凸轮机构优化设计与运动仿真论文.docx

1第1章绪论1.1机构学的现状与发展1.1.1机构学的概况机构学是以运动几何学和力学为主要理论基础，以数学分析为主要手段，对各类机构进行运动和动力分析与综合的学科。机构学为创造新的机器和进行机械发明与改革提供正确有效的理论和方法，以设计出更经济合理、更先进的机械设备，来满足生产发展和人们生活的需求。机构学的发展将直接影响到机械工业各类产品的工作性能以及许多行业生产设备的机械化和自动化程度。机构学作为机械工程技术科学中的一门主要基础学科，近年来由于机电一体化高技术科学特别是工业机器人与特种机器人的发展对机构学理论和技术上的要求，使机构学学科达到了一个崭新的阶段。在国际学术讨论会上，各国科学家一致认为它有如旭日东升，正显出其无比强大的生命力。机构学一方面由简单的运动分析与综合向复杂的运动分析与综合方面发展，另一方面也由机构运动学向机构动力分析与综合方向发展，研究机构系统的合理组成的方法及其判据，分析研究机器在传递运动、力和做功过程中出现的各种问题。机构精度问题也相应地由静态分析走向动态分析。机构联结件的间隙在高速运转时有不容忽视的影响，因而需要研究机构间间隙、摩擦、润滑与冲击引起的机构变形、稳态与非稳态下的动态响应和过渡过程问题。在惯性力作用下，由于机构上刚度薄弱环节的弹性变形，由此研究以振动理论多自由度模态化、线性与非线性、随机的功率谱与载荷谱等为分析手段和方法而形成的运动弹性动力学问题，以及视整个机构系统为柔性的多柔体系统动力学和逆动力学分析、综合及控制问题。它是把整个机构看成是由多刚体组成的多刚体动力学、结构动力学及自动控制等学科发展的交叉边缘学科。由多种、多个构件组成的机构称为组合机构。组合机构与机构系统组成理论的发展使机构学已成为重型、精密及各种复合机械和智能机械、仿生机械、机器人等高技术科学的设计基础理论学科。1.1.2机构学的现状（1）平面与空间连杆机构的结构理论研究研究机构的结构单元及机构拓扑结构特征，如主动副存在准则、活动度类型及其判定、拓扑结构的同构判定、消极子运动链判定等。研究满足拓扑结构要求2的机构结构类型综合及其自动生成。研究机构创新设计的方法学和结构类型的优选。（2）典型机构的运动分析与综合研究连杆机构运动分析新方法的研究，如单开链法、区间分析法、网络分析法和吴文俊消元法等。在连杆机构综合中提出了解析法与优化法相结合的机构尺度综合法、机构装配构形与尺度综合的同伦方法、机构尺度类型及其性能关系的图谱法等。给出了空间7R机构位移方程式的完美形式(16次方程)。采用数值化图谱替代传统的连杆曲线图谱实现机构综合。凸轮机构分析与综合的研究也日益深化。摆动从动件盘形凸轮机构优化设计问题已有较好结果，摆动从动件圆柱凸轮机构凸轮曲面的设计方法也有不少进展。此外，高速分度机构的设计和各种组合机构的设计方法均有不少研究成果。（3）机构动力学问题的研究随着机器向高速、高精度、高自动化方向发展，机构动力学研究的内容越来越广泛。凸轮机构动力学深入研究，从动件运动规律选择、动力学模型建立、动力响应求解和动力综合方法等研究均有不少成果。平面与空间连杆机构振动力的完全平衡方法和振动力与振动力矩完全平衡方法在理论上已有较好的解决。考虑构件弹性的弹性连杆机构动力分析与综合的研究已越来越深入，考虑运动副间隙的连杆机构动力分析及运动稳定性研究取得进展，同时考虑构件弹性和运动副间隙甚至弹流状态的动力分析已有初步研究成果。包含变质量构件机构的动力学也已引起关注并有初步研究。1.1.3机构学的趋势计算机辅助设计使机构学发展到一个新的阶段，它把机构设计理论、方法和参数选取等设计者的智慧与计算机系统所具有的强大逻辑推理、分析判断、数据处理、运算速度、二维、三维图形显示等功能结合起来，可以用人机对话方式，简便、直观、快速、最优地完成设计工作，日益成为现代机构设计的主要手段。国外已创立多种平面和空间机构运动学和动力学分析与综合的通用程序库和软件包，例如DRAM（用于平面机构动力分析，可自动构成微分方程，输出图像）、IMP、ADAMS、KINSYN、LINKAGES等，其中有些软件已商品化。