（机械设计及理论专业论文）自调自适应机构及其分析与综合.pdf

中文摘要 摘要 白调机构主要是基于平面闭链机构中广泛存在的过约束而提出的，它研究的 对象是机构本身。由于过约束的存在，造成机构对制造、安装误差特别是运动副 元素的形位误差十分敏感，同时由于不可避免的内部和外部不确定因素的影响， 常会造成机构运动的“障碍”及系统中某些构件的变形和运动副中的附加动载荷，使 其动力特性较差，如不通过设计加以解决，则难以满足高效率、高稳定性的要求。 因此，研究运动副形位误差对平面闭链机构的动力学性能的影响程度，为机构的 误差控制和精度设计提供了基础。 自适应机构是一类特殊而又广泛应用的机构，目前主要指的是内力加压装置。 这类机械装置允许其工作对象的尺寸、位置在定的范围内变化，它适应的对象 主要是指外部对象。对于自适应机构的本身，过约束的消极影响仍然存在。因此， 研究这类自适应机构的创新设计方案及其自调结构的设计的有效方法和途径，对 于提高机构的性能和工作稳定性，都具有积极的意义。 本文对自适应机构的创新设计及其自调结构的设计、运动副误差对平面连轩 机构的动力学性能的影响程度进行了深入、系统的研究。首次对“自适应机构”作出 了定义，并且总结出了自适应机构分析综合的一般方法。以自由度为1 的8 杆链 为基础，首次提出了自适应机构的自调结构的设计及其优选方法。以结构力学中 处理静不定结构的受力分析方法为基础，通过分析机构的变形协调条件，并根据 拆副处的实际铰链轴线相对理沦正确的铰链轴线的位移量以及方位角的变化量， 提出了存在运动副误差的平面连杆机构的动力学单因素定量分析方法，建立了机 构中不同运动副、不同运动副元素在不同平面内存在误差时机构的动力学方程， 从而为机构的结构设计及其精度设计提供了理论依据。最后应用a d a m s 软件， 建立了运动副误差对机构性能影响的动态仿真模型，分别从定性和定量的角度说 明了运动副误差对机构动力学性能的影响程度。 本文的工作，丰富了机构结构设计理论，提出了自适应机构的创新综合方法， 进一步推进了平面约束不确定性的影响分析及自调结构的分析、设计理论与方法 的研究。 关键词：自调机构，自适应机构，过约束，综合，运动副误差，动力学。a d a m s 薹茎塑錾 一 a b s t r a c t c o m p a r e d w i t hs e l f - a d a p t i v em e c h a n i s m ，w h a ts e l f - a d j u s t i n gm e c h a n i s ms t u d i e si s t h em e c h a n i s mw i t ho v e r c o n s t m i n ti t s e l f , b e c a u s eo fo v e r c o n s t r a i n t ，i ti sv e r ys e n s i t i v e t ot h ef a b r i c a t i o ne r r o r ，a s s e m b l ye r r o ra n da n g u l a re r r o rf r o mt h ea x i so fk i n e m a t i c p a i r s a n dt h e u n a v o i d a b l ei r i f l e ro ro u t e ru n c e r t a i nf a c t o r sl c a dt ok i n e m a t i co b s t a c l e ， d e f o r m a t i o no fc o m p o n e n t sa n da d d i t i o n a ld y n a m i cl o a do fk i n e m a t i cp a i r s ，w h i c h m a k e si t sd y n a m a t i c sp e r f o r m a n c er e l a t i v e l yb a d t h e r e f o r e ，i f t h i sp r o b l e md o e sn o tt o b es o l v e d ，i ti sd i f f i