簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 黃偉哲
Huang, Wei-Che
論文名稱: 空間滑塊機構剛體導引合成之閉合解與直線導引之數值解
Closed-Form and Numerical Solutions for the Spatial Slider in Rigid-Body Guidance and Line Guidance
指導教授: 黃金沺
Huang, Chintien
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 67
中文關鍵詞: 空間滑塊空間一般化直線導引剛體導引閉合解
外文關鍵詞: Spatial slider, Spatial generalizations, Line guidance, Rigid-body guidance, Closed-form solution
相關次數: 點閱:135下載:1
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 機構學理論平面到空間一般化問題的重要性,在於可將平面中已發現的理論推想到空間情形,使得空間理論更臻成熟。例如在剛體有限位移性質,空間位移螺旋理論可由平面極心性質推展至空間而得。在平面運動對的空間一般化方面,先前的研究已由合成結果說明平面雙旋轉對之空間一般化為雙圓柱對,而平面旋轉滑動對(滑塊)之空間一般化為垂直且相交之雙圓柱對,將其稱之為空間滑塊。本論文之目的在於討論平面滑塊位置導引問題的空間一般化,其中分為兩部分做討論:第一部分為完全指定位移,即平面滑塊之有限分離位置剛體導引合成問題;第二部分為不完全指定位移,即平面滑塊之路徑演生合成問題,此部分將討論兩種含滑塊之機構,分別為雙滑塊與曲柄滑塊機構。
    對於完全指定位移之空間一般化問題,平面與空間滑塊之最大導引位置數皆為4個,先前的研究已找出導引3個位置的閉合解,其為單變數六次式,而最大導引位置數之合成問題僅有數值解。最大導引位置數之合成問題為有限組解,故為了探討平面問題之空間一般化,其解的數目與找出所有解的任務便顯得重要,本文使用等效螺旋三角形的觀念得到其合成方程式,將其簡化後使用Dialytic消去法找出導引四個位置的閉合解,其為單變數九次式,故最多為九組解,其中二組解為無窮遠的根,一組解為位置1與位置2之位移螺旋,因此最多為六組實數解。
    對於不完全指定位移之空間一般化問題,根據先前的研究,我們可將空間的線導引視作平面路徑演生之空間一般化,然而平面雙滑塊之路徑演生問題尚未被討論,故此處先找出其最大合成位置數為7個,而空間雙滑塊線導引之最大合成位置數亦為7個。平面曲柄滑塊之路徑演生問題已被完整討論,其最大合成位置數為8個,其數目與空間曲柄滑塊之線導引相同。同樣以等效螺旋三角形的觀念得到其合成方程式,由於方程式過於複雜,因此經簡化後僅能獲得數值解。本文對每個問題皆提供一數值例,並以SolidWorks○R進行模擬驗證之。
    本論文由完全與不完全位移之剛體導引合成問題,進一步確立平面滑塊之空間一般化為垂直且相交之雙圓柱對,並找出空間滑塊剛體位置導引之閉合解,由此所有的解與解的數目,希望未來可進一步以機構運動性質等,探討平面機構與其空間一般化的對應關係,有助於空間一般化理論之發展。

    Spatial generalizations of planar kinematics allow us to take advantage of well-known theories in planar kinematics and extend them to their counterparts in spatial kinematics. It is known that the planar slider, the revolute-prismatic dyad, is the degeneration of the spatial cylindrical-cylindrical dyad with their axes intersected perpendicularly. We refer to this special cylindrical-cylindrical dyad as the spatial slider. This thesis investigates the spatial generalizations of the solution spaces of the planar slider mechanisms. This thesis is divided into two parts: the first part is about the rigid-body guidance problem, while the second part is about the path-generation problem.
    For the spatial generalization of the rigid-body guidance problem, the maximum number of design positions is four for both planar and spatial sliders. Previous research only provided numerical solutions of spatial sliders for maximum number of design positions. This thesis seeks to find all solutions in a closed form. This thesis utilizes the concept of equivalent screw triangle to obtain the equations for synthesis. It then simplifies the equations and employs the dialytic elimination method to find the closed-form solution, which is a univariate ninth-degree polynomial equation. Among the nine solutions, two are infinite roots, and one is the displacement screw of position 1 and position 2. Therefore, there are at most six real finite solutions.
    For the spatial generalization of the path generation problem, previous research demonstrates that spatial line guidance is the generalization of planar point guidance. The path-generation problem of planar double-slider linkage has not been studied completely. This thesis shows that the maximum number of specified lines (points) is seven for both spatial and planar problems. The maximum number of specified lines for the spatial slider-crank linkage has been shown to be eight, which is the same as the planar case. We also utilize the concept of equivalent screw triangle to obtain the equations for synthesis. These equations are too complicated to be solved analytically; therefore, we can only obtain numerical solutions. Numerical examples with animations using CAD programs are provided to confirm the validity of the results.
    This thesis solves complete- and incomplete-specified displacement synthesis problems and demonstrates the correspondence between the planar and spatial slider mechanisms. Closed-form solutions and numerical solutions are provided in this thesis. The results given in thesis may lead to the discovery of more spatial generalizations of planar kinematic theories.

