连杆混合驱动机构设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 连杆混合驱动机构设计 n 科 :机械 电子 工程 专业 :机械设计 制造及其自动化 姓名 赵冬华 导师 :金洙龙 教授 日期 :2010 年 5 月 论文题目 : 连杆混合驱动机构设计 论文摘要 柔性自动化机械系统虽然有许多优点，但投资大、控制难、维护费用高 ;传统的机械系统虽然具有很高的承载能力，能很好地满足高速大批量生产的要求， 但最大的不足是系统缺乏柔性。而混合驱动机构系统同时采用实时不可控电机 (主电机 )和实时可控电机 (伺服电机 )作为其动力源，两种类型的输入运动通 过一个多自由度闭环机构合成后产生所需要的输出运动，因而大大地改善了传动机械系统的性能，在包装、食品、纺织、锻压等自动机械中，具有广泛的应用前 棍合驱动机构中结构最为简单的典型机构是两自由度五杆机构，本文的研究 对象是一含有螺旋副的两自由度五杆机构。目前，对混合驱动机构的研究主要为 机构可动性与型综合方面，对辅助运动控制性能研究则关注较少。有些针对辅助 运动控制的研究，主要还停留在简单的功能实现上，重点是辅助运动控制的可行 性研究，对系统的控制输出精度研 究则考虑较少，表现为未能很好地采用较先进 而且合适的控制系统和控制算法。因此，针对这些问题，本文在辅助运动控制及 性能方面开展了比较深入的研究。由于本系统采用全数字交流伺服随动控制系 统，要求对电机转角实时调整，并有较快的跟踪速度和较高的跟踪精度，故对控 制系统和控制方法都有较高要求。经过仔细地调查比较，最后确定采用最少拍无 波纹半闭环控制系统，获得到了较好的效果。， 在混合驱动连杆机构研究中，原有构件均采用金属材料制成，因为金属材料 强度高、价格低廉，易于制造。但金属材料比重大，快速运动时会产生较 大惯性 力与惯性力矩，尤其是在混合驱动连杆机构中，大多数构件的质心是作变速运动， 产生的动载荷又难以完全平衡和消除，因而所需辅助电机功率就偏大，一般会达 到主电机功率的 30%以上，对辅助电机控制不利。因此，有必要寻找办法来克 服混合驱动连杆机构中金属构杆惯性大的缺陷，降低负载，更好地满足给定曲线 输出运动要求。为此，本文分别采用金属、尼龙棒、酚醛棉布模压棒以及三维编 织复合材料制作机构中最长的连杆构轻质材料对于优化系统控制性能的影响。结 果表明，轻质的尼龙棒和层合复合材料 酚醛棉布模压棒有助于提高系统控制性 能 ;而三维编织复合材料由于固化工艺限制，尺寸和刚性均暂时无法满足工业使用。 为了提高系统的性能，在研究过程中时刻遵循可靠性设计的理念。在元器件 选择时，采用精度高、可靠性好的元件，如机构中的螺旋副，采用精密滚珠丝杠。 在电路设计时，采用了抗干扰、提高可靠性的措施，并委托专业厂家将设计的电 路制成 。这些都为系统整体的良好表现打下了基础。 文章最后针对改进之前系统得到的实验数据，进行了详尽的统计学分析。通 过对实验结果误差数据的采集、系统误差判别以及多元线性回归分析，揭示了误 差的影响 因素，得到了一些有益的结论。 混合驱动机构的设计包括运动设计、动力设计和控制设计三个方面。一方面 ,这些设计相互影响和关联 ,具有非常强的耦合关系。另一方面 ,各个设计方面的设计准则、设计目标买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 却有所差别。串行设计是先进行机构的运动设计、动力设计 ,最后再进行控制设计。并行设计是将机构的运动设计、动力设计和控制设计一并考虑进行设计。对于混合驱动平面五杆机构 ,分别采用串行设计和并行设计等不同的设计策略 ,尽管设计所采用的优化方法都是微分进化方法 ,但是设计结果却有所不同。串行设计可以达到较高的机构运动要求 ,但控制系统的设计 比较困难 ,而且控制效果不好。并行设计得到的设计结果是机构的运动控制效果得以改善 ,但是设计的数学模型变得复杂 ,机构的运动精度有所下降。 赵冬华 (机械设计 制造及其自动化 ) 导师 :朱金龙 教授 关键词 :混合驱动连杆机构、辅助运动、最少拍无波纹 控制、检验 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 n it is By of it in is is in as on on on is in is C no is to to of It be to In 一 is as of We to of in We to 3-D t be in of of is In of we of is by is to to a an to to he of a On of to On in as In is in of . 