（机械设计及理论专业论文）具有复合材料构件的混合驱动连杆机构控制及性能研究.pdf

东华大学硕士学位论文机械0 l 硕吕继超指导教师：王生泽 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 2 东华大学硕士学位论文机械叭硕吕继超指导教师：王生泽 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密嘣 v 学位论文作者签名勘击超 曰期：力口年；月；日 指导教师签名 日期： 垆夕月乒日 糸华大学硕士学位论文机械0 1 硕吕继超指导敦师：王生泽 论文摘要 论文题目：县查复盒挝! 翌抱鲑笪暹金翌动逵盘扭塑控剑盈蛙髭硒窒 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 景。 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，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，敌对控 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3 0 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件，通过四套系统进行对比实验研究，检验 4 东华大学硕士学位论文 机械0 l 硕吕继超指导教师：王生泽 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p c b 板。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。 吕继超( 机械设计及理论) 导师：王生泽教授 关键词：混合驱动连杆机构、辅助运动、复合材料、最少拍无波纹 控制、统计学分析 二! ! ! 丛生堡主兰垡堡茎 塑堕! ! 堡星竺塑塑量墼堕! 三生堡 a b s t r a c t t o p i c ：r e s e a r c ho n t h e c o n t r o l l i n ga n d p e r f o r m a n c eo f h y b r i d - d r i v e l i n k a g em e c h a n i s m w i t h c o m p o s i t ec o m p o n e n t a l t h o u g hw i t hm a n ya d v a n t a g e s ，f l e x i b l em e c h a n i c a ls y s t e mn e e d s h e a v yi n v e s t m e n t t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ls y s t e mf i t sf o rs c a l ee c o n o m y , b u ti ti sn o t f l e x i b l e b yu s i n gu n c o n t r o l l a b l e m o t o ra n dc o n t r o l l a b l e m o t o rt o g e t h e r , h y b r i d - d r i v em e c h a n i s mc o m b i n e st w ot y p e so f i n p u t s a n d g e t so u t p u tn e e d e d ，w h i c hm a k e si tw i d e l yu s e d i na u t o m a t i o n m a c h i n e s t h e s i m p l e s th y b r i d - d r i v em e c h a n i s m i sf i v e b a rl i n k a g em e c h a n i s m ， w l l i c hi su s e di nt h i sd i s s e r t a t i o na se x e c u t i o nm e c h a n i s mp r e s e n t r e s e a r c h e sf o c u s e dm o s t l yo nt h em e c h a n i s m m o b i l i t ya m o n g t h o s ew h o r e s e a r c h e dt h ea u x i l i a r ym o t i o nc o n t r o l l i n g ，t h e ye m p h a s i z e dn o to nt h e c o n t r o l s y s t e mp e r f o r m a n c eb u tf e a s i b i l i t y i n - d e p t hr e s e a r c ho nt h e c o n t r o ls y s t e mi sc a r r i e di nt h i s p a p e r t h es y