c u l tt om e e tt h er e q u e s to f h i g hs t a b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y s e l f - a d a p t i v em e c h a n i s m ，w h i c h a r em a i n l yi n t e r n a lf o r c ee x e r t i n gd e v i c e sa t p r e s e n t ，i ss p e c i a l a n du s e de x t e n s i v e l y t h i sk i n do fm e c h a n i c a ld e v i c ea l l o w si t s w o r k p i e c e ss i z ea n dp o s i t i o nv a r i e di nc e r t a i nr a n g e ，a n dw h a tt h e ys t u d ya r ee x t e r n a l o b j e c t s o ，t ot h e m s e l v e s ，t h en e g a t i v ei n f l u e n c eo f o v e r c o n s t r a i n ts t i l le x i s t t h e r e f o r e ， i ti sm e a n i n g f u lf o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f m e c h a n i s ma n dw o r k i n gs t a b i l i t yt o s t u d y t h ei n n o v a t i v e d e s i g n o fa d a p t i v em e c h a n i s ma n dt h e i re f f e c t i v e d e s i g n o f s e l f - a d j u s t i n gs t r u c t u r e ， i nt h i s p a p e r , t h e i n n o v a t i o n d e s i g n o f s e l f - a d a p t i v em e c h a n i s m ，d e s i g n o f s e l f - a d j u s t i n gs t r u c t u r ea n d t h ei n f l u e n c ed e g r e eo ft h ed y n a m i c sp e r f o r m a n c ec a u s i n g b ya n g u l a re r r o rf r o mt h ea x i so f k i n e m a t i cp a i r sh a v eb e e nc a r r i e do u ts y s t e m a t i c a l l y ” s e l g a d a p t i v em e c h a n i s m ”w a s d e f i n i t e df o rt h ef i r s tt i m e ，a n dt h eg e n e r a la n a l y s i sa n d s y n t h e s i sm e t h o do fs e l f - a d a p t i v em e c h a n i s mw a ss u m m a r i z e d l h ed e s i g nm e t h o da n d o p t i m u ms y n t h e s i sm e t h o do fs e l f - a d j u s t i n g s t r u c t u r ea b o u tt h i sm e c h a n i s mw e r e p r e s e n tf o rt h ef i r s tt i m e d y n a m i c se q u