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 o in 文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 目录 第一章绪论 .” . 合驱动连杆机构概述 .杆机构 概 述 . . 题研究 意义 . . . 14 题研究的内容和实现目标 .二章混合驱动连杆机构 . . . 20 合驱动连杆机构组成 . .合驱动连杆机构运动分析 . . .三章数字交流伺服随动控制系统 . 29 流伺服系统的发展 . .制系统类型选择 .制方法选择， .少拍无波纹半闭环控制系统的设计与仿真比较 . .少拍无波纹半闭环控制的算法实现 . .序设计中几个重要问题 .四章硬件系统及抗干扰拾施 . . . .件系统 . . . . .干扰措施 . . . .作 . . . . 五 章全文总结及展望 . . . . .文总结 . . . . . 86 5,2 展望 . . .谢 . .录 . .文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 第一章绪论 1 1 混合驱动连杆机构概述 柔性自动化机械系统虽然有许多优点，但投资大、控制难、维护费用高 ;传 统的机械系统虽然具有很高的承载能力，能很好地满足高速大批量生产的要求， 但最大的不足是系统缺乏柔性，哪怕是对机械输出运动方式稍加改变就需对该机 械机构的形式或尺寸进行改变，而这种改变通常很困难。 合驱动连杆机构 连杆机构广泛地应用于农业、纺织、重型机械、冶金、精密机械等行业中。 连杆机构具有很多优点 :承载能力强 ;加工制造方便 ;通过改变杆长相 对关系即 可实现不同运动规律。但是连杆机构无法精确实现运动规律。凸轮机构的优点在 于 :只要适当设计出凸轮廓线，即可实现给定运动规律，而且机构简单紧凑。但 是凸轮机构易磨损，不具备通用性，制造成本较高。混合驱动连杆机构则综合了 连杆机构和凸轮机构的优势，不仅加工方便，承载强，而且具备了精确的输出运 动。 本章节主要介绍课题的实验台、设计目标，并通过 行了混合驱 动连杆机构的运动学分析，计算出由辅助电机控制的杆长变化规律，从而使混合 驱动连杆机构实现给定输出规律。 混合驱动连杆机构组成 棍合驱动机构是一个多自由度机构，同时采用实时不可控电机 (常规电机 ) 和实时可控电机 (伺服电机 )作为其动力源。典型的混合驱动曲柄连杆机构如图 2示。由图可知，该机构是两自由度机构。主电机驱动 以固定运动规 律 (通常为匀速 )转动，辅助电机则通过螺旋副将往复转动变为滑块移动并以适 当规律改变杆长 l，即可使杆 输出运动能准确实现给定运动规律。 本课题所研究的混合驱动连杆机构即根据图 2机构原型设计加工而成， 各尺寸如下 :a=40 b = 390.2 d=400 e = 69.4 = 课题所用实验台的系统结构如图 2示。 其中，主电机 1 带有无级变速器驱动，经过小带轮 2 和皮带传动大带轮 3 减速，驱动主轴 4 及曲柄 5。曲柄 5(即杆 a)采用偏心盘形式，通过主轴侧销 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 轴 6 带动连杆 7(即杆 b)，再由副轴侧销轴 8 带动连杆 9(即 e 杆 )，而 9 杆与 10 杆 (即杆 l)为螺旋副连接， 10 杆为滚珠丝杠，与辅助电机 11 的轴固结 ;辅 助电机的外壳为法兰式的，其法兰盘与托架 12 连接，托架与从动轴 13 通过键固 结，且轴的另一端可外加负载 15。主轴的一侧装有光电 脉冲发生器 14a 轴 13 即为输出轴，通过辅助电机调整 l 杆长度的实时变化，使轴 13 的输出 运动实现给定运动规律。轴 13 末端装有电位计，通过测量电位计的电阻变化， 外接一个绘图仪将其转换并记录为转角输出曲线。 系统主要硬件构成如下 : 上海新沪电机厂生产的 瓦三相异步电动机一台。 松下 流伺服电动机一台。 