s t e md i s c u s s e di s a na c s e r v os y s t e m ，w h i c hn e e d sh i g hf o l l o w i n gp r e c i s i o n t h r o u g hs u r v e y i n g a n dc o m p a r i n g ，t h el e a s tb e a t sa n dn ow a v ec o n t r o ls y s t e mi su s e dt o c o n t r o la u x i l i a r ym o t i o nt og e t g o o dp e r f o r m a n c e l i n k a g e sa r ea l lm a d eo fm e t a li np r e s e n tr e s e a r c h e s m e t a ll i n k a g e s a r ec h e a pb u th e a v y t h e r e f o r e s e r v o m o t o rn e e d sm o r ep o w e rt od r i v e 6 蔓兰查兰堡圭堂垡堡苎 垫垫! ! 堡星壁塑堂呈墼堕! 王皇登 t h e m i tm a k e s c o n t r o l l i n gm o r ed i f f i c u l t a p p r o a c h e sm u s tb ec a r r i e dt o d e a lw i t ht h i s p r o b l e m i nt h i sp a p e r , m e t a lm a t e r i a l ，n y l o np l a s t i c s ， p h e n o l i c c o t t o nc l o t hl a m i n a t e dt u b ea n d3 - dc o m p o s i t em a t e r i a l i s r e s p e c t i v e l yu s e da so n eo f t h el i n k a g e s w ec o m p a r et h e s ef o u rs y s t e m s t ot e s tt h e p e r f o r m a n c eo fl i g h tm a t e r i a l i nm e c h a n i s m w ed r a wt h e c o n c l u s i o nt h a tn y l o n p l a s t i ca n dp h e n o l i cc o t t o nc l o t hl a m i n a t e dt u b ea r e h e l p f u lt o c o n t r o ls y s t e m3 - dc o m p o s i t em a t e r i a lc a n tb eu s e di nt h e i n d u s t r yf o rt h el i m i t i n go f c u r i n g t e c h f o ri n c r e a s i n gt h ep e r f o r m a n c eo fw h o l es y s t e m ，r e l i a b i l i t yd e s i g n m e t h o di sa p p l i e dt h r o u g h o u tt h e p a p e r i nt h el a s to ft h e p a p e r , w ec o l l e c tt h eo u t p u te r r o rd a t ao f t r a d i t i o n a l h y b r i d - d r i v el i n k a g em e c h a n i s m s y s t e m a t i ce r r o ri sp r o v e de x i s t i n gb y s t a t i s t i c a l a n a l y s i sm u l t i p l e l i n e a r r e g r e s s i o n m e t h o di s a p p l i e d t o a n a l y s i ss y s t e m a t i ce r r o r , w h i c hl e a d s t oa s a r i s f y i n g m o d e la n da n a p p r o a c h t oi m p r o v et h eo u t p u t p r e c i s i o n l uj i c h a o ( m e c h a n i c a l d e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n g s h e n g z e k e yw o r d s ：h y b r i d - d r i v el i n k a g em e c h a n i s m 、a u x i l i a r ym o t i o n 、 c o m p o s i t em a t e r i a l 、l e a s tb e a t sw i t hn ow a v ec o n t r o l s y s t e m 、s t a t i s t i c a la n a l y s i s 7 东华大学硕士学位论文 机械0 l 硕吕继超指导教师：王生泽 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。 