a t i o n sw i t hd i f f e r e n ta n g u l a re r r o rw e r es e tu pb a s e do nt h ef o r c e a n a l y s i sm e t h o do fs t a t i c a l l yi n d e t e r m i n a t es t r u c t u r e ，a n db a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no f c o m a l t i b i l i t yc o n d i t i o no f t w i s t i n ga n db e n d i n gd e f o r m a t i o no fl i n k a na n a l y s i sm e t h o d f o r t h ed y n a m i c so f p l a n a rl i n k a g ew i t hk i n e m a t i c - p a i r a x i se r r o r sw a sp r e s e n t e d ，w h i c h o f f e r e dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h es t r u c t u r a l d e s i g na n dp r e c i s i o nd e s i g no f m e c h a n i s m f i n a l l y , t od e m o n s t r a t et h ed e g r e eo f i n f l u e n c eo f d y n a m i c sp e r f o r m a n c ec a u s i n g b ya n g u l a re r r o rf r o mt h ea x i so f k i n e m a t i cp a i r s ，ad y n a m i ce m u l a t i o nm o d e lw a ss e t u pb yu s i n ga d a m s s o f t w a r e 1 1 1 重庆人学硕l 学位论文 k e ) 1 v o r d s ：s e l f - a d j u s t i n gm e c h a n i s m ，s e l f - a d a p t i v em e c h a n i s m ，o v e r c o n s t r a i n t ， s y n t h e s i s ，k i n e m a t i c - p a i r - a x i se r r o r s ，d y n a m i c s ，a d a m s i v i 绪论 1 绪论 1 1 自调、自适应机构的概述 在机构及机械系统中，通过可动联接对构件加上了各种约束，其中有些约束 可能与其它的约束对系统产生的制约相重复，这样的约束我们称之为过约束。 上世纪八十年代以来，随着高速、高可靠性、节能高效及自动化、智能化机 构的发展需要，对闭链机构中的过约束以及自调机构进行更加深入系统的研究吸 引了机构学者的注意。俄国学者1 j h p e l i i e t o b 在比较系统地总结前人的研究成果的 基础上，提出了能准确分析过约束类型和数量的“回路自由度法”以及运动链中的 “自由度替代”概念，论述了无过约束或少过约束机构的结构学设计和工程实用设计 的基本方法，首次明确地把无过约束机构称为“自调机构”。 近十几年来，对平面机构过约束及自调机构的研究一直受到国内外的普遍重 视，并对此进行了大量的研究工作，取得了一系列突破性的进展。具体表现如f ： 在过约束机构的分析和综合方面，俄国学者1 7 i p e l i l e t o b | 4 8 在系统总结前人 研究成果的基础上，提出了运动链中的“自由度替代”概念，并据此提出了能准确分 析机构中过约束的数量、类型及其所在回路、同时还可判断局部自由度存在位置 的“机构过约束的回路自由度分析法”，从而为消除或减小过约束影响的机构自由度 设计提供了方向和手段，此外，还论述了无过约束或少过约束机构的结构学设计 和工程实用设计的基本方法，首次明确地指出“静定”是判断机械中有无过约束的根 本标志，并将无过约束的机构称为“自调机构”。