（机械设计及理论专业论文）混合驱动机器的跟踪控制和原理性实验研究.pdf

摘要 混合驱动机器的基本思想是采用常规电机为系统提供主要动力，伺服电机 起运动调节作用，两种类型的输入运动通过一个多自由度机构合成后产生所需 要的输出运动。因为伺服电机具有良好的可控性，所以可以使用伺服电机与常 规电机配合驱动机器运动，通过编程控制伺服电机运动规律，达到柔性输出的 目的，以适应不同的加工工艺和多种产品的需要。其兼容了由定转速电机驱动 的传统机构高效率、高承载力及伺服驱动机构柔性可调的优点，弥补了传统机 械缺乏柔性的缺点，比较理想地解决了柔性化与保持高速、高效、高承载力这 一对矛盾，为现代机械设计提出了一个新思路。 鉴于混合驱动机器的理论研究的重要性和有待于尽快转化成实际产品，在 冲压工业上发挥其显著功效。将理论与实践相结合，验证其可靠性和先进性。 本文着重进行以混合驱动压力机为潜在应用背景的实验研究，主要有：以混合 驱动机器的理论研究为依据，进行尺度参数的优化。确定实验机构的尺度参数， 进行运动学和动力学仿真；对混合驱动压力机进行了准静态动力分析，给出了 混合驱动压力机的动力和功率分配模型，并对拉深工艺阻力与伺服电机的功率 分配的关系进行了研究；采用变结构控制策略，对混合驱动实验机构进行全闭 环运动控制。实现对混合驱动压力机稳定的轨迹跟踪控制和仿真研究；提出基 于逆运动学理论作为误差校正模型的混合驱动压力机运动控制方法，并进行实 时在线误差补偿的运动控制方法研究，开发了混合驱动压力机运动控制实时在 线误差补偿的运动控制软件，为提高运动输出的主动跟随运动精度，提供了理 论保证：进行了混合驱动压力机实时在线误差补偿控制的实验研究，利用运动 误差实时在线补偿控制软件分别对混合驱动压力机实验机构进行了无工作载荷 和有工作载荷的实验研究，为下一步进行混合驱动压力机的样机研制奠定了基 础。 最后，对混合驱动压力机的基础理论研究和样机的试制，提出了一些建议 和展望。 关键词：混合驱动机器混合驱动压力机变结构控制实时在线误差补 偿优化设计计算机仿真 a b s t r a c t t h eg u i d e l i n eo f h y b r i dd r i v i n gm a c h i n ea d o p t sr e g u l a rm o t o r st op r o v i d em a i n p o w e ra n da d o p t i n gs e n ，om o t o r st oa d j u s tm o t i o n n l et w ot y p e so fm o t i o ni n p u t s a r es y n t h e s i z e dt h r o u g ham u l t i d e g r e eo ff r e e d o mm o t i o nm e c h a n i s ma n do u t p u t t h em o t i o nr e q u i r e d s i n c es e r v om o t o ri se a s yt ob ec o n t r o l l e d ，i tc a nb eu s e dt o d r i v em o t i o nm e c h a n i s mw i t hr e g u l a rm o t o r b yc o n t r o l l i n gt h em o t i o no fs e r v o m o t o rw i t h p r o g r a m s ，t h em a c h i n ec a no u t p u tf l e x i b i l i t y i ti st h e r e f o r ec a nm e e tt h e n e e d so f v a r i o u sp r o c e s s e sa n dp r o d u c t s t h em e c h a n i s mc o m b i n e ss u c ha d v a n t a g e s o fr e g u l a rm o t o r sa sh i g he f f i c i e n c ya n dh i 曲c a p a c i t y , a n dt h ef l e x i b i l i t yo fs e r v o m o t o r s i ta l s om a k e su pt h et r a d i t i o n a lm e c h a n i s m sd i s a d v a n t a g eo fl a c k i n g f l e x i b i l i t ya n dr e l a t i v e l ys o l v e st h ec o n t r a d i c t i o no ff l e x i b i l i t yv e r s u sh i g hs p e e d ， h i 曲e f f i c i e n c y , a n dh i g hc a p a c i t y