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 “混合驱动机械系统”或称“混合驱动机构”( 图1 1 ) 1 1 】。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 - 自 由 度 机 构 图1 1 二自由度混合驱动 负载 合驱动方式大大地改善了传动机械系统的性机械系统 能，在包装、食品、纺织、锻压等自动机械中，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1 2 】。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口l 。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9 0 年代初开始。由英国学者t o k u z 首次提出h y b r i d m a c h i n e 的概念l ”。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 1 和李佳【6 1 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”l 。张新华 8 】、方益奇9 】 1 0 l 、廖汉元“l 、李保生1 1 2 】、 东华大学硕士学位论文 机械o i 硕吕继超指导教师：王生泽 方新国”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。t i n g ”】、0 5 1 、 1 6 1 、m 、 t 8 1 研究了平面闭 链机构的运动可动性原理。周双林和方新国对混合驱动五杆机构的完全分 类进行了研究。程光蕴1 2 1 】研究了两自由度连杆机构精确实现平面轨迹，白海英 2 2 】 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2 3 1 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，以减少辅助运动调整环节的调整量，通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【2 4 】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p l c 实现了辅助运动数字交流伺服电机的控制。同 时，该文还提出了一神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 2 5 1 采用单片机控制数字交流伺服电机的方式来控制辅 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。 目前对于混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 究的混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。 1 2 复合材料概述 在混合驱动连杆机构研究中，所有构件均采用金属材料制成。金属材料强度 高、价格低廉，一直以来就在工程实践中得到大量的应用。然而，金属的比重较 大，快速运动时有很大惯性，尤其是在混合驱动连杆机构中，构件的质心大都作 变速运动，产生的动载荷难以完全平衡和消除，从而使得辅助电机所需的功率偏 大，一般达到主电机功率的3 0 以上，于辅助运动电机控制不利。由此，人们 开始寻找各种办法来克服混合驱动连杆机构中金属连杆惯性力大的缺陷，降低负 东华大学硕士学位论文 机械0 1 硕吕继超指导教师，王生泽 载，更好地满足给定曲线输出运动要求。如果在保证机构强度的前提下，能够找 到一种比重大大低于钢材的材料制作连杆，那么毫无疑问可以显著降低辅助驱动 功率，改善辅助运动控制。为此，本文拟采用金属、尼龙棒、酚醛棉布模压棒和 三维复合材料制作连杆以进行对比研究。其中，属于层合复合材料的酚醛棉布模 压棒和新型的三维复合材料尤为值得关注。 1 2 1 复合材料定义及其分类 参照文献2 6 】1 2 7 1 的定义，复合材料是由两种或两种以上的单材料，用物理 的或化学的方法经人工复合而成的一种固体材料。因此在微观构造上它是一种不 均匀材料，具有明显的界面。各种组分材料在界面上存在着力的相互作用。复合 材料与常规材料如金属、塑料是完全不同的一类材料，它本质上是结构物。现代 材料科学所讨论及研究的复合材料一般是指纤维增强、颗粒物增强或自增强的高 分子聚合物基、陶瓷基( 即无机非金属基) 或金属基的复合材料。 