a ci q p e h h k o b t 4 6 】通过对机构约束特 性的研究，提出了对加工误差不敏感的“结构最优机构”设计原则，从而将秽l 构结构 学理论与工程实际、将机械设计与机械制造有机结合起来，为学科的发展与交叉 融合作出了贡献。李宗良等1 4 7 1 分析了虚约束( 平面过约束) 对机械工作能力和可 靠性的影响，提出了“最优结构的机构”的综合准则。曲继方等1 4 8 1 提出了应用机构自 适应变换原理，通过选用自位轴承、基本构件浮动、运动副合理选配及组合等消 除过约束的方法；金琼等【4 9 1 对于常规位置分析为一鳃的空间单回路，阐明了过约 束机构存在条件包含过约束条件和封闭条件两部分，检验了两个已有的5 杆过约 束的存在条件，为发现新的过约束机构提供了理论依据；更具创建性的是在常规 的过约束三种分析方法：几何法f 由几何直观或综合推理得到的过约束机构1 、螺旋 理论p 5 “1 ( 有直观分析法和螺旋相关性判别法。其出发点是瞬时速度分析，即只能 研究机构的瞬时可动性，而不能保证其恒可动性) 以及解析法 6 l 6 2 j 的基础上，提出 了基于单开链运动相容性的过约束机构分析新方法【6 3 i 。美国学者m a v r o i d i sc 等1 6 4 , 6 5 】 对机构过约束的分析计算也进行了深入研究，提出了将单闭环机构的末杆与机架 断丌，采用d h 标记法，建立构件问的坐标转换矩阵并求解机械手末端特征多 重庆大学硕士学化论文 项式的根，由此判断单闭环机构过约束的方法。美国学者b a g c ic 脚4 研究了有限 元梁单元模型和静不定次数来确定结构自由度，进而确定单环和多环机构中过约 束的方法。美国学者h a u g ej i 删在机构的结构分析中，采用了解析法和计算机辅助 分析技术，提出了一种通过建立机构( 运动链) 的约束方程和约束j a c o b i 矩阵， 识别机构中由于重复结构而引入的多余约束以及消除多余约束的数值计算方法， 将过约束的定量分析方法向前推进了一步。 以上研究大多局限于对过约束的理论分析计算和识别判断方法，以及过约束机 构的设计及某些应用的研究，而对最普遍、最基础、应用也最广泛的平面闭链中 的过约束的综合适用分析，以提高机械品质、降低成本为目标的消除或减少过约 束的不利影响，以及基于约束不确定的自调、自适应结构学设计、工程实用化结 构设计及应用等方面的研究则涉及较少。秦伟 8 l 、林军1 7 l 等在分析、总结上述研究 成果的基础上，讨论了机构无过约束设计的一般理论和方法，系统地总结和发展 了“零自由度结构组”、“平面自调结构组”以及初步采用了行星齿轮机构的“结构集” 等概念，明确地提出了这些“组”、“集”的构型原理和设计准则，提出了某些结构消 除过约束结构的所有可能的配置方案及评判、优选的原则。 在过约束机构的受力分析方面，董军m 1 提出了将静力确定性机构力分析法与 静不定机构的力分析法相结合的求解方法，对具有虚约束( 平面过约束) 的平行 四边形机构进行了受力分析和求解。曾励t - t ”和朱才朝【7 2 1 分别研究了平行轴少齿差 行星齿轮传动机构的受力分析问题，针对机构中存在虚约束，运动链不满足静定 条件，机构受力无法用刚体力学方法完全确定的情况，通过引入位移协调方程， 从而实现了对机构受力问题的求解。文献【8 】将结构力学中处理静不定结构的力分 析法与平面连杆机构的动态静力分析法相结合，提出了以构件的扭转变形和弯曲 变形为基础的变形协调条件，建立了考虑非运动平面几何过约束的平面连杆机构 动力学分析模型，从而揭示了这类过约束对机械性能的影响机理。 在自调机构的分析与综合方面，美国学者l h o w e l l 等p 3 1 研究了具有挠性铰 链，能自动适应工作对象的形状、尺寸变化的柔性机构设计。c h u a n g1 7 4 1 研究了自 动适应外部作用力变化的闭链机构综合问题。德国学者j v o l m e r ，k l u c k 等t 7 5 , 7 6 提出了通过引入机构所缺少的自由度和采用较理论上要求的自由度多的运动副的 原则，也就是将平面机构在结构上按空间机构来设计，从而使机构获得自调性， 并将这种设计思想在液压径向活塞式发动机的平面曲柄滑块机构和冰箱压缩机的 十字滑块曲柄机构的设计中得到应用。