t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e san e wg u i d e l i n ef o r m o d e md e s i g no f m e c h a n i s m i nv i e wo ft h ei m p o r t a n c eo ft h er e s e a r c ho fh y b r i dd r i v i n gm a c h i n e ，i ti s n e c e s s a r yt ot r a n s f o r mt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hi n t or e a lp r o d u c t sa n dt om n gt h e a d v a n t a g e si n t op r a c t i c e s i ti sa l s on e c e s s a r yt oc o m b i n et h et h e o r ya n dp r a c t i c et o v a l i d a t et h ea v a i l a b i l i t ya n dn a t u r eo fa d v a n c e t h ed i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h eg r o u n do fp o t e n t i a la p p l i c a t i o n so fh y b r i dd r i v i n g p r e s s e s t h ek e yr e s e a r c h e si n c l u d et h ef o l l o w i n g ( 1 ) b a s e do nt h et h e o r e t i c a l r e s e a r c ho f h y b r i dd r i v i n gm a c h i n e ，t h em e a s u r e so f s c a l ei so p t i m i z e d ，t h em e a s u r e s o fs c a l eo f t h ee x p e r i m e n t a lm e c h a n i s mi sd e f n e d ，a n dt h es i m u l a t i o no f k i n e m a t i c s a n dk i n e t i c si sp r o c e s s e d ( 2 ) t h eq u a s i - s t a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fh y b r i dd r i v i n g p r e s si sp r o c e s s e d ；t h ed i s t r i b u t i o nm o d e lo ft h ed r i v ea n dp o w e ro fh y b r i dd r i v i n g p r e s si sg i v e n , a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h er e s i s t a n c eo fd r a w i n gp r o c e s sa n dt h e p o w e rd i s t r i b u t i o no fs e r v om o t o ri ss t u d i e d ( 3 ) t h es t r a t e g yo fv a r i a b l es t r u c t u r e c o n t r o lt op r o c e s sc l o s e d - l o o pc o n t r o lo ne x p e r i m e n t a lm e c h a n i s mi sa d o p t e d ，a n d t h es t e a d yt r a c k i n gc o n t r o lo nh y b r i dd r i v i n gm e c h a n i s mi ss t u d i e d ( 4 ) am o d e l b a s e do nt h ei n v e r s ek i n e m a t i c so p t i m i z a t i o nt h e o r yt om o d i f ye n o r si ss u g g e s t e d a n dt h em o t i o nc o n t r o lm e t h o df o rt h em o t i o nc o n t r o lo fh y b r i dd r i v i n gp r e s st h a t c a nc o m p e n s a t ee r r o r sr e a l t i m eo n l i n ei sg i v e n am o t i o