柔性速度補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)與仿真

研究生：黃玉清

指導(dǎo)教師：姚燕安   副教授

專業(yè)：運(yùn)載工具運(yùn)用工程

論文提交日期：2005年3月

學(xué)位授予單位：北京交通大學(xué)

摘要
機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生的速度波動(dòng)是一種有害現(xiàn)象。多年來(lái)設(shè)計(jì)人員從多方面研究速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)方法，已經(jīng)提出了補(bǔ)償速度波動(dòng)的多種平衡裝置，如飛輪、平衡齒輪、平衡凸輪以及非圓齒輪平衡機(jī)構(gòu)等，這些平衡裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)一般不易進(jìn)行調(diào)整，因而不具柔性，即當(dāng)機(jī)械自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)因受力磨損或受熱變形等原因而改變，或機(jī)械外部的運(yùn)行工況發(fā)生人為調(diào)整或不可預(yù)知的隨機(jī)變化時(shí)，平衡效果通常會(huì)降低。
本文通過(guò)深入分析國(guó)內(nèi)、外關(guān)于調(diào)速或速度補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)思想、原理和方法，交叉融合可調(diào)整機(jī)構(gòu)、混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器及變速驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的一些設(shè)計(jì)原理，提出柔性速度補(bǔ)償?shù)睦砟�，并闡述這一理念的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程。然后以沖壓機(jī)械為應(yīng)用對(duì)象，設(shè)計(jì)一種柔性速度補(bǔ)償裝置，它通過(guò)對(duì)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的主動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)速度波動(dòng)的柔性補(bǔ)償，以改善平衡效果并增加機(jī)械的柔性，驗(yàn)證了這一理念的正確性。柔性速度補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是機(jī)構(gòu)的選型。所選擇機(jī)構(gòu)類型的特點(diǎn)和約束條件是首先滿足柔性速度補(bǔ)償?shù)母拍睿�而且根�?jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和載荷的特點(diǎn)，設(shè)定目標(biāo)速度輸出曲線。本文通過(guò)對(duì)備選的幾組機(jī)構(gòu)性能特點(diǎn)的比較，選定以一種機(jī)械式無(wú)級(jí)變速器（GUSA型）為依托，經(jīng)過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)出合適的兩自由度七桿機(jī)構(gòu)。
對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，認(rèn)為從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度該機(jī)構(gòu)是滿足設(shè)計(jì)要求的，然后利用Adams軟件的優(yōu)良的仿真特性，建立速度補(bǔ)償裝置的虛擬樣機(jī)模型，借助仿真軟件調(diào)整其各項(xiàng)參數(shù)，并協(xié)調(diào)兩輸入之間的配合。通過(guò)算例，對(duì)該裝置在伺服電機(jī)不動(dòng)作和用學(xué)習(xí)控制方式控制伺服電機(jī)動(dòng)作兩個(gè)階段進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了速度補(bǔ)償效果良好。
實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證柔性速度補(bǔ)償裝置是否合理有效的最有力的方式，本文給出了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案。
關(guān)鍵詞：速度補(bǔ)償，可調(diào)整機(jī)構(gòu)，動(dòng)態(tài)仿真
第一章 緒論
本章介紹柔性速度補(bǔ)償裝置研究的相關(guān)學(xué)術(shù)背景，以及前人所作的研究工作，并提出設(shè)計(jì)概念、研究意義和其應(yīng)用背景。
§1.1機(jī)械系統(tǒng)的組成及發(fā)展
一般而言，機(jī)械是由原動(dòng)機(jī)與若干機(jī)構(gòu)組合而成的系統(tǒng)，稱為“機(jī)械系統(tǒng)”。按照各組成環(huán)節(jié)的功能劃分，機(jī)械系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

