剪叉式机构变异演化规律与设计理论研究

剪叉式机构是一类具有鲜明特色的平面连杆机构，由于它具有许多优良特性，因而在工程上得到一定应用。但目前缺乏系统的设计理论支持，使得其种类不多，远没有发挥出应有的应用潜力。本项目将对剪叉式机构展开深入系统地基础理论研究，内容包括剪叉式机构的变异演化规律、通用运动学模型建立与分析、通用承载能力计算方法、刚度与稳定性分析，驱动器安装方式对工作性能的影响、曲线轨迹剪叉式机构的构型与尺度综合方法、新型剪叉式机构应用原理样机验证等。本项目首次提出了剪叉式机构的6种变异演化方法，并由这些方法演化出多种有工程使用价值的新型剪叉式机构，如正多变形剪叉式机构、曲线轨迹剪叉式机构和空间剪叉式机构等。可以相信，在变异演化方法的指导下，还会有更多新型剪叉式机构问世。本项目另一项重要成果是建立通用的剪叉式机构设计与分析理论体系，这无疑会充实和完善平面连杆机构的型综合与设计理论。开展本项目研究意义重大，应用前景广阔。

剪叉式机构（又称剪式铰、剪刀撑）是一类具有鲜明特色的可伸展机构，有良好的可折叠性和空间伸展性，还具有运动单元模块化、结构简单、成本低廉等特点，在航天、交通、建筑等各个领域已得到广泛的应用。而传统的剪叉式机构因为缺乏系统的理论指导，结构形式单一、运动方式单调，限制了在工程上的应用范围，大量新型剪叉式机构有待人们去发现，剪叉式机构的应用领域也有待进一步拓展。针对这些问题，开展了以下方面研究并取得相应成果：.1、从改变铰接点位置和数量、改变剪叉臂杆件的形状、改变剪叉臂接口形式三个方面入手，对剪叉式机构变异演化方法进行了系统研究，提出了一系列特性迥异的变异演化剪叉式机构；并提出进行变异演化时需要遵守的四个原则。.2、建立了剪叉式机构基本单元运动学模型，在此基础上构造了变比例剪叉式机构的运动学模型，对四种典型的平面变比例剪叉式机构进行了运动学分析。针对剪叉式机构种类繁多，剪叉臂单元坐标变换矩阵和驱动角度各不相同的问题，对运动学模型进行了优化，得到通用剪叉式机构运动学分析方法。最后对另外两种典型变杆长剪叉式机构进行了运动学分析。.3、建立了剪叉式机构单元的承载受力模型，完成了剪叉式机构构件的承载能力、刚度和稳定性分析，推导了剪叉式机构受拉压、扭转、剪切及综合承载能力计算方法。以平面基本剪叉式机构为基本单元构建了剪叉式机动平台和空间剪叉式机构，运用动力学分析软件进行了力学性能分析和模态分析，分析其动力学特性，得到最佳尺寸优化结果。.4、剪叉式机构的驱动常采用液压与机械式驱动方式，分析了驱动安装方式的影响，针对液压驱动方式，推导了机构安装最优尺寸，并进行了剪叉式机构的机械效率分析与计算公式的推导。.5、研究了曲线轨迹形式与剪叉式机构构型的关系和尺度综合方法，提出了一种实用的剪叉式机构几何设计方法，规范了剪叉式机构段的设计步骤和计算过程。推导了剪叉臂长度 误差、销轴中心误差对于剪叉式机构误差的影响，以及多级误差累计的分析。.6、研制了五大类共十余种剪叉式机构物理样机：一种可实现空间旋转伸缩的空间剪叉式机构、实现复杂平面运动轨迹的剪叉式机构、可用于帐篷骨架的空间剪叉式机构、适用于作为活动支撑平台的正多边形变异演化结构的剪叉式机构、收缩式变形安全逃生门。