我国学者张启先m 1 和美国学者j es h i g l e y t 7 8 1 也提出了类似的观点，即在制造、安装误差较大或构件变形影响较大的场合，为 了保证机构运动的可靠性，应当采用球面副或圆柱副以及足够多的转动副，把平 面机构从组成上设计成一般空间机构。俄国学者h h p e j r e t o b l 4 5 在机床、仪器、内 2 1 绪论 燃机、柴油机、压缩机等机械设备和装置中，都广泛地应用了具有自调性能的平 面连杆机构或采用了无过约束的结构设计技术。美国学者r cj o h n s o n 及日本学者 飞峙浩等1 7 9 8 0 1 对自适应及自调结构，提出了设计原则并进行了具体对象的应用研 究。 近年来，黄茂林、秦伟i s l 等首次引入了“平面约束不确定”的概念，将消除和减 少过约束影响的设计与现代不确定性设计、稳健设计等有机结合起来，为自调及 自适应结构的设计开辟了一个新的途径。还在过约束及自适应结构的研究与工程 应用方面也取得了定的进展和成果。并在新型机械式脉动无级变速器的开发及 复杂曲面的随形打磨机器人的研制等都有成功的应用 8 1 , 8 2 1 。对平面机构中过约束 分析方法f 8 3 碣5 1 、考虑误差的过约束机构动力分析及自调结构组0 8 6 8 8 等方面进行了 较系统的基础研究。 综上所述，国内外机构学者对平面机构及机械系统中过约束的分析研究已取 得若干重要进展，然而总体来看，当前对无过约束机械结构设计，在理论研究、 设计方法以及工程设计中。主动、有效的应用还存在许多有待深入系统研究和解 决的问题。主要有： 缺少对机械系统平面约束不确定性的本质认识与定性、定量描述方法的研 究。特别是对约束不确定影响扩散及在系统中的传递与耦合的研究不够深入、系 统。影响了消除过约束措掩的有效性及在工程实际应用中的实用性。平面约束的 不确定性，一方面是指过约束及其影响程度的不确定性；另一方面是指导致平面 约束不确定性的各种因素本身的不确定性( 如构件中形位误差的实际大小、构件 材料性质及质量的分布等) 和随机性( 特别是外部环境条件的变化) 。而以往仅限 于过约束障碍的定性分析，对各影响因素不确定性的引入及处理研究不够。 对造成平面约束不确定的重要根源系统中运动副元素的形位误差的 影响及其定量分析建模缺乏研究。已有成果仅局限于自由度及运动障碍等方面， 采用几何计算及运动分析的方法。而这些误差对机械系统动力学特性影响的定量 模型的建立和影响度的分析研究甚少，导致不能对系统中过约束性质及对动力性 能的影响度进行正确判断，造成设计中消除过约束结构的采用和精度控制的经验 性与一定程度的盲目性。 考虑运动副元素的形位误差及其不确定性的机械系统弹性变形规律及运 动副反力的真实分布规律的分析计算，还缺乏深入的研究及有效模型与方法的建 立。这是机械系统动力学的一大缺陷。 对自调机理及条件与运动副类型的合理配置，以及各种有效的可动联结的 工程结构等深入、系统的研究不够。因而也很大程度上影响了自调机械结构的推 广应用。 3 重庆人学硕士学位论文 对机械系统中过约束的本质分析，过约束类型及数量的计算，回路的划分， 自调子系统的构建与模型的建立，及其计算机辅助设计技术等还有待进一步研究 与完善。 已有的研究一般仅从力的静定原则来判断过约束的存在，并在此基础上确 定消除过约束结构，实现机械自调的设计准则。忽视了实现动态稳定性的自适应 自由度的研究，并未能将消除结构内部过约束与对外部约束变化的自适应设计统 一起来，以减小外部约束的随机变化对机械工作性能的影响。 针对上述问题，黄茂林、安培文i 1 0 1 在已有的研究成果的基础上，以工程实际 中广泛使用的平面连杆机构为研究对象，以高效、高稳定性及低成本为主要目标， 对机械中的约束与过约束、自调机理与自调结构、运动副误差对平面连杆机构约 束不确定性的影响程度以及无过约束机构的设计理论与方法进行了深入、系统的 研究，从而丰富了机构结构设计理论，推进了平面约束不确定的影响分析及消除 其不利影响的自调机构的结构分析、设计理论与方法的研究及自调机构系统的工 程应用，具有普遍的指导意义和重要的应用价值。 