Универсальный метод структурного синтеза и построения полного атласа многоконтурных ортогональных структур самоустанавливающихся рычажных механизмов в машиностроении

Рассмотрены теория и практика структурного синтеза, классификации сборок и построения полного атласа многоконтурных механизмов нового класса, названных ортогональными, в которых многошарнирные рычажные звенья выполнены с расположением всех шарниров на одной линии. Предложен оригинальный универсальный метод структурного синтеза указанных многозвенных рычажных механизмов с заданным большим числом независимых замкнутых контуров в кинематической цепи для создания разнообразных механизмов с заданным разным числом степеней свободы их привода. Использование этого метода для создания новых эффективных многозвенных механизмов не требует применения сложных компьютерных программ и рассмотрения десятков тысяч групп Ассура, чтобы построить полные атласы в замкнутых цепях механизмов параллельной структуры, гарантировано не содержащие вредных избыточных связей. Это позволяет решить задачу структурного синтеза самоустанавливающихся ортогональных механизмов, включающих в себя как однократные, так и многократные шарнирные соединения рычажных звеньев. На базе предложенного алгоритма ортогонального структурного синтеза впервые построен полный атлас из двадцати неизоморфных трехконтурных ортогональных восьмизвенных базовых кинематических цепей, на основе которых синтезировано двадцать семь новых схем одноподвижных плоских шарнирных механизмов с простыми шарнирами, что увеличивает возможный состав их базы данных до 180 замкнутых структур. Эффективность применения предложенного универсального метода синтеза подтверждена примерами изобретений разнообразных многоконтурных ортогональных самоустанавливающихся рычажных механизмов и манипуляторов параллельной структуры.

Литература

[1] Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Москва, Ленанд, 2019. 500 с.

[2] Глазунов В.А., ред. Новые механизмы в современной робототехнике. Москва, Техносфера, 2018. 316 с.

[3] Мудров А.Г., Мудрова А.А., Сахапов Р.Л. Пространственные аппараты с мешалкой и смесители. Москва, Кнорус, 2021. 190 с.

[4] Марковец К.И., Полотебнов В.О. Синтез механизмов транспортирования материалов с прямолинейным участком траектории движения зубчатой рейки. Известия высших учебных заведений. Технология легкой промышленности, 2018, т. 39, № 1, с. 117–121.

[5] Смелягин А.И., Приходько А.А. Структурный синтез сложного исполнительного механизма возвратно-вращательного перемешивающего устройства. Известия высших учебных заведений. Пищевая технология, 2014, № 5–6, с. 85–88.

[6] Пожбелко В.И. 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. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2020, № 9, с. 24–23, doi: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2020-9-24-43

[7] Куц Е.Н. Структурный синтез многоконтурных рычажных механизмов с многократными шарнирами и наиболее сложным двухшарнирным звеном. Современное машиностроение. Наука и образование, 2019, № 8, с. 201–214.

[8] Pozhbelko V. Type synthesis method of planar and spherical mechanisms. In: IFToMM WC-2019. Springer, 2019, pp. 1517–1526, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-20131-9_150

[9] Sun W. A joint-joint matrix representation of planar kinematic chains. Adv. Mech. Eng., 2018, vol. 10, no. 6, doi: https://doi.org/10.1177/1687814018778404

[10] Zou Y., He P., Pei Y. Automatic topological structural synthesis algorithm. Adv. Mech. Eng., 2016, vol. 8, no. 3, doi: https://doi.org/10.1177/1687814016638055

[11] Ding H.F., Hou F.M., Kecskemethy A. et al. Synthesis of the whole family of 1-DOF kinematic chains. Mech. Mach. Theory, 2012, vol. 47, pp. 1–15, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2011.08.011

[12] Chen L.M. Digital and discrete geometry. Springer, 2014. 322 p.

[13] Norton R.L. Design in machinery. McGraw Hill, 2011. 857 p.

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

[15] Peisakh E.E. Technique of automated structural synthesis of planar jointed mechanisms. J. Mach. Manuf. Reliab., 2009, vol. 38, no. 1, pp. 62–70, doi: https://doi.org/10.3103/S1052618809010129

[16] Пейсах Э.Е. Структурный синтез замкнутых кинематических цепей (цепей Грюблера). Часть 1. Теория механизмов и машин, 2008, т. 6, № 1, с. 4–14.

[17] Пейсах Э.Е. Структурный синтез замкнутых кинематических цепей (цепей Грюблера). Часть 2. Теория механизмов и машин, 2008, т. 6, № 2, с. 3–17.

