凸輪機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與運動仿真論文.docx

1第1章緒論1.1機構(gòu)學(xué)的現(xiàn)狀與發(fā)展1.1.1機構(gòu)學(xué)的概況機構(gòu)學(xué)是以運動幾何學(xué)和力學(xué)為主要理論基礎(chǔ)，以數(shù)學(xué)分析為主要手段，對各類機構(gòu)進行運動和動力分析與綜合的學(xué)科。機構(gòu)學(xué)為創(chuàng)造新的機器和進行機械發(fā)明與改革提供正確有效的理論和方法，以設(shè)計出更經(jīng)濟合理、更先進的機械設(shè)備，來滿足生產(chǎn)發(fā)展和人們生活的需求。機構(gòu)學(xué)的發(fā)展將直接影響到機械工業(yè)各類產(chǎn)品的工作性能以及許多行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的機械化和自動化程度。機構(gòu)學(xué)作為機械工程技術(shù)科學(xué)中的一門主要基礎(chǔ)學(xué)科，近年來由于機電一體化高技術(shù)科學(xué)特別是工業(yè)機器人與特種機器人的發(fā)展對機構(gòu)學(xué)理論和技術(shù)上的要求，使機構(gòu)學(xué)學(xué)科達到了一個嶄新的階段。在國際學(xué)術(shù)討論會上，各國科學(xué)家一致認為它有如旭日東升，正顯出其無比強大的生命力。機構(gòu)學(xué)一方面由簡單的運動分析與綜合向復(fù)雜的運動分析與綜合方面發(fā)展，另一方面也由機構(gòu)運動學(xué)向機構(gòu)動力分析與綜合方向發(fā)展，研究機構(gòu)系統(tǒng)的合理組成的方法及其判據(jù)，分析研究機器在傳遞運動、力和做功過程中出現(xiàn)的各種問題。機構(gòu)精度問題也相應(yīng)地由靜態(tài)分析走向動態(tài)分析。機構(gòu)聯(lián)結(jié)件的間隙在高速運轉(zhuǎn)時有不容忽視的影響，因而需要研究機構(gòu)間間隙、摩擦、潤滑與沖擊引起的機構(gòu)變形、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)下的動態(tài)響應(yīng)和過渡過程問題。在慣性力作用下，由于機構(gòu)上剛度薄弱環(huán)節(jié)的彈性變形，由此研究以振動理論多自由度模態(tài)化、線性與非線性、隨機的功率譜與載荷譜等為分析手段和方法而形成的運動彈性動力學(xué)問題，以及視整個機構(gòu)系統(tǒng)為柔性的多柔體系統(tǒng)動力學(xué)和逆動力學(xué)分析、綜合及控制問題。它是把整個機構(gòu)看成是由多剛體組成的多剛體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)及自動控制等學(xué)科發(fā)展的交叉邊緣學(xué)科。由多種、多個構(gòu)件組成的機構(gòu)稱為組合機構(gòu)。組合機構(gòu)與機構(gòu)系統(tǒng)組成理論的發(fā)展使機構(gòu)學(xué)已成為重型、精密及各種復(fù)合機械和智能機械、仿生機械、機器人等高技術(shù)科學(xué)的設(shè)計基礎(chǔ)理論學(xué)科。1.1.2機構(gòu)學(xué)的現(xiàn)狀（1）平面與空間連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)理論研究研究機構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元及機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)特征，如主動副存在準(zhǔn)則、活動度類型及其判定、拓撲結(jié)構(gòu)的同構(gòu)判定、消極子運動鏈判定等。研究滿足拓撲結(jié)構(gòu)要求2的機構(gòu)結(jié)構(gòu)類型綜合及其自動生成。研究機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的方法學(xué)和結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)選。（2）典型機構(gòu)的運動分析與綜合研究連桿機構(gòu)運動分析新方法的研究，如單開鏈法、區(qū)間分析法、網(wǎng)絡(luò)分析法和吳文俊消元法等。