额定转矩 :型号 :定功率 :750W; m;额定转速 :3000r1/高转速 : 驱动器型号 :机自带增量式编码器，分辨率为 2500P/电编码器一个。型号 :辨率 :600 大响应频率 :200驱动方式 :集电极输出 ;最高转速 :5000r/96 仿真器及 户系统一套。自带操作软件 套。 给定输出曲线 为了便于进行实验效果对比，本文选取了与论文 24和论文 25相同的输出 曲线。 目前，生产实践中大量需求的机械系统不仅要高精度、大负载地高速运转， 而且要能够满足使用场合的柔性要求，造价又较低。这种既能以较高的速度、高 精度、甚至高负载地运转，又能提供一定范围的柔性的多自由度闭环机构被称为 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 “混合驱动机械系统”或称“混合驱动机构” (图 11。该系统同时采用实时 不可控电机 (主电机 )和实时可控电机 (伺 服电机 )作为其动力源，不可控电机为系统 提供主要的动力，可控电机起运动调节作用。 两种类型的输入运动通过一个多自由度闭环 机构合 成后产生所需要的输出运动。因而混 合驱动方式大大地改善了传动机械系统的性 负载 能，在包装、食品、纺织、锻压等自动机械中， 图 1自由度混合驱动 机械系统 具有广泛的应用前景。 采用不同的混合驱动机械系统结构方案可以产生不同的运动规律。如用差速 器作为运动合成机构，驱动一个曲柄滑块机构可实现变规律的往复运动 z。如果 用两自由度七杆机构作为混合驱动机构可以产生成组的转动输出 30 混合驱动机 构中结构最为简单的典型机构是两自由度五杆机构。 混合驱动系统的研究 是从 90 年代初开始。由英国学者 次提出 概念 4。目前，有关两自由度混合驱动五杆机构的理论研究以其运动 可动性条件研究较多。 廖汉元 5和李佳 6研究了两自由度机构的运动可动性条件，还研究了两自由 度五杆机构的曲柄存在条件 7。张新华 8、方益奇 9, 10廖汉元 11、李保生 12 方新国 13等学者研究了两自由度混合驱动机构的型综合，即通过排列搭配构件 和运动副组成机构来实现机构的创新设计。 415, 16. 17. 18研究了平面闭 链机构的运动可动性原理。周双林 19和方新国 20对混合驱动五杆机构的完全分 类进行了研究。程光蕴 21研究了两自由度连杆机构精确实现平面轨迹，白海英 22 研究了再现圆弧轨迹的两自由度五杆机构优化设计。 关于混合驱动连杆机构辅助运动控制及性能研究，国内外较少。高馨 23对 混合驱动连杆机构辅助运动机构作了初步的研究 :她针对典型的曲柄连杆机构进 行逼近设计， 过采用区域灵敏度方法，确 定出机构辅助运动的调整环节合适设置位置和调 节参数。该文还提出三种设计模 型，给出了相应辅助运动调整环节的控制规律。沈玉娟 24以混合驱动曲柄摇杆 机构准确实现给定运动规律为例，阐述了该机构辅助运动的结构与控制方法的实 现。她选取电控方式，采用 现了辅助运动数字交流伺服电机的控制。同 时，该文还提出了一种新的动力学分析方法，并设计、加工、调试相应实验台， 进行了实验验证。刘素平 25采用单片机控制数字交流伺服电机的方式来控制辅 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 助运动，实现给定曲线的输出。同时，该文对多输入多输出下的混合驱动连杆机 构进行动力学分析，导出了其一般方程式。 目前对于棍合驱动连杆机构辅助运动控制的研究主要是还停留在简单的功 能实现上，重点讨论的是辅助运动控制的可行性，而对于系统的控制输出精度考 虑较少，表现为未能很好地采用较先进而合适的控制系统和控制算法，因而所研 究的棍合驱动连杆机构的实际输出运动规律的精度不尽如人意，存在的误差较 大。 杆的叙述 连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。例如在往复活塞式动力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套 或滚针轴承，供装入轴销而构成铰接。 连杆是汽车发动机中的重要零件，它连接着活塞和曲轴，其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。 连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。 