for 1-DOF up to 5- loop 12-link mechanisms on base of new mobility equation. Mechanism and Machine Theory, 2015, vol. 90, no. 8, pp. 108–127, doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2015.03.006

[54] Ermoshina E., Pozhbelko V. Structural Synthesis, Mobility Analysis and Creation of Complete Atlas of Multiloop Planar Multiple-Jointed Kinematic Chains on Base All Possible Sets of Color Multiple Joints for Industrial Applications. New Trends in Mechanism and Machine Science. Theory and Industrial Applications. Mechanism and Machine Science, Switzerland, Springer, 2017, vol. 43, pp. 375–382, doi: 10.1007/978-3-319-44156-6_38

[55] Pozhbelko V., Kuts E. Structural synthesis of planar 10-link 1-DOF kinematic chains with up to pentagonal links with all possible multiple joint assortments for mechanism design. New Advances in Mechanism and Machine Science. Mechanism and Machine Science, Switzerland, Springer, 2018, vol. 57, pp. 27–35, doi: 10.1007/978-3-319-79111-1_3

[56] Gogu G. Mobility of mechanisms: a critical review. Mechanism and Machine Theory, 2005, vol. 40, pp. 1068–1097, doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2004.12.014

[57] Пожбелко В.И. VIP-тест на интеллект (с универсальными структурными таблицами кодов строения). Патент 2013100510 РФ, бюл. № 20, 2014.

[58] Пожбелко В.И. Рычажный механизм. Патент РФ № 2246056, бюл. № 4, 2005.

[59] Пожбелко В.И. Рычажная передача с многократными VIP-шарнирами. Патент 2543135 РФ, бюл. № 23, 2014.

[60] Пожбелко В.И. Пространственный турбулентный рычажный смеситель. Патент 2554584 РФ, бюл. № 18, 2015.

[61] Пожбелко В.И. VIP-лебедка для горизонтального перемещения подвешенного груза (с роторно-винтовым гибким движителем). Патент 2478558 РФ, бюл. № 10, 2013.

[62] Пожбелко В.И. Трибометр для определения предельных характеристик трения гибких тел. Патент 2486493 РФ, бюл. № 18, 2013.

[63] Пожбелко В.И. Маятниковый VIP-механизм для горизонтального перемещения подвешенного груза. Патент 2605701 РФ, бюл. № 36, 2016.

[64] Пожбелко В.И. Особый планетарный инерционный импульсный механизм. А.с. 627280 СССР, бюл. № 10, 1986.

[65] Пожбелко В.И. Пространственный платформенный VIP-манипулятор. Патент № 2722165 РФ, бюл. № 15, 2020.