nc o n t r o ls o r w a r ei sa l s o d e v e l o p e dt or e a l i z et h er e a l - t i m eo n - l i n ee l t o rc o m p e n s a t i o nf o rh y b r i dd r i v i n g p r e s s t h i sm e a nt h e o r e t i c a l l ye n s u r e st h ea c c u r a c yo f a c t i v ef o l l o w i n gm o t i o no f t h e o u t p u tm o t i o n ( 5 ) t h ee x p e r i m e n t a l s t u d y o nt h er e a l - t i m e 0 1 1 1 i n ee n d r c o m p e n s a t i o nf o rh y b r i dd r i v i n gp r e s si sp r o c e s e da n dt h es o f t w a r em e 埘o n c di i if 4 1 t os t u d yt h ee x p e r i m e n t a lm e c h a n i s mo fl a y b r i d d r i v i n gp r e s sw i t ha n d 谢t l l o u t s e r v i n gl o a dr e s p e c t i v e l yi su s e d t h ef o u n d a t i o no ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i s e s t a b l i s h e df o rt h es a m p l eh y b r i dd r i v i n g p r e s si nt h en e x ts t a g e p r e a l l y ，s o m es u g g e s t sa n dp r o s p e c to i lt h e t h e o r e t i c a lr e s e a r c h 蹰d d e v e l o p m e n to f s a m p l eo f h y b r i dd r i v i n gp r e s si sp r o p o s e di nt h i sd i s s e 砌t i o n k e yw o r d s ：h y b r i dd r i v i n gm a c h i n e ，h y b r i dd r i v i n gp r e s s ，v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r 0 1 r e a l t i m eo n - l i n ee r r o r c o m p e n s a t i o n ，o p t i m a ld e s i g n , s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫望盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 岬一叶 学位论文作者签名：上古a 签字只期：2 0 0 6 年1 月i j f i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名： 王甜 导师签名： 签字开期： 珈6 年f 月f j 同 ( 6 年卜 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 随着科技的发展和人们生活水平的日益提高，在现代市场经济条件下，只 有那些花样多、变化快、符合用户需求的产品才能生存，这就要求相应的生产 机械系统不仅能够高精度、高效率、大负载地运转，而且能够以最小的代价、 方便、灵活地改变输出件的运动规律，即具有尽可能大的“柔性”。柔性生产是 现代先进制造技术追求的目标之一。 机构与机械的概念自诞生以来，基于单自由度闭链机构，机械运动的确定 性和不变性成为它们的最大特征。一旦制造完毕，其单一、确定的运动行为不 再可以实时变更。随着电子计算机技术的出现和快速进步，机构和机器出现了 柔性化( 指机器功能的可变性，并非指机器构件的柔性) 的趋势，其中最为杰 出的标志是机器人和数控机床的诞生与发展。这些基于多自由度开链机构的新 机器以灵活多变的特征，为机械注入了新的活力。机械不再“机械”，具有了充 分的“柔性”或者说灵活性。在换来了充分的柔性的同时，也导致了高昂的成 本和欠佳的高速性能。为改善高速性能，基于多自由度闭链机构的并联机器人 和虚轴机床已经出现并正在发展。不过，在现实生活中，应用最为广泛的、大 量需要的往往都是只要求具有一定的工作柔性、能完成相类似的工作簇、可以 适度调整的机器，即所谓半柔性机器，或者说适度柔性机器。