连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。 传统连杆加工工艺中其材料 一般采用 45 钢、 40 r 或 40调质钢，但现在国外所广泛采用的先进连杆裂解（ 加工技术要求其脆性较大，硬度更高，因此，以德国汽车企业生产的新型连杆材料如 碳微合金非调质钢、 列锻钢、 53钢等 (以上均为德国 准 )。合金钢虽具有很高强度，担对应力集中很敏感。所以，在连杆外形、过度圆角等方面需严格要求，还应注意表面加工质量以提高疲劳强度，否则高强度合金钢的应用并不能达到预期果。 驱动 用动力推动 ;带动 ;发动 1。 2. 1 空间连杆机构 若干刚性构件通过低副（转动副、移动副）联接，而各构件上各点的运动平面相互不平行的机构，又称空间低副机构。在空间连杆机构中，与机架相连的构件常相对固定的轴线转动、移动，或作又转又移的运动，也可绕某定点作复杂转动；其余不与机架相连的连杆则一般作复杂的空间运动。利用空间连杆机构可将一轴的转动转变为任意轴的转动或任意方向的移动，也可将某方向的移动转变为任意轴的转动，还可实现刚体的某种空间移位或使连杆上某点轨迹近似于某空间 曲线。与平面连杆机构相比，空间连杆机构常有结构紧凑、运动多样、工作灵活可靠等特点，但设计困难，制造较复杂。空间连杆机构常应用于农业机械、轻工机械、纺织机械、交通运输机械、机床、工业机器人、假肢和飞机起落架中。 空间连杆机构常指单自由度空间闭链机构 ,但是随着工业机器人和假肢技术的发展 ,多自由度空间开链机构也有不少用途。单自由度单环平面连杆机构只含 4 个转动副 ,而单自由度单环空间连杆机构所含转动副应为 7 个 ,此即空间七杆机构。空间连杆机构中采用多自由度的运动副如球面副或圆柱副时，所含构件数即可减少而形成简单稳定 的空间四杆机构或三杆机构。为了表明空间连杆机构的组成类型 ,常用 R、P、 C、 S、 H 分别表示转动副、移动副、圆柱副、球面副、螺旋副。一般空间连杆买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 机构从与机架相连的运动副开始，依次用其中的一些符号来表示。常用空间四杆机构的组成类型有 构这些机构因含有两个球面副 ,结构比较简单，但绕两球心连线自由转动的局部自由度影响高速性能。所有转动副轴线汇交一点的球面四杆机构 ,也是一种应用较广的空间连杆机构，如万向联轴节机构。此外，还有某些特殊空间连杆机构，如贝内特机构，其运动副轴线夹角和构件尺度要求满足某些特殊关系。 运动分析和综合 空间连杆机构的分析综合均较平面连杆机构复杂困难，这在很大程度上影响空间连杆机构的推广应用。研究空间连杆机构的方法有以画法几何为基础的图解法和运用向量、对偶数、矩阵和张量等数学工具的解析法。图解法有一定的局限性，应用较多的是便于电子计算机运算的解析法。空间连杆机构分析中重要而又困难的问题是位移分析。对多于 4 杆的空间连杆机构，由输入求输出位移时因中间运动变量不易避开或消去，一般要用数值迭代法联解多个非线性方程式或求解高次代数方程式。对最难进行位移分析的空间 7R 机构，由输入求输出位移的代数方程式高达 32 次。对空间连杆机构进行运动综合的基本问题是： 当主动件运动规律一定时，要求连架从动件能按若干对应位置或近似按某函数关系运动； 要求连杆能按若干空间位置姿态运动而实现空间刚体的导引； 要求连杆上某点能近似沿给定空间曲线运动。由于这些问题和平面连杆机构的综合问题相仿，所以平面的巴默斯特尔理论可解析地推广于空间刚体的导引问题和其他运动综合问题。此外尚有利用机构封闭性等同条件建立设计方程式和采用优化技术等综合方法。 1 2： 平面连杆机构 平面连杆机构是由若干个刚性 构件用平面低副连接构成的机构 ,广泛应用于各种机械设备中。煤矿井下工作面的主要支护设备如 :掩护式液压支架、支承掩护式液压支架和中位放顶煤液压支架的结构都是用前、后连杆、掩护梁和底座相连接 ,加上顶梁和立柱等 ,构成一个平面连杆机构的。图 1 和图 2 所示为两种常用液压支架结一、构液图压。支架对平面连杆机构的要求液压支架实际受力状态非常复杂 ,经常受到非对称载荷的功能 ,保持支架横向稳定性和整体刚性十分重要。支架立柱为二力构件 ,不具有承受较大横向载荷的能力。支架的横向载荷只能靠四连杆机构承受。