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

[19] Пейсах Э.Е. К дискуссии по проблеме структурного синтеза плоских шарнирных механизмов. Теория механизмов и машин, 2006, т. 4, № 1, с. 49–54.

[20] Talaba D. Mechanical models and the mobility of robots and mechanisms. Robotica, 2015, vol. 33, no. 1, pp. 181–193, doi: https://doi.org/10.1017/S0263574714000149

[21] Babichev D., Evgrafov A., Lebedev S. Lever mechanisms: the new approach to structural synthesis and kinematic analysis. In: IFToMM WC-2019. Springer, 2019, pp. 1030–1050, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-20131-9_56

[22] Peisakh E.E. An algorithmic description of the structural synthesis of planar Assur group. J. Mach. Manuf. Reliab., 2007, vol. 36, no. 6, pp. 505–514, doi: https://doi.org/10.3103/S1052618807060015

[23] Vicker J.J., Pennock G.R., Shingley J.E. Theory of mechanisms. Oxford University Press, 2017. 950 p.

[24] Ceccarelli M. Fundamentals of mechanisms of robotic manipulations. Springer, 2004. 312 p.

[25] Kong X., Gosselin C.M. Type synthesis of parallel mechanisms. Springer, 2007. 268 p.

[26] Gogu G. Structural synthesis of parallel robots. Part 1: Methodology. Springer, 2008. 706 p.

[27] Tsai L.W. Robot Analysis. The mechanics of serial and parallel manipulators. Wiley, 1999. 520 p.

[28] Aefattani R., Luck C.A. A lamina-emergent frustum using a bistable collapsible compliant mechanism. J. Mech. Des., 2018, vol. 140, no. 12, art. 125001, doi: https://doi.org/10.1115/1.4037621

[29] Ding H., Hou F., Kecskemethy A. et al. Synthesis of a complete set of contracted graphs for planar non-fractionated simple-jointed kinematic chains with all possible DOFs. Mech. Mach. Theory, 2011, vol. 46, no. 11, pp. 1588–1600, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2011.07.012

[30] Тимофеев Г.А., ред. Теория механизмов и машин. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. 566 с.

[31] Pozhbelko V. Advanced technique of type synthesis and construction og veritable complete atlases of F-DOF generalized kinematic chains. In: EnCoMes-2018. Springer, 2019, vol. 59, pp. 207–214, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-98020-1_24

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

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

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

[35] Крайнев А.Ф. Механика машин. Фундаментальный словарь. Москва, Машиностроение, 2000. 904 с.

[36] Пожбелко В.И. Метод топологического структурного анализа и новые критерии идентификации сложных многоконтурных механических систем. Теория механизмов и машин, 2014, т. 12, № 2, с. 50–65.

[37] 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, с. 66–80.

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

[39] Дворников Л.Т. Полный состав плоских шарнирных восьмизвенных механизмов. Патент РФ 2015620078. Заявл. 19.11.2014, опубл. 15.01.2015.

[40] Дворников Л.Т., Гудимова Л.Н. Обоснования универсального метода синтеза кинематических цепей Грюблера. Фундаментальные исследования, 2015, № 4, с. 48–54.

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

[42] Решетов Л.Н. Самоустанавливающиеся механизмы. Москва, Машиностроение, 1991. 288 с.

[43] Несмеянов И.А. Структурный синтез самоустанавливающихся механизмов с параллельной кинематикой. Вестник Брянского ГТУ, 2019, № 4, с. 4–13, doi: https://doi.org/10.30987/article_5cb58f4ed2c444.85435034

[44] Пожбелко В.И. Универсальный алгоритм синтеза структурных схем сложных одноподвижных и многоподвижных рычажных механизмов. Современное машиностроение. Наука и образование, 2022, № 11, с. 91–100.

[45] Пожбелко В.И. Шарнирный трехкривошипный механизм. Патент РФ 2740526. Заявл. 07.07.2020, опубл. 15.01.2021.

[46] Пожбелко В.И. Рычажный пятизвенный двухпоршневой механизм. Патент РФ 2751011. Заявл. 08.12.2020, опубл. 07.07.2021.

[47] Пожбелко В.И. Складывающийся грузоподъемный манипулятор параллельной структуры. Патент РФ 2780824. Заявл. 27.10.2021, опубл. 04.10.2022.

[48] Пожбелко В.И. Сферический V-манипулятор. Патент РФ 2730345. Заявл. 23.01.2020, опубл. 21.08.2020.