機(jī)器的功能在向柔性化趨勢(shì)發(fā)展，機(jī)電一體化、運(yùn)動(dòng)可控性、智能化己經(jīng)成為現(xiàn)代化機(jī)器的重要特征。
傳統(tǒng)機(jī)械大多以普通電機(jī)作為動(dòng)力機(jī)，以定傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)組成傳動(dòng)系統(tǒng)，以凸輪、連桿等變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入構(gòu)件一般作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，通常稱為“等速假設(shè)”。傳統(tǒng)機(jī)械具有成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是缺乏柔性，難以適應(yīng)變化的需求和工作環(huán)境。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)和快速進(jìn)步，機(jī)構(gòu)和機(jī)器出現(xiàn)了柔性化（需要指出，此處的“剛性”和“柔性”是指可控性或可調(diào)節(jié)性，而與表示構(gòu)件力學(xué)性質(zhì)的剛性、柔性或彈性無(wú)關(guān)。）的趨勢(shì)，其中最為杰出的標(biāo)志是機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的誕生與發(fā)展。這些基于多自由度開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)的新機(jī)器以靈活多變的特征，為機(jī)械注入新的活力。但是也導(dǎo)致了高昂的成本和欠佳的高速性能。
不過(guò)，在現(xiàn)實(shí)生活中，應(yīng)用最為廣泛的、大量需求的往往都是只要求具有一定的工作柔性、能完成相類似的工作任務(wù)簇、可以進(jìn)行適度調(diào)整的機(jī)器，即所謂半柔性機(jī)械，或者說(shuō)適度柔性機(jī)器。這是介于完全剛性的傳統(tǒng)機(jī)器和完全柔性的數(shù)控機(jī)器之間的一類新機(jī)器，在潛在的應(yīng)用范圍內(nèi)，取二者之長(zhǎng)、去二者之短，擁有廣泛的發(fā)展前景。
§1.2課題理論背景
適度柔性機(jī)器將剛性機(jī)器的低成本和柔性機(jī)器的可控性有機(jī)結(jié)合，是一般機(jī)器柔性化的一個(gè)最佳解決方案。它們通常是集機(jī)電一體化、運(yùn)動(dòng)可控性、智能化為一體的一類現(xiàn)代機(jī)器。
適度柔性機(jī)器包括可調(diào)整機(jī)構(gòu)、混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器和變速驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)器等，這三類機(jī)器從不同角度導(dǎo)入機(jī)器柔性。
1.2.1可調(diào)整機(jī)構(gòu)
有很多機(jī)器需要根據(jù)不同任務(wù)進(jìn)行適度調(diào)節(jié)。可調(diào)整機(jī)構(gòu)的思想在很多實(shí)際應(yīng)用中都有所體現(xiàn)。最初一般是在機(jī)器停機(jī)后，由操作人員手工或自動(dòng)調(diào)節(jié)某些桿件的運(yùn)動(dòng)學(xué)尺度參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在，一般通過(guò)計(jì)算機(jī)和控制器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)某些桿件的尺度參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)普通機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)的精確軌跡等任務(wù)，則需要深入考慮相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和運(yùn)動(dòng)控制規(guī)劃方法。所以現(xiàn)在一般定義可調(diào)整機(jī)構(gòu)(Adjustable Mechanisms)為，是指以控制電機(jī)改變連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以滿足變化的設(shè)計(jì)需求，是一類可以在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中調(diào)整構(gòu)件長(zhǎng)度的連桿機(jī)構(gòu)。
圖1-2所示是一種可調(diào)整曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成的搬運(yùn)機(jī)械。其中，一個(gè)普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄等速回轉(zhuǎn)，在搖桿上還安裝有一個(gè)控制電機(jī)。該機(jī)械的工作原理為：右邊的傳送帶上送來(lái)的箱子有大有小。要求將大箱子般到左上方的傳送帶上，而將小箱子般到左下方的傳送帶。恰當(dāng)設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)的尺度，并利用控制電機(jī)來(lái)調(diào)整搖桿的長(zhǎng)度，可以分別完成上述任務(wù)。

1.2.2混合動(dòng)力機(jī)器
在可調(diào)整機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)一種所謂混合動(dòng)力機(jī)器（Hybrid Machines）。該類機(jī)械系統(tǒng)一般有線性與非線性兩種類型的原動(dòng)機(jī)，其中線性原動(dòng)機(jī)提供主運(yùn)動(dòng)，非線性原動(dòng)機(jī)提供補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，“混合機(jī)械”即由此得名。

