平行四边形机构的干涉及虚约束问题

张会强

（石家庄市自动化研究所，石家庄 050026）

1 引言

在GJC 系列钢筋定长剪切机中，为保证钢筋在正常的导轨中送料，采用了导直槽方式的平行四边形机构，在钢筋落料时摆臂同步运动，打开活动导直槽使钢筋落料。考虑到工艺、加工、定长等问题，每米导直槽作为一个整体的平行四边形机构，根据钢筋定长的长度增加导直槽，然后刚性连接在一起。

2 存在的问题

图1

图2 1m 导直槽平行四边形机构

由图1 导直槽的安装方式可知，固定导直槽通过固定支座与机架相连，活动导直槽通过两个摆臂与固定导直槽连接，构成平行四边形机构。根据每米一对导直槽安装方式，其运动简图见图2。图2 四边形机构共有3个活动构件（即活动导直槽3、两个摆臂2、4）及4个低副（即转动副A、B、C、D），于是可求得此机构的自由度为F=3n-2（pL+pH）=3×3-（2×4）=1，当增加1m导直槽时，固定导直槽通过固定支座刚性地连接为一体成为机架的一部分，其活动导直槽通过大连接板和小连接板刚性地连接为一体，成为一个活动构件。2m 活动导直槽见其运动简图3。

图3 2m 导直槽平行四边形机构

图3 机构共有5个活动构件（即活动导直槽3、4个摆臂2、4、5、6）及8个低副（即转动副A、B、C、D、E、F、G、H），于是可求得此机构的自由为F=3n-2（pL+pH）=3×5-（2×8）=-1，在此机构中，我们引入1m 导直槽，增加了2个活动摆臂和4个转动低副，即增加了2个虚约束，由于虚约束增多，为加工和安装调试等工作增添了很大难度，例如：若1m 活动导直槽中安装摆臂的孔打偏0.1mm，将使活动导直槽与固定导直槽不能很好地闭合，成为双曲柄机构，原认为是虚约束的约束，就变为实际有效的约束，使机构产生干涉。最后产生的后果将直接影响到2m、3m 等后面导直槽的闭合，导致钢筋在轨道中跑出来。

3 解决对策

经分析研究，我们将摆臂心轴做成了偏心轴，如见图4。虽然偏心轴与导直槽连接处构成了转动副，但通过螺母与其压紧后连接相对于上部的轴承的转动副相比，可以看成偏心轴与导直槽是固定连接的，真正的转动副是轴承处的转动副，这样虽然增加了偏心轴，但实际应用中，偏心轴只是起到偏移轴心的作用。通过调节每1m中摆臂的偏心轴来调整其偏心，可消除由于加工误差和现场实际安装误差等外来因素的影响，使每米导直槽机构调节成为“严格”的平行四边形机构。当所有的导直槽刚性连接后，虽然增加了很多的虚约束，但对机构的运动并不产生干涉。

图4 摆臂安装图

4 结语

这种具有偏心轴结构的平行四边形机构多年来在GJC 钢筋定长剪切机生产中得到很好的应用。在实际安装现场中也收到了良好的效果。