在自适应机构方面，美国学者r c 约翰逊在文献【1 中针对内力加压装置的综 合时，提出了其运动链的一些结构特征及其综合方法。但是对此类机构的型综合 方法，特别是关于功能结构化设计的讨论不够深入、系统，也未提出自适应机构 的概念。 在常用的机械系统或装置中，有一类机械系统或装置在工作时其输出构件处 于相对静止或只产生非常微小的位移，整个系统各构件处于相对静止状态，成为 一个静定的或超静定的构件系统。这类机械系统又可称为内力加压装置( i n t e r n a l f o r c ee x e r t i n gd e v i c e s ) 。如各种央持器( 包括机器人的手爪系统或抓取器) 、杠杆系 统、剪切装置、差动式制动器、离合器、铆钉机、精压机高炉开口和堵渣机等。 这类机械装置的工作对象，其尺寸、位置都允许在一定的范围内变化；另外 其工作机构本身由于不可避免的尺寸误差、变形或磨损的存在，则要求能在一定 的尺寸变化范围内能可靠地工作。我们将这类以力封闭为特征、能自动适应工作 对象及工作构件的尺寸与位姿变化、具有相应的结构自由度的机构称之为“自适应 机构”。 鉴于这类机械应用的广泛性及其结构的特殊性，故如何为创新设计这类自适 应机构的方案提供一个有效的方法和途径，就显得十分必要了。 有关机构类型刨新设计理论与方法的研究尚处于初期发展阶段，目前主要有 以下的一些特点【3 】： 从具体机构的创新设计入手，逐步探讨其一般的理论与方法。比如，开窗 调节机构的结构类型优选 9 2 l ，变冲程内燃机驱动机构的结构类型优选1 9 3 j ，电流断 4 绪论 路器三自由度控制机构的结构类型优选9 4 1 ，油田抽油机构的结构类型优选1 9 纠，汽 车刮雨器机构的类型优选p 6 1 ，行星齿轮传动用连杆式均载机构的结构类型优选【9 ”， 汽车用差动轮系的结构类型优选等一。 文献9 3 ，9 6 1 1 提出了“按照结构类型与功能分离进行机构创新设计”的基本思想， 它有助于机构结构类型综合的自动生成，但易产生结构类型的“组合爆炸”。为此， 应考虑“机构功能”对“拓朴要求”的约束要求，即应深入、系统地研究机构拓朴结构 与其运动学、动力学特性之间的内在联系。 以现有机构工作原理及其结构类型为机构创新设计的雏形，归纳出对新机 构的功能要求及拓朴要求并完成结构类型综合，从中筛选出比原有机构更好的结 构类型。这是对现有机构进行重大改进设计的重要途径之一，易于实现技术进步 和较显著经济效益。 由预定的功能确定对机构的拓朴要求以及结构类型优选需考虑众多因素， 又难以用数学描述，故多用专家系统完成。 1 2 考虑运动副误差的平面连杆机构的受力分析 1 2 1 机械动力学分析的发展及研究现状 任何机械都有运动，任何机械都有力的作用。机械动力学就是研究机械在运 动中产生的力和机械在力的作用下的运动的科学。 机械动力学的分析过程，按其任务之不同，可分为两类问题【9 3 i ： 已知机构的运动状态和工作阻力，求解输入扭矩和各运动副反力及其变化 规律； 给定机器的输入扭矩和工作阻力的变化规律，求解机器的实际运动。在许 多文献中称前者为逆动力学，后者为正动力学。这种分类是从分析过程的任务着 眼的。 还可以从分析方法的内容对动力学分析过程作另一种分类。由于动力学研究 的复杂性，人们常常引入一些假设，使问题简化。随着生产实践的发展，对动力 学分析的准确度提出了新的要求：随着科学技术的发展，为动力学分析提供了新 的理论和手段。因而，动力学研究发展的总趋向是：逐步地将这些假定抛弃，日 益地使分析更接近客观实际情况。在机械动力学发展过程中先后出现了四种不同 内容的分析方法：静力分析、动态静力分析、动力分析和弹性动力分析。 静力分析( s t a t i c a n a l y s i s ) 对低速机械，运动中产生的惯性力可以忽略不 计。对机械的运动过程中各个位置，可用静力学方法求出为平衡负荷而需在驱动 构件上施加的输入力或力矩，以及各运动副中的反作用力。这是历史上最早出现 的力分析方法。对许多速度不太高的机械，现在仍用静力分析的方法来计算原动 5 重庆大学硕士学位论文 机的功率和进行构件的强度、刚度计算。 动态静力分析( k i n e t o s t a t i c a n a l y s i s ) 随着机械速度的提高，惯性力不能 再被忽略。