其基本原理如圖1-3所示，一個(gè)普通馬達(dá)和一個(gè)控制馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)兩自由度機(jī)構(gòu)的兩個(gè)輸入構(gòu)件。設(shè)計(jì)者期望通過(guò)機(jī)械與馬達(dá)的恰當(dāng)配合，使得普通馬達(dá)提供系統(tǒng)所需的主要功率，而控制馬達(dá)僅提供佼小的輔助功率，但還能夠?qū)�輸出運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制�；旌蟿�(dòng)力機(jī)器的研究動(dòng)機(jī)之一是期望以一個(gè)大功率（大扭矩）的普通馬達(dá)、一個(gè)小功率（小扭矩）的控制馬達(dá)、以及一個(gè)機(jī)構(gòu)的組合系統(tǒng)來(lái)替代一個(gè)大功率（大扭矩）的控制馬達(dá)，從而降低成本。混合動(dòng)力機(jī)器的研究動(dòng)機(jī)之二是期望利用機(jī)構(gòu)具有的高機(jī)械利益（與控制馬達(dá)和負(fù)載直接耦合的清形比較而言）來(lái)提高運(yùn)動(dòng)控制的精度及穩(wěn)定性。
Bhartendu Seth和Sesha Sai Vaddi提出基于混合動(dòng)力機(jī)器思想的可編程函數(shù)發(fā)生器（Programmable function generators)，如圖l-4所示分別為七桿機(jī)構(gòu)的兩種設(shè)計(jì)。

該函數(shù)發(fā)生器輸入1為常速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，輸入2為控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制連桿的擺動(dòng)速度，這樣經(jīng)七桿機(jī)構(gòu)和兩電機(jī)的恰當(dāng)配合，輸出運(yùn)動(dòng)具有可控性，產(chǎn)生所設(shè)計(jì)的函數(shù)曲線。
1.2.3變速驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)
變速驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的基本思想是以計(jì)算機(jī)控制的伺服電機(jī)作為動(dòng)力機(jī)，輸出特定的速度函數(shù)變速驅(qū)動(dòng)凸輪、連桿等傳統(tǒng)的單自由度變傳動(dòng)比執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與輸入速度函數(shù)設(shè)計(jì)有機(jī)地集成，期望以低成本獲得既具有一定限度的輸出柔性，又具有高可靠性、高速、高精度、低噪音等優(yōu)良品質(zhì)的機(jī)械。此處“變速驅(qū)動(dòng)”是相對(duì)于經(jīng)典的“等速假設(shè)”而命名的概念，“變速”是指非等速，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入速度為非線性函數(shù)，即“非線性變速”，與當(dāng)前“變速器”中“變速”（線性）的含義不同。
應(yīng)用變傳動(dòng)比的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變速驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究由來(lái)已久。例如，Rothbart曾設(shè)計(jì)了一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)，由一個(gè)Withworth急回機(jī)構(gòu)變速驅(qū)動(dòng)，以減小凸輪尺寸和壓力角；JINTBNH提及了利用非圓齒輪傳動(dòng)變速驅(qū)動(dòng)槽輪機(jī)構(gòu)以降低沖擊力矩，以及變速驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以提高工作行程和空行程時(shí)間比的應(yīng)用。
近年來(lái)，顏鴻森等人致力于有關(guān)變輸入轉(zhuǎn)速凸輪機(jī)構(gòu)的研究，其具體成果為通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證消除了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)特性曲線的不連續(xù)性，及降低了各種凸輪曲線（如擺線、多項(xiàng)式曲線等）的從動(dòng)件和加速度峰值。其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1-5所示，其中微機(jī)控制的伺服電機(jī)作為變速單元，以直動(dòng)滾子從動(dòng)件平面凸輪機(jī)構(gòu)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