这是介于完全刚 性的传统机器和完全柔性的数控机器之间的一类新机器，在潜在的应用范围内， 取二者之长、去二者之短，拥有广泛的发展前景i l 】。 作为一部现代机器，其机械运动是功能实现的核心手段，广义执行机构【2 】 ( 即是在现代条件下对传统执行机构的拓展和延伸。) 是机械运动的载体。从现 代机构学角度，机器可抽象为图i - i 所示的函数变换模型，即原动件的输入运 动通过机构变换为所需要的输出运动。因此，从运动学角度来看，一部机器实 际上包含三个部分，即输入运动、机构和输出运动。机器的柔性化具体表现在 具有可编程的输出运动能力。 图1 1 机械运动系统的函数变换模型 第一章绪论 因此，为获取可编程的输出运动，在机构学层次上可以从输入和机构两个 环节引入可控性。在机械发展的很长一段时间，限于原动件的不可控特性，设 计者无法对其引起的输入运动主动控制，因此为获取运动柔性的努力便集中在 机构这个环节，如采用多自由度机构等。随着驱动技术的发展，各类新型可控 驱动器为设计者提供了引入柔性的新途径，也从根本上推动了柔性机器的发展。 目前，输入运动有不可控输入运动和伺服输入运动两种类型。对于一个多自由 度机构，又有全伺服输入运动和混合输入运动两种应用方式。机构则有单自由 度闭链机构、多自由度闭链机构、多自由度开链机构等多种形式。 基于以上的论述，从不同环节引入不同形式的运动可调性，将会导致不同 柔性的机器类型。根据运动柔性的程度，机器可以划分为刚性机器、全柔性机 器和适度柔性机器三大类型。 剐性机器也就是传统类型的机器，如普通电机驱动的单自由度机器，或者 以单自由度机器为单元的多机系统。单自由度机器缺乏运动柔性，以单自由度 机器为单元的多机系统所能实现的则是刚性自动化。刚性机器虽然缺乏柔性， 但成本较为低廉，可以达到高速、高精度、高生产率等。 全柔性机器范围广泛，包括各类全伺服驱动的机器人、数控机床、加工中 心、虚拟轴机床、训练仿真器等，主要基于多自由度开、闭链机构。虽然具有 很强的可控性，但由于结构刚性、驱动技术和控制技术的响应迟滞等原因，其 高速性能有待进一步提高，成本也较高昂。 适度柔性机器则介于上述两种类型之间，以适度柔性将刚性机器的低成本 和柔性机器的可控性有机的结合起来，是一般机器柔性化的方案。适度柔性机 器包括结构可调机器、伺服输入机器、混合输入机器等。这三类新机器分别从 不同角度导入工作柔性。可调机器以可调机构为机械运动执行单元，在机构的 尺度环节导入可控性，为单自由度且结构尺寸可进行调节，实现输出运动柔性。 伺服输入机器以伺服输入机构为运动执行单元，单自由度且输入可控。以伺服 电机取代常速电机、主动控制机构的原动件运动，从而改善机构的整体运动性 能，但对伺服电机的功率需求较高，轨迹难以调节。混合输入机器【6 0 j 以混合输 入机构为机械运动执行单元，为多自由度结构且由常速电机和伺服电机并行驱 动【1 1 。其基本原理如图1 2 所示。 混合驱动机械系统包括控制系统、混合驱动器、合成机构以及执行机构四 部分。其中，混合驱动器是由不可控常规电机和可控的伺服电机组成的，不可 控常规电机和可控的伺服电机都可以不止一个，因此合成机构应是多自由度机 构。控制系统由控制器、传感器、数据采集系统等组成。由于可控电机主要起 运动调节作用，系统要求它在很短的时间内或在机构运动过程中进行实时的调 2 第一章绪论 节。由于混合驱动机械系统能够既兼容了传统机构和全伺服驱动机构的优点， 又避免了二者的不足，在理论上能够比较理想地解决柔性化与高速化、高效率、 高承载力这一对矛盾，可以提供更为充分的运动可调性，为现代机械创新设计 提供了一个新思路。因此，近年来对于混合驱动机构3 】1 6 l l m 研究很多，发展也 较快，这种机构可以精确实现一些运动规律，或实现有成组运动规律要求的运 动。 图1 - 2 混合驱动系统原理图 输出 在金属压力加工领域，机械式曲柄压力机已被成功地应用了几十年，特别 是在大块薄板成型的冷加工领域中，曲柄压力机为其应用确定了特殊的地位。 由于冲压加工工艺不同，加工材料的塑性变形速度不同，要求机械式压力机应 具有不同的运动输出特性。随着市场经济的发展，市场需求要求产品花样多、 变化快、批量小，这就要求现代压力机不仅能够高速度、高精度、大负载的运 转，而且应具有更大的柔性，能迅速、方便、快捷地改变输出运动。而广泛应 用于实际生产中的简单的对心或偏心曲柄滑块机构，很难满足这一要求，需要 扩展或更改这种连杆驱动装置，如采用多杆机构、非圆齿轮机构等多种结构形 式，结果是使锻压机械结构复杂、体积增大、精度降低、成本提高1 4 j - i 。由于 伺服电机具有良好的可控性，因而可以使用伺服电机驱动冲压机构，可方便地 控制冲锤的位置和速度，并且可以很容易地将伺服电机与c n c 机械控制方法 联系起来，将其扩展到机械驱动工具的一部分。但由于受到伺服电机功率和扭 矩的限制，还无法直接运用伺服电机驱动大、中型压力机。对于曲柄压力机来 说，采用混合驱动系统是解决这些问题的一个较好的方法。同时采用常速电机 和伺服电机作为其动力源，常速电机为系统提供主要动力，伺服电机对输出运 动进行调节。两种类型的输入运动通过一个二自由度机构合成后推动滑块( 冲 锤) 工作。