根据达朗伯原理，可将惯性力计入静力平衡方程来求出为平衡静负荷 和动负荷而需在驱动构件上施加的输入力或力矩，以及各运动副中的反作用力。 这样一种分析方法称为动态静力分析。在这种分析方法中要计入惯性力，而为了 求出惯性力又需要知道构件的加速度，所以在动态静力分析中首先要进行运动分 析。在进行运动分析时是假定驱动构件按某一理想运动规律运动的，例如，多数 驱动构件均被假定为做等速回转运动。由于采用了“驱动构件等速回转”这一假定， 在动态静力分析中便不涉及原动机的特性，因而，这在本质上是种理想化运动 状态下的力分析。现在对许多速度较高的机械，均用动态静力分析代替了静力分 析。 动力分析( d y n a m i c a n a l y s i s ) 在力的作用下，机械并不能维持“驱动构件 等速回转”这种理想化的假定。尽管这种假定在许多情况下是允许的，但在实际的 工程问题中也常常要求知道机械系统是真实运动。动力学分析就是要求出在外力 作用下的真实运动。 在动力分析中抛弃了对驱动构件运动规律的理怨假定，便自然地要把原动机 包括在机械系统之内来进行分析。所以动力学分析的对象是整个机械系统，在有 的文献中也常常称为机械系统动力学。 静力分析和动力分析的数学模型均归结为一个线性代数方程组的求解，而动 力分析则需要求解微分方程。 弹性动力分析( e l a s t o d y n a m i c a n a l y s i s ) 在上述的三种分析方法中，构 件均被假定为刚性的。随着机械向轻量化方向发展，构件的柔度加大；随着机械 向高速化方向发展，惯性力急剧加大。在这种情况下，构件的弹性变形会给机械 的运动输出带来误差。对于一些高精密度的机械，就必须计入这些变形对精度的 影响。机械系统的柔度增大，系统固有频率下降；而机械运转速度提高，激振频 率上升。随着激振频率和固有频率的接近，可能会发生较强的振动现象，既破坏 机械的运动精度，又影响构件的疲劳强度，并力n g r j 运动副中的磨损。在这种情况 下，传统的、把构件看成是刚体的副分析方法已不能满足要求。在这种情况下， 出现了计入构件弹性的动力分析方法一弹性动力分析。 1 2 2 考虑运动副误差的平面连杆机构的受力分析的研究背景 在对机构及机械系统的分析和设计的过程中，由于分析及设计研究的复杂性， 人们常常引入一些假设，使问题简化。其主要表现为：将设计中的切信息和各 个环节的因果关系都看作严格的确定性事物。但是，在机械工程设计中，事物和 6 一 ! 堕堡 一一 - _ _ _ _ _ _ _ _ h _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ - _ ， 一 信息存在大量的随机性和不确定性因素，如载荷、材料性能、零件尺寸、制造精 度和操作条件等，以及利用数学方法对实际问题进行描述而得到的数学模型均存 在不确定性。随着生产实践的发展，对机构及机械系统的分析的准确度提出了新 的要求，而科学技术的发展，又提供了新的理论和手段。因而，逐步地消除这些 假设，使分析日益地接近客观实际情况是机构及机械系统分析的发展趋势。 基于上述原因，黄茂林、秦伟等首次引入了“平面约束不确定”的概念，将消除 和减少过约束影响的设计与现代不确定性设计、稳健设计等有机结合起来，为自 调自适应机构的设计开辟了一个新的途径。使机构不仅具有对外部环境的自适应 而且还具有对机构本身误差的自调性，进一步降低其制造成本，提高其工作的可 靠性。 机械产品高速化、精密化、轻量化、大功率化的趋向不断促进着机械动力学 的发展，要求提供更准确地、更真实地反映客观实际的动力学分析方法。精密化 要求机械的实际运动尽可能与期望的运动相一致。这要求使我们在分析误差时 必须尽可能地计入各种因素的影响，如间隙、弹性、制造误差。但在有关平面连 杆机构动力学分析的诸多方法中，都是把研究对象放在机构运动平面内进行的。 这样的分析结果有时并不能完全反映平面连杆机构受力的真实情况。由于不可避 免的制造、装配误差、构件材料、结构及质量分布的不均匀性以及外部工作条件 和环境的随机变化，都会形成机构运动的广义约束，并以力( 静态力、动态力、 变形力等) 的形式体现约束的本质，即形成在非机构运动平面内的作用力，从而 对机构及机械系统的工作性能产生不可忽视的不良影响。 