在連桿機構(gòu)綜合中提出了解析法與優(yōu)化法相結(jié)合的機構(gòu)尺度綜合法、機構(gòu)裝配構(gòu)形與尺度綜合的同倫方法、機構(gòu)尺度類型及其性能關(guān)系的圖譜法等。給出了空間7R機構(gòu)位移方程式的完美形式(16次方程)。采用數(shù)值化圖譜替代傳統(tǒng)的連桿曲線圖譜實現(xiàn)機構(gòu)綜合。凸輪機構(gòu)分析與綜合的研究也日益深化。擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題已有較好結(jié)果，擺動從動件圓柱凸輪機構(gòu)凸輪曲面的設(shè)計方法也有不少進展。此外，高速分度機構(gòu)的設(shè)計和各種組合機構(gòu)的設(shè)計方法均有不少研究成果。（3）機構(gòu)動力學(xué)問題的研究隨著機器向高速、高精度、高自動化方向發(fā)展，機構(gòu)動力學(xué)研究的內(nèi)容越來越廣泛。凸輪機構(gòu)動力學(xué)深入研究，從動件運動規(guī)律選擇、動力學(xué)模型建立、動力響應(yīng)求解和動力綜合方法等研究均有不少成果。平面與空間連桿機構(gòu)振動力的完全平衡方法和振動力與振動力矩完全平衡方法在理論上已有較好的解決。考慮構(gòu)件彈性的彈性連桿機構(gòu)動力分析與綜合的研究已越來越深入，考慮運動副間隙的連桿機構(gòu)動力分析及運動穩(wěn)定性研究取得進展，同時考慮構(gòu)件彈性和運動副間隙甚至彈流狀態(tài)的動力分析已有初步研究成果。包含變質(zhì)量構(gòu)件機構(gòu)的動力學(xué)也已引起關(guān)注并有初步研究。1.1.3機構(gòu)學(xué)的趨勢計算機輔助設(shè)計使機構(gòu)學(xué)發(fā)展到一個新的階段，它把機構(gòu)設(shè)計理論、方法和參數(shù)選取等設(shè)計者的智慧與計算機系統(tǒng)所具有的強大邏輯推理、分析判斷、數(shù)據(jù)處理、運算速度、二維、三維圖形顯示等功能結(jié)合起來，可以用人機對話方式，簡便、直觀、快速、最優(yōu)地完成設(shè)計工作，日益成為現(xiàn)代機構(gòu)設(shè)計的主要手段。國外已創(chuàng)立多種平面和空間機構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)分析與綜合的通用程序庫和軟件包，例如DRAM（用于平面機構(gòu)動力分析，可自動構(gòu)成微分方程，輸出圖像）、IMP、ADAMS、KINSYN、LINKAGES等，其中有些軟件已商品化。有的軟件包已達到十分完備的程度，包括了運動李分析、動力學(xué)分析、彈性變形計算、動力學(xué)性能評價及模型化仿真等程序，并對三種驅(qū)動方式(電、液、氣)的機構(gòu)系3統(tǒng)均可通用。有的軟件包在進行開式鏈工業(yè)機器人運動學(xué)及動力學(xué)研究時，應(yīng)用矩陣的齊次變換自動建立符號形式的運動方程，大大減少了計算時間。進入八十年代后，計算機圖象顯示技術(shù)已實用化，如聯(lián)邦德國、美國等已能將所設(shè)計的局部機構(gòu)三向視圖數(shù)據(jù)輸入計算機后，顯示出它在整個運動循環(huán)中各個側(cè)面，以觀察機構(gòu)各構(gòu)件在實際運行中空間動作情況，對機構(gòu)設(shè)計進行直觀形象的判斷。在機構(gòu)型綜合方面，利用圖論原理，把機構(gòu)轉(zhuǎn)化為矩陣符號標(biāo)志，利用計算機識別方法，進行機構(gòu)分類與選型。利用機構(gòu)結(jié)構(gòu)的鍵圖方法，確定機構(gòu)自由度和冗余度。研究空間機構(gòu)的拓撲特性、結(jié)構(gòu)分析和運動鏈的自動生成，由計算機自動進行機構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)的分析與綜合，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。近二十年來，由于電子計算機的應(yīng)用，空間機構(gòu)在工程中的實際應(yīng)用正在逐漸推廣(如衣業(yè)機械、縫紉機、機器人、自動行走機仿生機械、擺盤式發(fā)動機、飛機起落架等)?？