姚燕安作了凸輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)控制的研究以及凸輪機(jī)構(gòu)與伺服控制系統(tǒng)的集成研究，基于以最佳控制理論導(dǎo)出改善凸輪從動(dòng)件系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性以及抑制其殘余振動(dòng)的轉(zhuǎn)速軌跡的設(shè)計(jì)方法，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1-6所示，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)從動(dòng)件平面凸輪機(jī)構(gòu)。

在相關(guān)研究方面：Lee&cho研究了變速驅(qū)動(dòng)伺服槽輪機(jī)構(gòu)；Liu等研究了變速驅(qū)動(dòng)伺服變導(dǎo)程螺桿機(jī)構(gòu)；chew&Plan提出通過(guò)控制直流電機(jī)的輸入電壓函數(shù)降低彈性凸輪機(jī)構(gòu)的殘余振動(dòng)；Kochev的研究指出，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)作了擺動(dòng)力平衡的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，理論上可以通過(guò)設(shè)計(jì)曲柄轉(zhuǎn)速函數(shù)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)力矩的完全平衡；岳士崗和白師賢研究了利用特定的輸入轉(zhuǎn)速函數(shù)抑制彈性連桿機(jī)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。
§1.3機(jī)械的速度波動(dòng)及其調(diào)節(jié)
在研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析及力分析時(shí)，通常假定其原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是已知的，而且一般假設(shè)原動(dòng)件作等速運(yùn)動(dòng)。然而實(shí)際上機(jī)構(gòu)原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是由其各構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和作用于其上的驅(qū)動(dòng)力與阻抗力等因素而決定的，因而在一般情況下，原動(dòng)件的速度和加速度是隨時(shí)間而變化的。因此，機(jī)械在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)速度波動(dòng)，而這種速度波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)動(dòng)副中產(chǎn)生附加的動(dòng)壓力，并引起機(jī)械的振動(dòng)，從而降低機(jī)械的壽命、效率和工作質(zhì)量。
如上所述，機(jī)械在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的速度波動(dòng)是十分有害的，所以多年來(lái)，人們不斷對(duì)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)及其調(diào)節(jié)的方法加以研究，設(shè)法將機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)的程度限制在許可的范圍之內(nèi)。
對(duì)于周期性速度波動(dòng)，傳統(tǒng)且最為經(jīng)典的方法是飛輪調(diào)速。而對(duì)非周期性速度波動(dòng)，就必須安裝一種專門(mén)的調(diào)節(jié)裝置一一調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)。
這種情況在機(jī)械的原動(dòng)機(jī)是蒸氣機(jī)、汽輪機(jī)或內(nèi)燃機(jī)等的情況下是很常見(jiàn)的。以汽車柴油機(jī)調(diào)速器為例，按其工作原理得不同，可分為機(jī)械式、氣動(dòng)式、液壓機(jī)、機(jī)械氣動(dòng)復(fù)合式、機(jī)械液壓復(fù)合式和電子式等多種形式。但是目前應(yīng)用最廣得當(dāng)屬機(jī)械式調(diào)速器，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，性能良好。
德國(guó)Bosch公司生產(chǎn)的RQ型調(diào)速器是典型的兩極式調(diào)速器，該種調(diào)速器可起到防止超速和穩(wěn)定怠速的作用，而在最高轉(zhuǎn)速和怠速之間的其它任何轉(zhuǎn)速，調(diào)速器不起調(diào)速作用。
RQ型調(diào)速器對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)工，是通過(guò)一套杠桿系統(tǒng)把飛錘的位移轉(zhuǎn)變?yōu)楣┯土空{(diào)節(jié)齒桿的位移，以增減噴油泵的供油量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
圖1-7為R801調(diào)速器的工作原理簡(jiǎn)圖，圖1-8為飛錘結(jié)構(gòu)圖。該調(diào)速器采用特殊的凸輪機(jī)構(gòu)和浮動(dòng)桿的可變杠桿比（1.1～5.4）進(jìn)行調(diào)速，可獲得多種適應(yīng)特性。在調(diào)速器上部，裝有全負(fù)荷限位機(jī)構(gòu)，用于確定限位凸輪的位置。調(diào)整全負(fù)荷限位機(jī)構(gòu)，將使滑板左右移動(dòng)。擰出或擰進(jìn)接合螺栓，可調(diào)整限位凸輪上下移動(dòng)偏轉(zhuǎn)一微小角度，以此改變限位凸輪型線方程。操縱手柄和轉(zhuǎn)動(dòng)桿固定在操縱手柄軸上，轉(zhuǎn)動(dòng)桿帶動(dòng)導(dǎo)向軸，導(dǎo)向軸的一端沿凸輪盤(pán)中滑槽的型線作運(yùn)動(dòng)。其另一端帶有一滑塊，滑塊在圓柱形的浮動(dòng)桿內(nèi)上下移動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)可變杠桿比。如調(diào)節(jié)手柄轉(zhuǎn)到“怠速”位置時(shí)，浮動(dòng)臂不與限位凸輪接觸，此時(shí)限位凸輪不起作用。如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)定的轉(zhuǎn)速，則飛錘更張開(kāi)，使滑動(dòng)螺栓左移，B點(diǎn)繞A點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)浮動(dòng)桿繞C點(diǎn)按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，拉引調(diào)節(jié)齒桿向“怠速”位置移動(dòng)，而使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。如果怠速時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降，則會(huì)產(chǎn)生與上述相反的過(guò)程。