双纽线机构又称支架四连杆机构 ,是 液压支架的主要稳定机构 ,其主要功能是保证支架的纵向和横向稳定性 ,承受和传递外载 ,保持支架的整体刚度。基于上述因素 ,液压支架对平面连杆机构的要求是 :(1)顶梁端点的运动轨迹近似为直线 ,一般选择双扭线型 ,以防煤片帮 ;(2)支架的最大和最小高度之差称为调高范围 ,调高范围应符合规定要求 ;(3)顶梁端距变化 70100好控制在 30504)为保持支架梁端距的稳定 ,一般应控制梁端摆动幅度 30805)四连杆机构的瞬时变化中心 O 应尽量接近顶梁平面 ,使掩护梁瞬时运 . 平面连杆机构定义： 由若干构件通过低副（铰链或滑道）连接而成的机构。因构件形买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 状多呈杆状，所以称连杆机构。 平面连杆机构的特点：（ 1）能够进行多种运动形式的转换；（ 2）构件之间连接处是面接触，单位面积上的压力较小，磨损较慢，可以承受较大载荷；（ 3）两构件接触表面是圆柱面或平面，制造容易；（ 4）连接处的间隙造成的积累误差较大；（ 5）连杆机构运动时产生惯性力，不适用于高速场合。 平面连杆机构的应用：各种机器和仪器中，例如金属加工机床、起重运输机械、采矿机械、农业机械、交通运输机械和仪表等 题研究意义 前言世纪 年代以来，全球性的石油危机以及大气污染使汽车的节能与环保性能日益得到重视。特别对于汽车密集、交通拥挤的大城市而言，汽车频繁起停造成的内燃机变工况（特别是加速、低速、怠速）运行是造成尾气排放严重、耗油率高的主要原因之一。 混合动力驱动是今后改善这一现状发展的方向之一 在传统机械中，其传动结构都是固定的，即设计制造后其运动规律就无法再 改变，这种情况现在仍然相当普遍。然而，知识经济时代的到来使得提高生产力 的速度日渐加快，而且市场中的消费行为趋于个性化，对产品的升级、转型的速 度要求也 越来越高。在这样的背景下，生产需求由少品种、大批量转变为多品种、 小批量，传统机构因而越来越难以适应市场需求。 混合驱动机构又称为变结构机构，不是传统意义上的机构，而是一种广义机 构。它是通过单片机或 辅助电机进行驱动控制，配合主驱动共同作用实 现设计要求。与传统机构相比，其优点在于 :零部件不必频繁变换，维护费用降 低 ;对于设计要求的变化，重新编程比更换零件方便、快捷 ;机电一体化的控制 方式可以更快速地响应市场需求的变化。 由于连杆机构具有较为普遍的适用性， 本文研究主要针对混合驱动连杆机构 进行设计。为了检验动载荷对系统的影响并检验三维复合材料应用于构件的可行 性，本文还将采用金属、尼龙棒、胶木棒和三维编织复合材料制作四套系统进行 一比较研究。考虑到机构赓性量大小对于辅助电机驱动功率的影响，本文将这四种 一材料进行对比实验，验证轻质材料对于提高系统控制效果的益处。而三维复合材料目前应用基本上是作为结构件，很少作为运动件。本文将研究三维复合材料作 为运动件的可行性，为后续的相关研究打下初步基础。同时，针对目前对混合驱 动连杆机构辅助运动控制方法 与控制性能研究关注不够现状，本文将对现有的混 合驱动机构的控制系统进行改进，提高控制系统性能及运动控制精度。 总之，该课题的研究成果将为新型机械的研究提供坚实的基础，为加速我国 机械的产业升级、加快现代化机械研制做出一定贡献 ;并且，该课题研究中结合 新型复合材料技术，体现机械与纺织材料学科交叉，这是本课题研究的一大特点。 题研究的内容和实现目标 本课题的研究内容和目标主要包括以下几个方面 : 其一，进行混合驱动机构的系统协调控制研究。完成相应硬件系统的设计配 置 ;进行控制系统仿真，并完成软件开发。 其二，针对不同材料制作的连杆机构，进行实验对比研究，考察轻质材料对 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 于系统控制性能的影响。 其三，完成实验台的设计制作，使其满足给定输出要求，对采用不同构件的 系统进行对比实验。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 参考文献 (1)张新华，张策，田汉民。混合驱动机械系统建模的理论依据 技术， 2001 (6 ) : 8572) L. 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