常规电机可以满足功率较大的曲柄压力机的功率要求，保持了曲柄 第一章绪论 压力机运行平稳的特点，同时控制伺服电机的输入对滑块的速度特性进行调节， 使滑块按照理想的运动规律工作，使机构具有一定的柔性，能够提供多组输出 运动规律，以满足不同的压力加工工艺要求。 从理论上说，混合输入机构可以克服伺服输入机构的不足和传统机器的不 可控性，提供更为充分的运动可调性。不过，目前还没有真正实用的机器出现， 多是高校在理论方面作些研究 7 卜 1 a j 。基于伺服控制的伺服输入机器应用较为 普遍，但仍主要表现为对传统机器的一种局部改进，没有将其作为一大类新型 机器看待，缺乏相应有效的结构设计与运动规划方法。混合输入机器的商业化 应用还几乎没有，研究仍主要停留在理论研究阶段。混合驱动机构不同于传统 机器的一个主要特点是控制环节的引入，其机器性能表现为机、电等多学科子 系统的综合效应。因此其设计不应仅仅局限于机构本体参数的设计，必须立足 于追求综合性能最优的机电集成设计方法研究。 因此，为了对混合驱动机构的应用基础理论研究进行实践考证并对其综合 性能最优的机电集成设计方法进行初步研究，本文以李辉【9 】的理论研究为研究 基础设计一套七杆二自由度闭链实验运动机构，对混合驱动压力机进行混合驱 动运动性能的实验研究；设计一套液压加载系统来模拟压力机的实际工况，对 混合驱动压力机进行动力性能的实验研究；对伺服电机功率、扭矩的分配及其 与工作位置的关系提出新的观点，使系统对伺服电机的要求达到实用的水平， 为今后伺服电机功率的选择提供依据；并采用美国n i 公司的多轴运动控制卡 对混合驱动压力机进行拉深位移实时在线误差补偿的实验研究和仿真研究。 本研究的理论意义在于：目前，机器的柔性化是一个必然趋势，在生产和 制造过程柔性化的发展要求下，机器与设备的柔性化是一个必然的要求和结果。 由于混合驱动机械系统所具有的特点使其越来越成为工业生产中的焦点，成为 机构学研究的前沿领域。混合驱动机械系统理论研究目前主要集中在混合驱动 机构的创新设计、机构的可动性、运动学分析、动力学建模、轨迹创成、机构 的综合、混合驱动控制理论等问题的研究上。但在混合驱动压力机的拉深位移 控制和伺服电机的实时在线跟踪补偿控制理论的研究较少，且对其进行实验研 究的也较少，则整个混合驱动机械系统理论缺乏足够的应用支持和实验验证。 本文关于混合驱动压力机的研究主要在于实验研究、伺服电机的实时在线跟踪 补偿控制理论和控制软件的开发研究、伺服电机的功率分配的研究，为今后新 型冲压机床的诞生做了良好的铺垫和理论依据，通过理论与实践相结合将促进 混合驱动理论的进一步完善，并能起到推动该理论在其他相关领域得到更广泛 的应用。 4 第一章绪论 1 2 国内外相关课题的研究现状 1 2 1 混合驱动机构的理论研究 九十年代初，英国利物浦科技大学的j o n e s 和t o k u z 6 p 【6 习结合传统机构和 可控机构的特点，提出一套界于二者之间的机械系统方案，这种机械同时具有 两类机构的特点，因此他把之称为“h y b r i dm a c h i n e ”，这奠定了混合驱动的思 想。t o k u z 和j o m s 【6 1 】巾5 1 进一步研究这类机构，完善了“h y b r i a m a c h i n e ”思想。 然后，他们建立了完整的系统模型和实验方案，通过理论和实验结果验证了这 类机构的一些预期特性。 伺服电机 ( a )c o ) 图l - 3 全伺服驱动可控机构和混合驱动可控机构 1 9 9 2 年，为了验证混合驱动机构的各项性能及其特点，针对变规律的输出 运动要求，例如升降、升停降、升降一停运动( r - r 、r - d - r 、r r - d ) ，t o k u z 与j o n e s 6 i 】。【6 5 】在研究中采用了全伺服驱动和混合驱动两种方案：第一种方案如 图1 3 ( a ) 所示，直接采用伺服电机驱动一个连杆机构( 曲柄滑块机构) 产生 所需的输出运动；第二种方案，如图1 3 ( b ) 所示，常规恒速电机和伺服电机 的输出运动经差动轮系合成后，驱动一个曲柄滑块机构来实现变规律的往复运 动。通过对比这两类机构在模型，输出力矩，及伺服电机的位移、速度、力矩、 功率等方面的差异得到： ( 1 ) 全伺服驱动机构的柔性较大，能够满足所给定的各种运动规律要求， 第一章绪论 并且可以很容易地满足停歇运动要求。但在整个工作过程中伺服电机的功率必 须足够大，才能满足实际工况下的加速度和力矩要求，特别是速度波动较大时， 伺服电机的工作状况将进一步恶化。目前所生产的伺服电机最大功率还远不能 适应各种场合的要求。 ( 2 ) 混合驱动机构在实现r - r 输出运动时，其伺服电机的调节量和功率 比全伺服驱动机构中伺服电机的调节量和功率要小的多。而对于r - d - r 和 r - r - d 输出运动，特别是停歇阶段，伺服电机的调节量和功率没有减小，而是 有显著的增加。他们提出减小伺服电机与输出运动之间的传动比，可以有限地 减小伺服电机在停歇阶段的调节量及输出功率。 