這是一種純機(jī)械的調(diào)速器，它是直接調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的，還有另一類機(jī)械式調(diào)速器，是通過(guò)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸入來(lái)設(shè)計(jì)速度輸出的。
如圖1-9所示的馬達(dá)和非圓齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如果沒(méi)有加設(shè)一對(duì)非圓齒輪，馬達(dá)提供給凸輪軸的是一個(gè)恒定的速度（理論上），加了非圓齒輪后，通過(guò)非圓齒輪節(jié)線的設(shè)計(jì)，為凸輪軸傳遞一個(gè)可變的速度輸入函數(shù)，從而產(chǎn)生所要求的速度輸出函數(shù)。

其它的平衡齒輪、平衡凸輪及加設(shè)彈簧等平衡機(jī)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外也有不同程度的探索。
然而，這些方法共同缺點(diǎn)是不具有柔性。因?yàn)檫@些平衡裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)一般不易進(jìn)行調(diào)整，因而不具柔性。當(dāng)機(jī)械自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)因受力磨損或受熱變形等原因而改變，或機(jī)械外部的運(yùn)行工況發(fā)生人為調(diào)整或不可預(yù)知的隨機(jī)變化時(shí)，平衡效果通常會(huì)降低。
§1.4柔性速度補(bǔ)償概念的提出和研究目的
1.4.1提出概念
綜上所述，傳統(tǒng)調(diào)速機(jī)構(gòu)對(duì)速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)有一些弱點(diǎn):
1.難以具備柔性輸出的能力。若要改變輸出軌跡或輸出運(yùn)動(dòng)規(guī)律，則必須修改執(zhí)行機(jī)構(gòu)的幾何尺寸甚至極構(gòu)的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，或者在輸入端加設(shè)非圓齒輪等機(jī)構(gòu)，這一般難以設(shè)計(jì)加工。
2.不能適應(yīng)自身參數(shù)或外部工況的變化。雖然通�？梢岳�用優(yōu)化技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)具有最佳化性能的機(jī)構(gòu)參數(shù)，但是制造與裝配誤差、工藝調(diào)整以及磨損等諸多因素，都可能導(dǎo)致機(jī)構(gòu)性能偏離其最佳狀態(tài)。
3.設(shè)計(jì)空問(wèn)受約束于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與構(gòu)件的受力條件。例如，雖然四桿機(jī)構(gòu)最為簡(jiǎn)單實(shí)用，但是仍有許多性能要求更高的場(chǎng)合不得不采用多桿機(jī)構(gòu)（如圖l-10所示的齒輪五桿機(jī)構(gòu)，圖中圓齒輪分別與桿l₂·l₅固連）。