越来越多的国内外学者已经意识到了这一点，并且提出了一些解决方法。比 如，董军提出了将静力确定性机构力分析法与静不定机构的力分析法相结合的求 解方法，对具有虚约束( 平面过约束) 的平面四边形机构进行了受力分析和求解。 曾励和朱才朝分别研究了平行轴少齿差行星齿轮传动机构的受力分析问题，针对 机构中存在虚约束，运动链不满足静定条件，机构受力无法用刚体力学方法完全 确定的情况，通过引入位移协调方程，从而实现了对机构受力问题的求解。文献 8 】 将结构力学中处理静不定结构的力分析法与平面连杆机构的动态静力分析法相结 合，提出了以构件的扭转变形和弯曲变形为基础的变形协调条件，建立了考虑非 运动平面几何过约束的平面连杆机构动力学分析模型，从而揭示了这类过约束对 机械性能的影响机理。 近年来，黄茂林和安培文首次提出了运动副误差对平面连杆机构约束不确定 性影响度的评判指标和单因素定量分析方法，得到了机构中不同运动副误差、不 同运动副元素误差和不同平面内误差对机构性能的影响程度，从而为机构的自调 机构设计及其精度设计提供了理论依据。同时，这些结果也为进一步研究约束不 7 里鏖查堂堡：主堂堡堡塞 确定性影响在过约束机构系统中的传递与耦合提供了数学基础1 1 叭。 综上所述，平面连杆机构中的运动副的形位误差对机械性能的影响往往是不 可以忽略的。因此，在分析比较前人研究成果的基础上，寻求一种有效的考虑运 动副误差的平面连杆机构的受力分析方法，对于提高机构及机械系统分析的准确 度具有重要的理论意义和工程实用价值。 1 3 本文的主要研究内容 科学技术的飞速发展以及人类对物质产品的高品质的追求，不断地促进着机 械产品的设计方法和制造工艺的改善。为了适应科学技术发展和人类进步的需要， 结合国家自然科学基金资助项目“基于平面约束不确定性的机械自调结构设计研 究与实践”( 项目编号：5 0 0 7 5 0 8 7 ) 的实旌，本论文作了两个方面的研究，一个 是“自适应机构的分析与综合”，另一个是“考虑运动副元素形位误差的平面连杆机 构的受力分析与研究”。 通过综合分析比较当今的研究成果以及现存的问题，充分利用现代设计理论 方法和分析手段，是解决本论文研究内容的一个重要的途径。论文的具体工作如 下： 进一步研究自适应机构的工作机理及结构特征，根据其工作原理、结构特 征，分析比较各种机构的综合方法，探索出一种适合该类机构的型综合方法。 研究自适应机构在具体的工作要求下的功能结构方案设计方法以及结构的 优选方法。以f = 一l 的8 杆链为对象，研究其自调结构的方案与优选。 建立存在运动副误差的平面连杆机构的受力分析模型，针对不同类型的平 面连杆机构进行受力分析的理论研究。 用a d a m s 仿真软件建立虚拟样机，对机构进行动力学分析和优化。 8 2白适心机构的综合方法及其自调结构的殴计 2自适应机构的综合方法及其自调结构的设计 2 1 引言 在常用的机械系统或装置中，有一类机械系统或装置在工作时其输出构件处 于相对静止或只产生非常微小的位移，整个系统各构件处于相对静止状态，成为 一个静定或超静定的构件系统。组成这类机械的机构的工作特征是：在输出构件 未到达工作位置前，整个系统是具有一定自由度的可动系统，在驱动力( 力矩) 的推动下，输出( 工作) 构件将产生一定的位移趋近工作位置。一旦到达工作位 置，工作构件与工作对象产生接触。在驱动力的作用下，工作构件与工作对象之 间在接触处将产生作用力与反作用力，且工作对象一般是不动或可视为不动的， 可以认为与构成机构的机架为一整体，这样工作构件与工作对象间的作用力即可 视为机构的封闭力，整个系统就是在这些力的作用下处于静定或超静定的工作状 态，故这类机械系统又可称为内力加压装置【l l ( i n t e m a l f o r c ee x e r t i n gd e v i c e s ) 。如 各种夹持器( 包括机器人的手爪系统或抓取器) 、杠杆系统、剪切装置、差动式制 动器、离合器、铆钉机、精压机和高炉开口等。 这类机械装置的工作对象，其尺寸、位置都允许在一定的范围内变化；另外 其工作机构本身由于不可避免的尺寸误差、变形或磨损的存在，则要求能在一定 的尺寸变化范围内能可靠地工作。我们将这类以力封闭为特征、能自动适应工作 对象及工作构件的尺寸