按照各种不同的分类方法，复合材料可以如下分类。按功能分类：结构复合 材料、功能复合材料：按纤维分类：短纤维增强复合材料、长纤维增强复合材料： 按工艺分类：层合复合材料、缠绕结构复合材料、拉挤复合材料、纺织结构复合 材料。 1 2 2 复合材料的特点及性能 复合材料具有如下特点：可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有 多种性能，具有天然材料所没有的性能；可按对性能的需要进行材料的设计和制 造：可制成所需的任意形状的产品，避免多次加工工序。例如，可避免金属产品 的铸模、切削、磨光等工序。 复合材料的主要性能包括：比强度高、比刚度大；成型工艺性能好；材料性 能可以设计；抗疲劳性能好；破损安全性能好；减振性能好；热稳定性好。 1 2 3 三维纺织复合材料研究现状 在复合材料研究中，纤维增强复合材料得到了很大的发展。纺织结构复合材 料是属近代先进的一种材料，即采用纺织技术织造的织物为增强材料，并主要用 于结构材料。纺织织物主要包括机织物、针织物、编织物和缝合织物，其中又分 为二维织物( 又称为平面织物) 和三维织物( 又称为立体织物) 。 传统的复合材料基本上是采取短纤维增强，或采取长纤维以及二维织物通过 东华大学硕士学位论文 机械0 l 硕吕继超指导教师：王生泽 叠层工艺形成复合材料制件，即：为了达到制件的厚度，不得不把若干层二维织 物预浸料叠合在一起，再复合固化成复合材料制件。这样的复合材料制件在层与 层之间没有纤维通过。由于基体性能比较差，所以传统复合材料就存在着层间性 能差、受力后容易产生分层两造成制件损坏的固有缺点。因此，传统复合材料无 法承担起制作主承力结构件和高功能性制件的重任。 三维纺织复合材料完全克服了传统复合材料的这个分层的缺点，从理论上讲 三维纺织复合材料可以达到任意厚度，而且沿厚度方向有增强纤维通过，这就形 成了不分层的整体网状结构。从不同结构的三维机织预制件的横截面看，沿织物 的厚度方向有纤维通过，并且和沿其他方向分布的纤维相互交织、交叉在一起， 是一个完全整体的结构，根本不存在“层”的问题。这就大大提高了三维纺织复 合材料沿厚度方向的性能和其他力学性能及功能，使它完全可以制作主承力结构 件和高功能制件。 三维织物按加工方法可分为三维机织物，三维编织物，三维针织物和三维非 织造织物。国内对三维织物进行大量研究始于九十年代初，目前较为成熟的是三 维针织物和三维编织物f 2 8 】。一些学者研究了三维纺织复合材料的制作，黄故2 9 】 研究了三维机织复合材料的研制，杨桂【3 0 1 研究了三维编织复合材料的制作及工 艺，易红雷和丁辛口“研究了各种三维纺织预型件的生产技术，p 佳仙3 2 1 研究了 三维多向结构预型件的织造加工技术。另一些学者开展了材料结构方面的研究， 顾平刚研究了三维机织物的结构设计，黄小平 3 4 j 3 5 j 【3 6 i 、f 3 7 1 研究了复合材料三维 四向矩形编织物角柱结构、表面结构以及四向矩形编织复合材料单胞的划分方 法、内部纱线上接触点的分布。还有一些学者专注于三维纺织复合材料力学性能 的研究，甘应进【3 8 】进行了三维机织物的织造与力学性能测试，孙慧玉删对编织 结构复合材料的力学性能进行了分析，粱军4 0 1 研究了多向编织复合材料的力学 性能，燕瑛4 ”开展了基于细观结构的三维机织复合材料弹性性能的分析，黎观 生【4 2 】开展了三维编织复合材料拉伸性能试验研究，杨朝坤4 孔开展了三维编织复 合材料力学性能的实验研究。另外，盛颂恩【4 4 1 采用有限元方法进行纤维织物增 强复合材料等效弹性常数的预测，钟跃崎1 4 5 1 建立了一种三维织物建模与仿真算 法。 尤为值得一提的是，针对三维编织复合材料在运动机构中作为构件的研究方 东华大学硕士学位论文 机碱0 1 硕吕继超指导教师：王生泽 向t 蔡敢为等学者1 4 7 1 , 、 4 9 1 , f 5 0 j 、刚已经开展了一系列关于三维编织复合材 料构件力学性能的研究。 1 3 课题研究意义 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j 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p l c 对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 比较研究。考虑到机构惯性量大小对于辅助电机驱动功率的影响，本文将这四种 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。 1 4 课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 1 4 东华大学硕士学位论文机械0 1 硕吕继超指导教师：王生泽 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 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。 壤后，进行实验数据处理。通过数据分析，研究输出精度、控制效果，并有 针对性地提出改进措施。 