本論文正是考慮上述傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)速機(jī)構(gòu)的不足，認(rèn)識(shí)到現(xiàn)代機(jī)器的柔性化發(fā)展趨勢(shì)和工業(yè)應(yīng)用實(shí)際狀況，提出具有適度柔性的速度補(bǔ)償這一概念，是在基于可調(diào)整機(jī)構(gòu)、混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器和變速輸入伺服系統(tǒng)等適度柔性機(jī)器基礎(chǔ)之上，交叉融合了他們的一些優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)后提出的。并試圖設(shè)計(jì)一種柔性速度補(bǔ)償裝置，通過(guò)對(duì)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的主動(dòng)控制，使得對(duì)機(jī)械系統(tǒng)速度波動(dòng)及其變化，能進(jìn)行實(shí)時(shí)柔性的速度補(bǔ)償，以改善平衡效果并增加機(jī)械的柔性。
1.4.2研究目的
試圖通過(guò)設(shè)計(jì)一種柔性速度補(bǔ)償裝置體現(xiàn)柔性速度補(bǔ)償?shù)睦砟詈驮O(shè)計(jì)方法，并驗(yàn)證柔性速度補(bǔ)償機(jī)器具有良好的速度補(bǔ)償效果，為其進(jìn)一步在工業(yè)應(yīng)用作理論研究。
§1.5課題應(yīng)用背景
本文的主要應(yīng)用對(duì)象是沖壓機(jī)械，研究的應(yīng)用目標(biāo)是以低成本獲得既具有一定限度的輸出柔性，又具有高可靠性、高速、高精度、低噪音等優(yōu)良品質(zhì)的精密沖壓機(jī)械。
金屬壓力機(jī)床在工業(yè)生產(chǎn)中占有很重要的地位，傳統(tǒng)的曲柄壓力機(jī)具有承載能力高，能量消耗少，能滿足高速大批量的生產(chǎn)要求。但是在現(xiàn)代制造業(yè)中對(duì)產(chǎn)品的更新?lián)Q代和產(chǎn)品的多樣化、個(gè)性化提出越來(lái)越多的要求，不同的產(chǎn)品和不同的工藝對(duì)沖頭的速度要求有較大的差異，傳統(tǒng)的曲柄壓力機(jī)是由普通電機(jī)和連桿或凸輪等單自由度變傳動(dòng)比執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其沖壓速度為剛性輸出，不能控制速度曲線，難以滿足現(xiàn)代產(chǎn)品的壓力加工的要求。本文的研究是以滿足現(xiàn)代壓力加工的新需求為目的，以新的設(shè)計(jì)理念和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為指導(dǎo)，采用先進(jìn)的伺服電機(jī)和控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出具有可控、節(jié)能、高速和精密等優(yōu)點(diǎn)的新型混合動(dòng)力伺服壓力機(jī)
近年來(lái)，為增加柔性和改善動(dòng)力性能，也隨著伺服電機(jī)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的提高以及模具市場(chǎng)的迅速擴(kuò)大，主要用于精密壓力加工工藝的伺服壓力機(jī)（Scrvo press）日益獲得重視。
1998年，美國(guó)KOMATSU首先開(kāi)發(fā)成功了HC300O型任意曲線交流伺服壓力機(jī)，公稱壓力為800kN；2001年，推出了H2F、H4F系列交流伺服壓力機(jī)，公稱壓力為2000～10000kN；2002年，推出了HIF系列，公稱壓力為350～2000kN。交流伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1-11所示。主要用于板材沖壓、也可用于精密鍛造，例如鎂合金板鍛造，由于采用了交流伺服電機(jī)、滾珠絲杠等新型部件，可以自由控制滑塊的運(yùn)動(dòng)模式。設(shè)備的主要特點(diǎn)如下：滑塊行程長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際需要自由調(diào)節(jié)，提高了生產(chǎn)效率；滑塊位置采用閉環(huán)控制技術(shù)，下死點(diǎn)位置精度可控制在±10μm以內(nèi)；可根據(jù)不同的沖壓、鍛造工藝，選擇經(jīng)過(guò)優(yōu)化的滑塊運(yùn)動(dòng)模式；由于傳動(dòng)鏈較短，減少了運(yùn)動(dòng)部件的數(shù)量，可顯著降低設(shè)備噪聲；與傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)相比，取消了離合器、制動(dòng)器、飛輪等部件，節(jié)能效果明顯，但是，也制約了該類設(shè)備在高能耗成形工藝中的應(yīng)用。