在j o n e s 和t o k u z 提出了混合驱动机构的思想后，国内外许多学者从不同 的侧面对混合驱动机构进行了深入地研究，其中较有价值的研究有： g r e e n o u g h 与j o n e s 删为克服t o k u z 与j o n e s 研究中“停歇段对伺服电机的 调节和功率的影响较大”的问题，o r e e n o u g h 与j o n e s 采用二自由度七杆机构作 为运动合成机构( 图1 - 4 所示) ，同样可以实现变规律输出运动。他们以减小伺 服电机的功率为目标函数，通过优化综合得到七杆机构的尺寸参数，结果验证 可以把伺服电机的功率减小大约5 0 。七杆机构之所以能够大大减小伺服电机 在停歇段的功耗，是因为七杆机构本身可以实现近似停歇的运动规律( 如近似 圆弧轨迹) ，而不是单纯依靠两个原动件之间的运动相互抵消来实现近似停歇运 动的。因此选用合理的机构方案可以改善“停歇段对伺服电机的调节和功率的 影响较大”的问题。 图1 4 二自由度七杆机构 v a d d i 5 5 1 以两自由度五杆机构的轨迹曲线实现变凸轮廓线的功用。往复移 动输出构件上有一与运动方向垂直的导槽，五杆机构中连杆上的轨迹发生点处 装有一滚子与从动件上的导槽相配合。当五杆机构生成不同的轨迹曲线时，可 使从动件实现不同的输出运动。五杆机构中的两个输入构件，文中分别称为参 6 第一章绪论 考输入( r e f e r e n c e - i n p u t ) 和控制输入( c o n t r o l i n p u t ) 。参考输入为单向连续整 周转动，控制输入为伺服马达输入。控制输入由参考输入及输出运动决定。对 应输出构件的某一位置，连杆上的轨迹发生点可在导槽的不同位置，故在给定 机构、给定输出运动以及给定参考输入构件的角速度的情况下，五杆机构可以 有不同的初始位置，文中以伺服马达所需的动力最小作为确定机构初始位置的 依据。 a l i l 7s j 应用混合驱动理论，设计了一个混合驱动装置( 如图1 5 所示) ，两个 输入分别由常速电动机和伺服电动机驱动，以实现可变的转动输出运动。并通 过实验表明：通过设计输出运动规律，可以使得常速电动机的功率需求是伺服 电动机功率需求的3 5 倍。其实图1 5 所示机构实际上可以认为是一种曲柄长 度可实时改变的可调机构。 图1 - 5 基于可调机构的混合驱动机构 k a t o l 5 5 j 研究一种混合传输机构。这种机构的运动由两个电机驱动，其中一 个电机输送材料，另一个电机用于控制传输带的张力。 c o n n o r 【7 9 1 - 8 1 建立一种混合五杆机构系统轨迹生成机构的设计方法。文中以 两连杆的铰链点作为轨迹发生点。目标函数取为三部分的加权和，一部分是含 有常规不可控电机驱动构件的二级杆组在实现轨迹时的误差，其二是含有可控 伺服电机驱动构件的二级杆组的可动性惩罚项，第三部分则是实现给定轨迹时 r t a 马达所需角位移的均方根值。优化运算采用遗传算法。 h e r m a n p 2 j 运用混合驱动理论，采用一个差动轮系作为混合驱动系统，该轮 系驱动一个凸轮机构实现可变的变近、远休止时间的柔性输出运动，其计算机 仿真结果表明：采用混合驱动系统比单独运用伺服电机驱动，伺服电机的最大 输出功率和力矩减小7 0 。 第一章绪论 r o c k w e l l 嘲公司利用混合机构的思想设计具有更好打印效果的打印机。 与国外相比，国内关于混合驱动机构的研究较少，对混合驱动机构进行实 验研究的则更少，东南大学程光蕴i 矧等人提出用含移动副的混合驱动五杆机构 实现精确轨迹的输出。其采用两步设计：即先将调节滑块固定，则该机构就成 为一个单自由度四杆机构，通过优化综合设计该机构的几何尺寸使其能近似实 现给定轨迹；然后，在该四杆机构的基础上加上运动调节滑块，依靠可控电机 进行微运动补偿和调节，使该混合输入双自由度五杆机构精确生成给定的轨迹。 武汉冶金工业大学的孔建益【1 1 j - 【1 3 1 也对混合输入双自由度五杆机构实现精 确运动规律方面进行了研究，即依靠可控电机进行微运动补偿和调节。最后实 现的运动一般都是单一的运动规律。目前其研究限于运动学仿真方面，未见有 动力学研究和实验验证。( 其中一个原动件作匀速运动，而控制另一个原动件使 其按给定运动的要求作补偿运动，这样在机构运转中，就相当于有无数个几何 参数不同的四杆机构。因此，具有一个受控原动件的五杆机构能够实现单自由 度无法实现的给定运动。) 上海交通大学周洪【5 7 】。【5 8 】、周双林嘲。对混合输入型机电系统的设计、建 模和控制进行了研究，提出了平面闭链五杆机构工作空间的求解算法。 刘建琴博士【5 9 】对“弹性连杆机构创成轨迹的精度控制”进行了理论和实验 的研究。为减小弹性影响，作者通过引入另一个原动件可控电机( 步进电 机) 来微调曲柄的长度，以此补偿弹性对输出轨迹的影响，提高轨迹精度。 张新华博士【7 】对实现轨迹创成的混合可控机构的分类、可动性和曲柄存在 条件、运动耦合性、压力角分析、动力与功率分配等问题进行了较为系统的研 究。 田汉民【9 3 】对混合输入五杆机构的工作空间、运动学、动力学进行了分析研 究，在此基础上进行了尺寸综合，并以生成椭圆、正方形和椭圆族曲线作了优 化设计。 