臻g機構(gòu)的研究是世界各國機構(gòu)學(xué)專家們極感興趣的課題，涌現(xiàn)出多種研究方法，如矢量法、張量法、旋量法、方向余弦矩陣法、球面三角法等，各種方法自成體系，又互相滲透補充。到八十年代空間機構(gòu)的運動分析基本上已成熟，但是主要局限于研究只含有轉(zhuǎn)動副、移動副、圓柱副和球面副的機構(gòu)，對包括螺旋副及其它類型空間副的機構(gòu)還較少涉及。復(fù)數(shù)法僅用作空間鉸鏈四桿機構(gòu)的運動分析，但用一般空間機構(gòu)尚不多見。近年來有學(xué)者對空間機構(gòu)探索進行平面模擬，以合理利用運動副結(jié)構(gòu)。對于空間機構(gòu)位移函數(shù)的多值性與分支問題，以及空間機構(gòu)的奇異位形問題等還需深入研究。在有限位置的機構(gòu)綜合方面，把位移矩陣與幾何約束條件相結(jié)合，可使剛體導(dǎo)引、函數(shù)再現(xiàn)與軌跡再現(xiàn)等設(shè)計問題已能用統(tǒng)一方法來處理。在運動兒何學(xué)的基礎(chǔ)上，把經(jīng)典的布氏理論推廣應(yīng)用于空間機構(gòu)，解決了某些機械手的分析與設(shè)計問題。近年來，若干學(xué)者已開始研究空間機構(gòu)的優(yōu)化綜合?？臻g連桿曲線及包絡(luò)曲線的微分幾何特性還需要作進一步深入分析?？臻g機構(gòu)動力學(xué)方面，機構(gòu)的力分析和機構(gòu)的平衡研究近年來發(fā)展很快，漸趨成熟。由于智能機械的發(fā)展，在機構(gòu)學(xué)基本理論上近年來逐漸擴展到多自由度系統(tǒng)，如多自由度、多環(huán)路機構(gòu)的組成原理和型、數(shù)綜合，多自由度運動鏈與運動圖型間的運動幾何學(xué)、多自由度機構(gòu)中線包絡(luò)的瞬時運動學(xué)、多剛體機械系統(tǒng)動力學(xué)、多柔體機械系統(tǒng)動力學(xué)及逆動力學(xué)高精度控制，多自由度機構(gòu)運動學(xué)、4動力學(xué)精度分析與綜合等。為設(shè)計滿足任意工藝要求的、任意復(fù)雜高級組空間機構(gòu)（如：機器人、操作器、經(jīng)濟型工業(yè)機器人），己做出多種高級組空間機構(gòu)組合模塊綜合的軟件，這種銀據(jù)工廠企業(yè)的訂貨工藝要求進行專用機器人或裝備機構(gòu)設(shè)計，是當(dāng)今多自由度空間機構(gòu)的幣要發(fā)展趨勢。并聯(lián)多桿式機器人操作器具有高定位精度、高承載能力和較高剛度的優(yōu)點。其平臺若與開式鏈操作器相連，則又會具有運動靈活的優(yōu)點。近年來，對并聯(lián)多環(huán)多自由度系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)、精度分析和綜合的研究也形成一門熱門課題。多自由度空間機構(gòu)桿件參數(shù)（質(zhì)量、質(zhì)量中心和慣量）識別對動態(tài)、精密、實時控制桿件是很重要的。近年來，對含有閉鏈的開式空間連桿機構(gòu)的動力學(xué)模型參數(shù)作了成功的研究雖然動力學(xué)方程均是非線性的，在改進的NewtonEuler方程中桿件參數(shù)出現(xiàn)為線性的，使計算量減少到最低程度。多柔性體機械系統(tǒng)動力學(xué)研究主要有以下幾個方面：(a)創(chuàng)造簡明的分析方法(運動量精確而簡明的表達方式，動力學(xué)控制方程與簡化)；(b)機構(gòu)結(jié)構(gòu)幾何和材料非線性問題；(c)機構(gòu)間隙、碰撞、伸展及收縮的動力學(xué)及其控制；(d)彈性體模態(tài)的分析與綜合，動力學(xué)參數(shù)識別與測量；(e)動力學(xué)逆問題，結(jié)構(gòu)控制、系統(tǒng)控制及其穩(wěn)定性問題研究；(f)柔性、晃動、姿態(tài)、運動軌道多因素相互禍合的問題；(g)柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)大型通用程序研究，計算機模擬、仿真和專家系統(tǒng)。由于機電一體化的發(fā)展，智能機構(gòu)、生物醫(yī)學(xué)工程、仿生機械、航天機械等各方面都向多體機構(gòu)精度綜合與分析提出了迫切的高要求。通過誤差分析，可以在設(shè)計階段對設(shè)計技術(shù)條件等進行檢驗，并進行多方案的比較，或為合理使用機構(gòu)提供必要的依據(jù)。誤差綜合，即精度設(shè)計或分