日本Muratec公司采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)改善轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床的工作性能等，如圖l-12，采用伺服馬達(dá)控制沖頭的工作方式實(shí)現(xiàn)了較同類機(jī)械高出150%的沖壓速度，同時(shí)通過(guò)對(duì)軸速度的最佳設(shè)定，抑制了振動(dòng)，大幅度降低了沖壓音量。

日本komatsu公司設(shè)計(jì)了一系列用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械壓力機(jī)H1F（見(jiàn)圖1-13）和H2F，并已推向市場(chǎng)。這一設(shè)計(jì)解廖了傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)不能控制的問(wèn)題，壓力機(jī)可根據(jù)不同的生產(chǎn)需要設(shè)定不同的行程長(zhǎng)度和速度；通過(guò)伺服壓力機(jī)標(biāo)配的線性光柵尺，能夠始終保證下死點(diǎn)的成形精度，可達(dá)到微米級(jí)，有效抑制了產(chǎn)品的毛刺及其他不合格品的出現(xiàn)；可超低速運(yùn)行；模具振動(dòng)小，大大提高了模具的使用壽命；但造價(jià)昂貴，能耗也大。

香港城市大學(xué)R.Du教授將混合動(dòng)力七桿機(jī)構(gòu)用于開(kāi)發(fā)一種伺服壓力機(jī)。還有一些設(shè)計(jì)人員于近期提出了新一代機(jī)械式可控金屬壓力機(jī)的設(shè)計(jì)，如圖l-14，該壓力機(jī)由一個(gè)恒速電機(jī)提供主要?jiǎng)恿�，一個(gè)伺服電機(jī)提供控制。主要特點(diǎn)可通過(guò)控制伺服電機(jī)改變沖錘的運(yùn)動(dòng)特性，以滿足不同的沖壓加工工藝。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，造價(jià)低廉，運(yùn)行能耗低等特點(diǎn)。

§1.6論文架構(gòu)
全文章節(jié)安排如下：
第一章為緒論，介紹論文的研究背景和所要解決的問(wèn)題，提出柔性速度補(bǔ)償概念和研究目標(biāo)及工業(yè)應(yīng)用對(duì)象；
第二章為方案設(shè)計(jì)，主要闡述柔性速度補(bǔ)償這一概念及設(shè)計(jì)方法和流程。并設(shè)計(jì)一種柔性速度補(bǔ)償裝置的，做機(jī)構(gòu)選型的工作；第三章為運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)選擇出來(lái)的二自由度連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行兩種輸入情況下的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；
第四章為動(dòng)力學(xué)仿真，通過(guò)Adams仿真軟件的幫助，給定兩種工況，分兩階段對(duì)該裝置進(jìn)行單、兩輸入情況下的速度補(bǔ)償仿真，驗(yàn)證該裝置的補(bǔ)償效果；
第五章為實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)該裝置的整體試驗(yàn)方案；
第六章為總結(jié)與展望，總結(jié)全文，指出工作重點(diǎn)和存在的缺點(diǎn)，提出新的目標(biāo)。
§1.7本章小節(jié)
本章深入分析本文的理論背景——適度柔性機(jī)器的設(shè)計(jì)理論及其研究狀況，總結(jié)國(guó)內(nèi)、外研究速度波動(dòng)調(diào)節(jié)的研究情況，歸納傳統(tǒng)調(diào)速機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)之上提出了柔性速度補(bǔ)償?shù)母拍�，將適度柔性機(jī)器原理應(yīng)用到設(shè)計(jì)當(dāng)中，以利用該類機(jī)器良好的性能，提高速度補(bǔ)償效果，并增加機(jī)械的柔性。
文章最后分析本文的主要應(yīng)用對(duì)象——沖壓機(jī)械的發(fā)展?fàn)顩r，并闡述了本論文的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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