卢宗武【l o 】对可控压力机的研究在于：运用基于拓扑理论的创新设计方法从 原始机构出发找到大量的具有相同构件数和运动副数的机构方案，为机构的型 综合创造条件；提出了滑块运动规律的调节可以通过改变伺服输入运动规律、 改变两个原动件起始相位等方法实现的观点；并采用优化方法对可控压力机混 合驱动机构进行尺寸综合。 李永刚【9 4 】对混合驱动精压机的结构参数和伺服电机的运动规律进行了优 化设计，得出了混合驱动精压机可以实现的多组滑块运动规律，并对混合驱动 精压机进行了动力学仿真。 李辉博士1 9 】对混合驱动可控压力机的基础理论进行了深入的研究，作者首 第一章绪论 先研究了混合驱动压力机主机构的优化设计理论，基于正运动学分析和功率分 配，分别用分段多项式和b e z i c r 曲线对伺服电机的运动规律进行了优化，通过 实例表明：改变伺服电机的运动规律，可实现滑块运动规律的柔性输出；其次， 建立了混合驱动七杆机构的动力学模型，并将其与直流电动机的动力学模型相 结合，建立了混合驱动压力机机电系统的动力学模型：最后提出了混合驱动压 力机的控制模型并进行了动力学仿真。 从上面的分析可以看出，尽管国内外对这一领域进行了大量的研究，但只 涉及到机构学中单运动规律的运动分析和综合、再现成组运动规律的分析与综 合，而对混合驱动机构动力、功率分配问题和最优控制等方面研究较少，特别 是对混合驱动机构实验方面的研究、运动控制软件的开发和实时在线误差补偿 等方面的研究还尚未展开，有待进一步的研究和开发。 1 2 2 伺服电机应用于压力机的研究 目前，对于驱动元件采用可控电机，执行机构为闭链机构的机电耦合型可 控机构在实际生产中应用曰益广泛。它是一种具有柔性输出的机构，它采用伺 服电机、步进电机等可控电机来对输入运动进行有效控制，高性能的实时可控 电机使得运动的可编程性成为可能，改变控制程序就可使同一机构系统实现不 同的输出运动规律闭。机电耦合型可控机构包容面较宽，其中变输入机构和混 合驱动机构是它的两种主要的应用类型。 图1 6 可控凸轮机构 变输入机构是指输入运动由微机实时控制的单自由度闭链机构，如图i - 6 所示为可控凸轮机构，通过输入转速的变化，在凸轮形状不变的条件下，可以 使从动件的运动规律改变，这在不可控机构中是无法实现的。 混合机构是指多自由度闭链机构的某些输入运动由微机实时控制的机构， 如图1 7 所示为可控平面连杆机构。图l - 7 ( a ) 所示混合输入五杆机构，改变 9 第一章绪论 可控电机的转速，可得到变化的轨迹。图1 7 ( b ) 所示混合输入七杆机构，输 出杆的摆动规律可由可控电机控制。图1 7 ( c ) 所示混合输入移动输出七杆机 构，改变可控电机的转速可以使移动滑块得到不同移动量和移动规律，可用在 精密冲床、金属压力机等设备中【2 】。 ( b )( c ) 图l - 7可控平面连杆机构 由于混合驱动机构具有：柔性输出、改进运动参数、改进动力参数、振动 控制、误差补偿等功能，可使工作机械达到性能优良、输出柔性、机电融合的 先进水平，因此对混合驱动机构的研究己日益受到机构学界的重视。研究混合 驱动机构的同时，人们对全伺服驱动的可控机构也进行了一定的研究。 颜鸿森等【8 3 】- 【州用微机控制的直流伺服电机驱动凸轮做变速运动来改变从 动件的运动学特性。用微机控制的直流伺服电机驱动曲柄滑块机构来改变滑块 的输出运动特性【s 5 1 。用微机控制的直流伺服电机驱动w a t t t y p e 压力机，通过优 化伺服电机的运动规律，调节滑块的输出运动，以满足压力加工工艺的要求并 改善了机械系统的运动特性i s 6 。旧。 c h e w 和p l a n t ”】通过仿真研究发现，通过伺服电机控制凸轮变速运动，不 仅可以改变从动件的运动学特性，而且可以有效地降低从动件的残余振动。 姚燕安隅9 】【9 i 】研究以微机控制的伺服马达作为原动机与控制器构成凸轮机 构的主动控制系统。实质上是将等速马达驱动的等速凸轮机构系统交成伺服马 达驱动与控制的变速凸轮系统。他应用最优控制理论设计凸轮的转速函数，提 出凸轮转速设计准则和设计方法，从而改善凸轮机构的运动特性和残余振动特 性。最后通过凸轮机构的运动控制和振动控制的实验，取碍一定的效果。一 在伺服电机驱动连杆机构的研究中。t o k u z 6 1 1 首先建立了用无刷伺服电机 驱动的四杆轨迹创成系统模型，通过仿真分析发现伺服电机驱动的四杆机构可 以减小连杆曲线误差，并改善机构的运动学及动力学特性。 近年来，由于金属冲压工业的迅猛发展，曲柄压力机目前正朝着大型化、 高速化、宜人化和自动化方向发展。随着伺服电机制造水平的提高和控制技术 i o 第一章绪论 的完善，伺服电机直接驱动的小型甚至中型压力机将得到广泛应用，混合驱动 的中型和重型压力机的研制将为压力机增添新的品种，对我国锻压设备水平的 提高有着重要意义。 将伺服电机引入压力机驱动系统有两种方式： 第一种方式：用伺服电机直接驱动压力机，其结构形式与普通机械压力机 相同，仅将普通电机换成伺服电机，其仍为单自由度机械系统。调节伺服电机 的输入可以改善机构输出的速度特性和动力学性能。 第二种方式：采用混合驱动机构，用伺服电机与常规电机混合驱动压力机， 其结构形式与普通压力机截然不同。常规电机和伺服电机的输入通过一个二自 由度机构合成之后驱动滑块往复运动，不仅可以改善输出动力特性，而且能够 改变滑块输出运动规律，以满足不同加工工艺的需要。 