东华大学硕士学位论文 机械0 l 硕吕继超指导教师：王生泽 参考文献 张新华，张策，田汉民混合驱动机械系统建模的理论依据机械科学与 技术，2 0 0 l ( 6 ) ：8 5 7 8 5 9 l c t o k u z ，jrj o n e sp r o g r a m m a b l em o d u l a t i o no fm o t i o nu s i n gh y b r i d m a c h i n e s a p r o c e e d i n g s o f l m e e h ef c lc 4 1 4 1 0 7 1 ，t 9 9 1 ：8 5 - 9 1 jdg r e e n o u g h d e s i g no fh y b r i dm a c h i n e s 【a p r o c e e d i n g so ft h e9 “ i f t o m mw o r l d c o n g r e s s c 1 9 9 5 ：2 5 0 1 2 5 0 5 t o k u zlca n djr p r o g r a m m a b l em o d u l a t i o no fm o t i o nu s i n gh y b r i d m a c h i n e s 【a 】p r o c e e d i n g so f i m e c h e c ic 4 1 4 0 7 1 ，1 9 9 1 ：8 5 9 1 廖汉元，钮国辉，李佳两自由度机构的可动性条件武汉冶金科技大学 学报( 自然科学版) ，1 9 9 9 ( 3 ) ：5 7 5 9 李佳，廖汉元带有移动副的两自由度五杆机构的可动性条件机械研究 与应用，2 0 0 2 ( 9 ) ：5 - 7 李佳，廖汉元论两自由度五杆铰链机构的有曲柄充分条件机械研究与 应用，2 0 0 2 ( 6 ) ：2 4 2 6 张新华，张策，田汉民混合驱动机构的创新设计及其应用机械设计与 研究，2 0 0 1 ( 9 ) ：3 7 4 0 方益奇，孙怀安两自由度r 5 可控机构的最优综合现代机械，2 0 0 3 ( 4 ) ：3 9 4 1 方益奇，孙怀安r r r r p 混合驱动五杆机构的分析与综合设备设计与 维修，2 0 0 3 ( 2 ) ：6 2 6 4 廖汉元两自由度机构的型综合武汉冶金科技大学学报，1 9 9 6 ( 4 ) ： 4 8 7 - 4 9 5 李保生。两自由度五杆机构的最优化综合重型机械，1 9 9 7 ( 4 ) ：5 l 一5 5 方新国，邹慧君平面七杆机构混合驱动器运动链分析和综合机械设计 与研究，2 0 0 2 ( 5 ) ：2 7 2 9 t i n gk lm o b i l i t yc r i t e r i ao f s i n g l e l o o pn b a rl i n k a g e s 【j a s m e j o u r n a l o fm e c h a n i s m s ，t r a n s m i s s i o n s ，a n da u t o m a t i o n i nd e s i g n ，1 9 8 9 ，1 1 1 【4 ) ： 1 6 查兰奎兰堡主兰些笙苎 塑塑! ! 堡星竺塑塑量塾堑! 三圭堡 5 0 4 - 5 0 7 t i n gk l f i v e - b a rg r a s h o fc r i t e r i a j a s m ej o u r n a lo fm e c h a n i s m s t r a n s m i s s i o n s ，a n da u t o m a t i o ni nd e s i g n ，1 9 8 6 ，1 0 8 ( 4 ) ：5 2 3 5 3 7 t i n gk l ，t s a ig p m o b i l i t ya n ds y n t h e s i so ff i v e b a rp r o g r a m m a b l el i n k a g e s a 】p r o c e e d i n g s o ft h e9 “o s ua p p l i e dm e c h a n i s m sc o n f e r e n c e l c k a n s a sc i t y , m o o c t o b e r1 9 8 5 t i n g kl g r o s sm o t i o n a n dc l a s s i f i c a t i o no f c l o s e d l o o p f o u r - b a r m a n i p u l a t o r s 【a 】p r o c e e d i n g so ft h e1 “n a t i o n a lc o n f e r e n c eo na p p l i e d m e c h a n i s m sa n dr o b o t i c s l c ，c i n c i n n a t i ，o h ，n o v e m b e r1 9 8 9 t i n gk l l i uyw r o t a t a b i l i t yl a w sf o rn - b a rk i n e m a t i c sc h a i n sa n dt h e i