    摘要 I Abstract III 誌謝 V 目錄 VI 表目錄 IX 圖目錄 X 符號表 XII 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 文獻回顧 2 1-3 研究動機與目的 3 1-4 本文架構 4 第二章 基本理論 5 2-1 平面剛體位移 5 2-1-1 平面兩個位置剛體位移之描述 5 2-1-2 極心 6 2-1-3 平面三個位置剛體位移──極心三角形 7 2-2 空間剛體位移 9 2-2-1 空間兩個位置剛體位移之描述 9 2-2-2 空間剛體位移螺旋 10 2-2-3 二次鏡射模型 15 2-2-4 空間三個位置剛體位移──螺旋三角形 16 2-2-5 平面剛體位移與空間剛體位移之關係 18 2-2-6 直線不完全指定有限位移理論 18 2-3 線坐標與螺旋坐標 21 2-3-1 線坐標 21 2-3-2 螺旋坐標與螺旋系統 22 2-3-3 螺旋坐標之位移 23 2-4 Dialytic消去法 24 第三章 平面滑塊機構合成空間一般化問題之閉合解 26 3-1 平面滑塊機構之位置合成問題 26 3-2 平面滑塊機構相對應空間運動對之假設 28 3-3 垂直相交雙圓柱對之最大合成位置數目 33 3-4 四個位置之合成及其閉合解 33 3-4-1 四個位置之合成方程式 33 3-4-2 以Dialytic消去法求閉合解 39 3-5 數值例 44 3-5-1 數值例 44 3-5-2 動畫模擬結果 45 第四章 空間雙滑塊與曲柄滑塊於直線導引合成問題 47 4-1 平面雙滑塊機構於路徑演生合成問題 47 4-1-1 平面雙滑塊機構合成方程式 47 4-1-2 路徑演生問題之最大合成數目 49 4-2 合成空間雙滑塊於直線導引問題 49 4-2-1 空間雙滑塊機構合成方程式 50 4-2-2 方程式解法與問題討論 53 4-2-3 數值例 53 4-2-4 動畫模擬結果 54 4-3 合成空間曲柄滑塊於直線導引問題 57 4-3-1 空間曲柄滑塊機構合成方程式 57 4-3-2 方程式解法 59 4-3-3 數值例 60 4-3-4 動畫模擬結果 61 第五章 結論與未來方向 64 5-1 結論 64 5-2 未來方向 64 參考文獻 66

    1. Bottema, O. and Roth, B., Theoretical Kinematics, New York: Dover Publications, Inc, 1990.
    2. Dijksman, E. A., “Calculation and Construction of the Burmester Points for Five Positions of a Moving Plane,” ASME, No. 68, Mech-13, 1968.
    3. Tari, H. and Su, H. J., “A Complete Homotopy Solution to the Eight-Point Path Generation of a Slider-Crank Four-Bar Linkage,” Journal of Mechanical Design, Trans. ASME, Vol. 132, 2010.
    4. Murray, A. P. and McCarthy, J. M., “Five Position Synthesis of Spatial CC Dyad,” Proc. ASME DETC Mechanism Conf., Minneapolis, Minnesota, September, 1994.
    5. Plücker, J., “On a New Geometry of Space,” Phil. Trans., Vol. 155, pp. 725-791, 1865.
    6. Rodrigues, O., “Des lois géométriques qui régissent les déplacements d’un systéme solide dans l’espace, et de la variation des coordonnées provenant de ces déplacements considérés indépendamment des causes qui peuvent les produire,” Journal De Mathématiques Pures et Appliquées, 5, 1st Series, pp. 380-440, 1840.
    7. Roth, B., “On the Screw Axes and Other Special Lines Associated with Spatial Displacements of a Rigid Body,” Journal of Engineering for Industry, Trans. ASME, Series B, pp. 102-110, 1967.
    8. Tsai, L. W. and Roth, B., “Design of Dyads with Helical, Cylindrical, Spherical, Revolute and Prismatic Joints,” Mechanism and Machine Theory, Vol. 7, pp. 85-102, 1972.
    9. Tsai, L. W. and Roth, B., “Incompletely Specified Displacements: Geometry and Spatial Linkage Synthesis,” Journal of Engineering for Industry, Trans. ASME, Vol. 95B, No. 2, pp. 603-311, 1973.
    10. Tsai, L. W., Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulator, Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Sons, Inc, 1999.
    11. 田昆明,空間雙接頭連桿尺寸合成問題的一些數值解,國立成功大學機械工程學系碩士論文,2001。
    12. 林佩穎,可達到多個等向性構形之機器人設計,國立台灣科技大學機械工程系碩士論文,2007。
    13. 吳智勛,平面滑塊機構合成之空間一般化研究,國立成功大學機械工程學系碩士論文,2011。
    14. 黃稟融,合成具雙圓柱對連桿之空間四桿機構於直線導引問題,國立成功大學機械工程學系碩士論文,2009。
    15. 張育叡,雙圓柱對連桿位置合成方程式之解,國立成功大學機械工程學系碩士論文,1999。
    16. 賴慶隆,合成空間RCCC與4C機構於直線角度問題,國立成功大學機械工程學系碩士論文,2010。
    17. 蔣君宏,平面機構之運動學與設計,二版,台北,高立圖書有限公司,頁67-126,2006。
    18. Bates, D. J., Haustein, J. D., Sommes, A. J. and Wampler, C. W., Bertini: Software For Numerical Algebraic Geometry, Available at http://www3.nd.edu/~sommese/bertini/.

    下載圖示 校內:立即公開
    校外:2018-07-29公開
    QR CODE