采用第一种方式的研究主要集中在日本和美国【1 1 0 1 。 1 1 2 l 。另外中国浙江大 学的叶云岳蚓l 明也成功地完成了直线电机驱动小型压力机的研制。 日本会田公司和发那克公司【9 6 1 共同开发了一种高效率生产小型冲压件的 伺服电机驱动的压力成型机“伺服成型设备a f 系列”，这种成型设备可用于生 产多种引线的引线框、手表机芯的精密齿轮、精密汽车零件等小型精密零件。 这种新型设备在碰到工件的瞬间，冲头的速度可以控制减缓，因此不仅减少了 震动和噪声，冲头也不易损坏。 日本m u t a t e c 公司【9 】生产了如图1 - 8 所示的m o t o r u m 2 0 0 0 转塔式冲 床，采用伺服系统来改善转塔式冲床的工作性能。实现了较同类机械高出1 5 0 的生产率，同时抑制了震动和躁声。但这种由伺服电机驱动的单自由度曲柄压 力机，其最大缺点是由于受伺服电机功率和价格的限制，只应用于小功率的小 型压力机上。 日本k o m a t s u 公司1 1 1 开发的h 2 p 型2 0 0 吨可编程金属压力机，其一部机器 可以实现多种不同任务，包括冲剪、拉深、板金锻压、级进模冲压等。但伺服 输入机构在提供运动可调性的同时，功率需求比同类型的普通压力机大2 3 倍。 这主要是因为追求控制响应的快速性，难以有效应用飞轮调速等节能措施。 美国俄亥俄州大学机械制造工程中心的s y o s s i f o n 和r s h i v p u r i 1 1 0 】i 2 1 等 人以伺服电机驱动的曲柄压力机为研究对象，确定了一种可用伺服电机驱动的 双肘杆式压力机，比较了这种压力机和另外的连杆驱动压力机的载荷特性；优 化设计了该双肘杆式压力机的尺寸参数，使其能够满足在加载过程中保持不变 的转矩和速度，以满足加工工艺的要求；通过机构的参数优化设计、载荷和扭 矩分析，制造了3 0 t 双动式机械压力机，如图1 - 9 。该研究工作包括三个阶段： 第一阶段通过几种不同机构的比较，确定了使用伺服电机驱动旋转式双肘杆式 第一章绪论 压力机，并确定其工作行程为4 英寸。第二阶段通过运用k i n l y n 和c a t i a 的计算机程序对几种不同的连杆机构进行运动学仿真，通过比较确定了旋转双 肘杆式压力机方案及其各部分尺寸参数。第三阶段，设计和建立了一种压力机 原型，通过采用适当的控制方案，控制电机的转向和冲锤的速度。该研究结果 表明，运用伺服电机控制的双肘杆式压力机，其速度在加载过程中几乎保持不 变，这种特性适用于拉深加工和薄板金属的成型工艺，并且这种高功率伺服电 机驱动的连杆机构压力机将随着伺服电机功率的提高而得到广泛应用1 9 】。 服电机 图1 8 伺服电机驱动的冲床 图l - 9 伺服电机驱动双肘杆压力机 台湾成功大学的r o n g - f o n gf l i n g 和k e n w a n gc h e n t i n 等人利用 永磁铁伺服电机驱动曲柄滑块机构，精确实现了对滑块的位置控制。 r o n g - f o n gf l i n g 等将伺服电机和曲柄滑块机构作为整体研究对象，建立了 整个系统的运动学和动力学模型，在系统各项参数已知的条件下，设计了自适 应控制环节，在改变作用在滑块上的外载荷和滑块质量的条件下，考察了外载 荷对整个系统控制精度的影响。该研究结果表明，采用自适应扭矩控制技术， 利用伺服电机驱动曲柄滑块机构，通过计算机控制伺服电机的转速，可以精确 地控制滑块相对于电机转角的位置，但这些研究只限于用伺服电机控制单自由 度机构。 日本、美国、台湾的研究表明：采用伺服电机驱动机械式压力机，通过适 当的控制方法，能够精确地控制机械压力机冲锤的位置和速度，从而提高生产 率，满足生产加工工艺对冲锤速度特性的要求。但是由于伺服电机自身输出功 率较小，无法满足大中型曲柄压力机的要求。 第一章绪论 浙江大学叶云岳教授 9 6 】。 9 7 1 自8 0 年代末开 始研究直线伺服电机驱动的锻压设备，成功地 完成了直线电机驱动小型压力机的研制。现在 已能小批生产5 k n 、1 0 k n 、3 1 5 k n 、6 3 k n 冲压机，1 0 0 k n 、3 5 0 k n 正在进行试制。理论 和实践证明直线电机驱动压力机结构简单，体 积小、重量轻，易于采用智能化自动控制，冲 压吨位、工作频率、冲压速度和工作行程调节 方便，非常具有发展潜力。目前其主要问题在 于直线电机的设计和制造技术还不能满足锻压 设备的要求，大吨位的压力机研制还十分困难。 综上所述，采用第一种方式，由于受到伺 服电机功率和扭矩较小的限制，目前还很难用 伺服电机直接驱动大、中型吨位的压力机。为 图1 1 0 琢始机构示意图 解决单自由度驱动压力机的这些缺点，结合混合驱动机构的研究，天津大学机 械工程学院张策教授领导的课题组，首先提出了混合驱动压力机的设想，即采 用第二种方式，并对此进行了系统的研究。 陆永辉【g j 在混合输入机构驱动曲柄压力机的研究中采用了图1 1 0 所示混合 驱动方案。研究中首先根据工艺对滑块的运动特性要求，通过逆运动学分析求 出伺服电机理想的运动规律，然后以伺服电机速度波动最小为目标函数优化设 计了各杆尺寸；通过对混合驱动机构进行动态静力