r p r o o f j 】a s m e j o u r n a lo fm e c h a n i s m s ，t r a n s m i s s i o n s ，a n da u t o m a t i o n i nd e s i g n ，1 9 9 1 ，l 1 3 ( 4 ) 周双林，邹慧君等混合输入五杆机构构型分析上海交通大学学报， 2 0 0 1 ( 7 ) 方新国，邹慧君，周双林混合驱动平面两自由度五杆机构的完全分类 机械科学与技术，2 0 0 3 ( 1 ) ：7 4 7 7 程光蕴，贺惠农两自由度连杆机构精确实现平面轨迹的研究东南大学 学报，1 9 9 0 ( 3 ) ：7 1 2 白海英，刘德仁，王清媛再现圆弧轨迹的两自由度五杆机构优化设计 吉林工业大学学报，1 9 9 2 ( 3 ) ：7 2 7 6 高馨变结构运动广义连杆机构研究中国纺织大学研究生学位论文 d 】，1 9 9 7 沈玉娟变结构广义连杆机构辅助运动的结构与控制研究中国纺织大 学硕士研究生学位论文【d 】，1 9 9 8 刘素平变结构连杆机构动力学分析与辅助运动控制研究中国纺织大 学硕士研究生学位论文【d 1 ，2 0 0 1 黄丽聚合物复合材料北京：中国轻工业出版社，2 0 0 1 王善元，张汝光等纤维增强复合材料上海：中国纺织大学出版社，1 9 9 8 杨歆，顾平三维织物成形方法概述上海丝绸，2 0 0 0 ( 4 ) ：1 2 1 4 _ 兰 _ 曼 m 汹 东华大学硕士学位论文机械0 1 硕吕继超指导教师：王生泽 黄故等三维机织复合材料的研制纺织学报，1 9 9 9 ( 1 ) ：4 - 6 杨桂等编织结构复合材料制作、工艺及工业实践北京：科学出版社， 1 9 9 9 易红雷，丁辛三维纺织预型件的生产技术纤维复合材料，1 9 9 9 ( 3 ) ： 3 1 3 3 b 佳仙三维多向结构预型件的织造加工技术产业用纺织品1 9 9 9 ( 1 0 ) ：9 1 2 顾平多重纬角连锁三维机织物结构设计上海纺织科技，2 0 0 2 ( 4 ) ： 2 4 2 6 黄小平等复合材料三维四向矩形编织物角柱结构复合材料学报，2 0 0 1 ( 4 ) ：l 卜1 6 黄小平等复合材料三维四向矩形类编织物表面结构研究宇航材料工 艺，2 0 0 0 ( 3 ) ：1 4 - 1 9 黄小平等四向矩形编织复合材料单胞的新划分方法南京林业大学学 报( 自然科学版) ，2 0 0 1 ( 6 ) ：1 9 2 2 黄小平等四向矩形编织物内部纱线上接触点的分布南京林业大学学 报，2 0 0 0 ( 5 ) ：3 3 3 6 甘应进等3 d 机织物的织造与力学性能测试吉林工学院学报，2 0 0 0 ( 4 ) ：6 9 孙慧玉等编织结构复合材料力学性能分析航空学报，1 9 9 7 ( 4 ) ： 4 5 8 4 6 l 梁军等多向编织复合材料的力学性能研究力学进展，1 9 9 9 ( 2 ) ： 1 9 7 2 1 0 燕瑛等基于细观结构的三维机织复合材料弹性性能的分析航空学报， 1 9 9 9 ( 4 ) ：2 8 9 2 9 4 黎观生等三维编织复合材料拉伸性能试验研究材料工程，1 9 9 7 ( 6 ) ： 2 0 2 l ，4 1 杨朝坤三维编织复合材料力学性能的实验研究材料工程，2 0 0 2 ( 7 ) ： 3 3 3 5 ，3 9 18 东华大学硕士学位论文 机械0 1 硕吕继超指导教师：王生泽 盛颂思，陈盼星纤维织物增强复合材料等效弹性常数的有限元预测浙 江工业大学学报，1 9 9 9 ( 3 ) ：2 2 2 1 2 2 7 钟跃崎，王善元一种三维织物建模与仿真算法系统仿真学报，2 0 0 1 ( 6 ) ：7 1 4 7 1 6 蔡敢为等三维编织复合材料构件的机构模态阻尼中国机械工程2 0 0 0 ( 5 ) ：4 8 1 4 8 4 ，5 0 1 c a ig a n - w e i ，l i a n gj i e p i n g ，l i a od a o x u nt h ed e s i g no ff l e x i b l e r o b o t i c m a m p u l a t o r s w i t h o p t i m n a n ng e o m e t r i e sf a b r i c a t e d t h r e e - d i m e n s i o nb r a i d e dc o m p o s i t ew i t ho p t i m a lm a t e r i np r o p e r t i e sj x i a n g t a n m i n i n s t ，2 0 0 0 ( 2 ) ：2 3 2 8 蔡敢为等三维编织复合材料空心断面梁的阻尼分析湘潭矿业学院学 报，2 0 0 0 ( 1 ) ：3 7 4 2 蔡敢为等四步法三维编织复合材料弹性性能的数值细观力学分析湘 潭矿业学院学报，1 9 9 9 ( 1 ) ：5 8 6 l 蔡敢为等四步法三维编织复合材料杆件的刚度与阻尼分析机械强度， 1 9 9 9 ( 1 ) ：1 8 2 l 陆俊华等两步法三维编织复合材料的刚度计算华中理工大学学报， 1 9 9 8 ( 增刊) ：3 8 4 0 东华大学硕士学位论文 机械0 1 硕吕继超指导教师：王生泽 第二章混合驱动连杆机构 2 1 混合驱动连杆机构组成 慧= 7 i i i ：篁：憨j 。