有的软件包已达到十分完备的程度，包括了运动李分析、动力学分析、弹性变形计算、动力学性能评价及模型化仿真等程序，并对三种驱动方式(电、液、气)的机构系3统均可通用。有的软件包在进行开式链工业机器人运动学及动力学研究时，应用矩阵的齐次变换自动建立符号形式的运动方程，大大减少了计算时间。进入八十年代后，计算机图象显示技术已实用化，如联邦德国、美国等已能将所设计的局部机构三向视图数据输入计算机后，显示出它在整个运动循环中各个侧面，以观察机构各构件在实际运行中空间动作情况，对机构设计进行直观形象的判断。在机构型综合方面，利用图论原理，把机构转化为矩阵符号标志，利用计算机识别方法，进行机构分类与选型。利用机构结构的键图方法，确定机构自由度和冗余度。研究空间机构的拓扑特性、结构分析和运动链的自动生成，由计算机自动进行机构运动学和动力学的分析与综合，进行结构优化。近二十年来，由于电子计算机的应用，空间机构在工程中的实际应用正在逐渐推广(如衣业机械、缝纫机、机器人、自动行走机仿生机械、摆盘式发动机、飞机起落架等)。空间机构的研究是世界各国机构学专家们极感兴趣的课题，涌现出多种研究方法，如矢量法、张量法、旋量法、方向余弦矩阵法、球面三角法等，各种方法自成体系，又互相渗透补充。到八十年代空间机构的运动分析基本上已成熟，但是主要局限于研究只含有转动副、移动副、圆柱副和球面副的机构，对包括螺旋副及其它类型空间副的机构还较少涉及。复数法仅用作空间铰链四杆机构的运动分析，但用一般空间机构尚不多见。近年来有学者对空间机构探索进行平面模拟，以合理利用运动副结构。对于空间机构位移函数的多值性与分支问题，以及空间机构的奇异位形问题等还需深入研究。在有限位置的机构综合方面，把位移矩阵与几何约束条件相结合，可使刚体导引、函数再现与轨迹再现等设计问题已能用统一方法来处理。在运动儿何学的基础上，把经典的布氏理论推广应用于空间机构，解决了某些机械手的分析与设计问题。近年来，若干学者已开始研究空间机构的优化综合。空间连杆曲线及包络曲线的微分几何特性还需要作进一步深入分析。空间机构动力学方面，机构的力分析和机构的平衡研究近年来发展很快，渐趋成熟。由于智能机械的发展，在机构学基本理论上近年来逐渐扩展到多自由度系统，如多自由度、多环路机构的组成原理和型、数综合，多自由度运动链与运动图型间的运动几何学、多自由度机构中线包络的瞬时运动学、多刚体机械系统动力学、多柔体机械系统动力学及逆动力学高精度控制，多自由度机构运动学、4动力学精度分析与综合等。为设计满足任意工艺要求的、任意复杂高级组空间机构（如：机器人、操作器、经济型工业机器人），己做出多种高级组空间机构组合模块综合的软件，这种银据工厂企业的订货工艺要求进行专用机器人或装备机构设计，是当今多自由度空间机构的币要发展趋势。并联多杆式机器人操作器具有高定位精度、高承载能力和较高刚度的优点。其平台若与开式链操作器相连，则又会具有运动灵活的优点。近年来，对并联多环多自由度系统的运动学和动力学、精度分析和综合的研究也形成一门热门课题。多自由度空间机构杆件参数（质量、质量中心和惯量）识别对动态、精密、实时控制杆件是很重要的。近年来，对含有闭链的开式空间连杆机构的动力学模型参数作了成功的研究虽然动力学方程均是非线性的，在改进的NewtonEuler方程中杆件参数出现为线性的，使计算量减少到最低程度。多柔性体机械系统动力学研究主要有以下几个方面：(a)创造简明的分析方法(运动量精确而简明的表达方式，动力学控制方程与简化)；(b)机构结构几何和材料非线性问题；(c)机构间隙、碰撞、伸展及收缩的动力学及其控制；(d)弹性体模态的分析与综合，动力学参数识别与测量；(e)动力学逆问题，结构控制、系统控制及其稳定性问题研究；(f)柔性、晃动、姿态、运动轨道多因素相互祸合的问题；(g)柔性多体系统动力学大型通用程序研究，计算机模拟、仿真和专家系统。由于机电一体化的发展，智能机构、生物医学工程、仿生机械、航天机械等各方面都向多体机构精度综合与分析提出了迫切的高要求。通过误差分析，可以在设计阶段对设计技术条件等进行检验，并进行多方案的比较，或为合理使用机构提供必要的依据。误差综合，即精度设计或分