、；，一r 一一! f 、专，毛，r ，j j ：一篓二：。s - = 一尘羔。 东华大学硕士学位论文机械0 l 硕吕继超指导教师：王生泽 - _ ，1 “ p ，j j 1 l 善? ，一。f 1 孑。 k 。，一7 等 分一： ：，誊、i2 i，；。? ，7 、+ “ ：i7 量。翌1 一一专歹雾i 8 纠一：簪= 七一婪棼二 2 l 东华大学硕士学位论文 机械0 1 硕吕继超指导教师：王生泽 4 单片机及仿真器 a e d k 5 1 9 6 仿真器及u p h 5 5 2 用户系统一套。自带操作软件l c af o rd o s 一套。 2 1 2 给定输出啦线 为了便于进行实验效果对比，本文选取了与论文【2 4 和论文【2 5 】相同的输出 曲线。 6 0 4 0 荨 2 0 0 r ，： 一。， | 、 d4 59 01 3 5侣口2 2 52 7 03 a 53 6 0 n 图2 - 3 给定输出运动规律曲线 孓臀毒刎= 二仁- ，卜日- ( 等一去s i n 砌) ) s m 亿) 其中h = 6 4 。= 1 6 n 4 5 。图2 - 3 即为给定输出运动规律曲线。 2 1 3 实验台三维造型 本次设计中，运用了三维设计软件s o l i d w o r k s 对实验台进行了实体造型， 对研究机构运动的规律和特性起了很大的帮助。 在本实验台设计中，用s o l i d w o r k s 软件将整个实验台进行了三维实体特征 造型，大到机架小到垫圈，从而可以很直观地观察实验台中的各部件以及它们相 互间的关系。同时出于制造目的，对实验台还进行了爆炸动画，可以将经常需要 的装配体中的零部件分离以形象地分析它们之间的相互关系。图2 4 是整个装配 体，图2 5 是爆炸图。 束华大学硕士学位论文 机械0 1 硕吕继超指导教师：王生泽 图2 4 机构三维造型图图2 - 5 机构爆炸圈 2 2 混合驱动连杆机构运动分析 在混合驱动连杆机构设计中，机构运动分析是必不可少的。由于混合驱动机 构是多自由度机构，运动分析计算量较大，尤其是优化设计时需要优化杆件长度， 计算量更加大。m a t l a b 是一个为科学与工程计算而专门设计的高级交互式的 软件包。m a t l a b 环境集成了图形与精确的数值，是一个可以完成各种复杂计 算和实现科学数据可视化的易于使用和理解的工具软件。由于m a t l a b 具有强 大的数值计算能力，完善的图形处理和高效率的编程能力，已被广泛应用于涉及 数值分析的各种领域的理论研究和工程设计中。 本文采用m a t l a b 针对如图2 3 所示的给定输出曲线，进行混合驱动连杆 机构的运动分析，只要在系统图形界面的文本编辑框中输入各杆长、初始角度和 a b 扦转速，即可快速输出杆长，、速度，、加速度2 和转角v 、角速度中、角加 速度单的变化规律曲线。该方法不仅计算速度快、界面友好，而且采用曲线图 输出的方式使设计结果更加直观，评价几套优化设计方案时更加简便。 2 2 i 机构运动数学模型 首先将图2 2 所示机构简化为矢量图2 - 6 ，曲柄长度为a ，连杆长度为b ，机 架长度为d ，广义摇杆长度为e 2 + f 2 ，以曲柄与连杆共线时的位置为初始位置。 曲柄与机架夹角为，d e 杆与机架水平方向的初始夹角为，曲柄转角为妒， 东华大学硕士学位论文机械0 1 硕吕继超指导教师；王生泽 f 杆相对转角为甲，连杆转角为0 。曲柄转动角速度为常数妒= 。 i 位移，分析 由图2 - 6 可列出封闭矢量多边形方程： 五+ 石：孑+ r + 孑( 2 2 ) 经x 向和y 向投影后，化简得到 ，2 + 2 g g z + e e 2 + f f 2 6 2 = 0 ( 2 3 ) 由此可得：f = 一g g + 4 c c 2 + 6 2 一e e 2 一f f 2 ( 2 4 ) e e = 一e s i n ( 甲+ ) 一d c o 妒+ ) + d 式中：f f = e c o s ( t + q 0 ) 一日s i n + 妒o ) g g = d - c o s ( 甲+ ) 一d c o s ( w 十k 一妒一吼) 当甲：覃即、壬j 满足给定运动曲线时，为转角妒的函数，也就是说，由辅助 电机控制的杆长，随主电机带动的主轴转角实时变化，这样就构成了随动控制系 统。 可通过以下方法求得： 初始位置为曲柄、连杆共线时，此时有0 = ，由2 - 1 式分别向x 、y 方向 投影解得： 纠毗( 雩 舯筹：嚣：等溉 2 速度，分析 由2 - 2 式两边同时对时间t 求导可得： 2 4 r芦_：i， 、 瓤印饺。 飞。， 一 一一 ， 一 b 一 ， 一 ；，。 i 东华大学硕士学位论文 机械0 1 硕吕继超指导教师：王生泽 ? ：里：垒：! 盟! ：! 型! 二竺垫堑二! ：盟= ! ：型塑( 2 5 ) ，+ r c p f 驴= c o s + 妒。) 其中：c p s i 2c o s 一十v 。) c p j = c p s i 尊七s p s i 唾 r c p f = d c p s i 一口c p f 妒= s i n 如+ ) 删 s i n ( w + 甲d ) s 珂= s p s i