柔性速度補償裝置的設計與仿真
研究生：黃玉清
指導教師：姚燕安 副教授
專業(yè)：運載工具運用工程
論文提交日期：2005年3月
學位授予單位：北京交通大學
摘要
機械運轉過程中發(fā)生的速度波動是一種有害現象。多年來設計人員從多方面研究速度波動的調節(jié)方法，已經提出了補償速度波動的多種平衡裝置，如飛輪、平衡齒輪、平衡凸輪以及非圓齒輪平衡機構等，這些平衡裝置的結構參數一般不易進行調整，因而不具柔性，即當機械自身的結構參數因受力磨損或受熱變形等原因而改變，或機械外部的運行工況發(fā)生人為調整或不可預知的隨機變化時，平衡效果通常會降低。
本文通過深入分析國內、外關于調速或速度補償裝置的設計思想、原理和方法，交叉融合可調整機構、混合驅動機器及變速驅動伺服機構的一些設計原理，提出柔性速度補償的理念，并闡述這一理念的設計方法和設計流程。然后以沖壓機械為應用對象，設計一種柔性速度補償裝置，它通過對裝置結構參數的主動控制來實現速度波動的柔性補償，以改善平衡效果并增加機械的柔性，驗證了這一理念的正確性。柔性速度補償裝置設計的關鍵是機構的選型。所選擇機構類型的特點和約束條件是首先滿足柔性速度補償的概念，而且根據執(zhí)行機構和載荷的特點，設定目標速度輸出曲線。本文通過對備選的幾組機構性能特點的比較，選定以一種機械式無級變速器（GUSA型）為依托，經過調整結構參數，設計出合適的兩自由度七桿機構。
對該機構進行運動學分析，認為從運動學角度該機構是滿足設計要求的，然后利用Adams軟件的優(yōu)良的仿真特性，建立速度補償裝置的虛擬樣機模型，借助仿真軟件調整其各項參數，并協(xié)調兩輸入之間的配合。通過算例，對該裝置在伺服電機不動作和用學習控制方式控制伺服電機動作兩個階段進行仿真，驗證了速度補償效果良好。
實驗是驗證柔性速度補償裝置是否合理有效的最有力的方式，本文給出了詳細的實驗方案。
關鍵詞：速度補償，可調整機構，動態(tài)仿真
第一章 緒論
本章介紹柔性速度補償裝置研究的相關學術背景，以及前人所作的研究工作，并提出設計概念、研究意義和其應用背景。
§1.1機械系統(tǒng)的組成及發(fā)展
一般而言，機械是由原動機與若干機構組合而成的系統(tǒng)，稱為“機械系統(tǒng)”。按照各組成環(huán)節(jié)的功能劃分，機械系統(tǒng)的基本結構如圖1-1所示。
機器的功能在向柔性化趨勢發(fā)展，機電一體化、運動可控性、智能化己經成為現代化機器的重要特征。
傳統(tǒng)機械大多以普通電機作為動力機，以定傳動比機構組成傳動系統(tǒng)，以凸輪、連桿等變傳動比機構作為執(zhí)行機構。執(zhí)行機構的輸入構件一般作等速轉動，通常稱為“等速假設”。傳統(tǒng)機械具有成本低、可靠性高等優(yōu)點，但是缺乏柔性，難以適應變化的需求和工作環(huán)境。隨著電子計算機技術的出現和快速進步，機構和機器出現了柔性化（需要指出，此處的“剛性”和“柔性”是指可控性或可調節(jié)性，而與表示構件力學性質的剛性、柔性或彈性無關。）的趨勢，其中最為杰出的標志是機器人和數控機床的誕生與發(fā)展。這些基于多自由度開鏈機構的新機器以靈活多變的特征，為機械注入新的活力。但是也導致了高昂的成本和欠佳的高速性能。
不過，在現實生活中，應用最為廣泛的、大量需求的往往都是只要求具有一定的工作柔性、能完成相類似的工作任務簇、可以進行適度調整的機器，即所謂半柔性機械，或者說適度柔性機器。這是介于完全剛性的傳統(tǒng)機器和完全柔性的數控機器之間的一類新機器，在潛在的應用范圍內，取二者之長、去二者之短，擁有廣泛的發(fā)展前景。
§1.2課題理論背景
適度柔性機器將剛性機器的低成本和柔性機器的可控性有機結合，是一般機器柔性化的一個最佳解決方案。它們通常是集機電一體化、運動可控性、智能化為一體的一類現代機器。
適度柔性機器包括可調整機構、混合驅動機器和變速驅動伺服機器等，這三類機器從不同角度導入機器柔性。
1.2.1可調整機構
有很多機器需要根據不同任務進行適度調節(jié)�？烧{整機構的思想在很多實際應用中都有所體現。最初一般是在機器停機后，由操作人員手工或自動調節(jié)某些桿件的運動學尺度參數來實現，現在，一般通過計算機和控制器實時調節(jié)某些桿件的尺度參數，來實現普通機構難以實現的精確軌跡等任務，則需要深入考慮相應的設計方法和運動控制規(guī)劃方法。所以現在一般定義可調整機構(Adjustable Mechanisms)為，是指以控制電機改變連桿機構的結構參數以滿足變化的設計需求，是一類可以在機構運動過程中調整構件長度的連桿機構。
圖1-2所示是一種可調整曲柄搖桿機構組成的搬運機械。其中，一個普通電機驅動曲柄等速回轉，在搖桿上還安裝有一個控制電機。該機械的工作原理為：右邊的傳送帶上送來的箱子有大有小。要求將大箱子般到左上方的傳送帶上，而將小箱子般到左下方的傳送帶。恰當設計連桿機構的尺度，并利用控制電機來調整搖桿的長度，可以分別完成上述任務。
1.2.2混合動力機器
在可調整機構的基礎上發(fā)展起來一種所謂混合動力機器（Hybrid Machines）。該類機械系統(tǒng)一般有線性與非線性兩種類型的原動機，其中線性原動機提供主運動，非線性原動機提供補償運動，“混合機械”即由此得名。
其基本原理如圖1-3所示，一個普通馬達和一個控制馬達分別驅動一個兩自由度機構的兩個輸入構件。設計者期望通過機械與馬達的恰當配合，使得普通馬達提供系統(tǒng)所需的主要功率，而控制馬達僅提供佼小的輔助功率，但還能夠對輸出運動進行控制�；旌蟿恿C器的研究動機之一是期望以一個大功率（大扭矩）的普通馬達、一個小功率（小扭矩）的控制馬達、以及一個機構的組合系統(tǒng)來替代一個大功率（大扭矩）的控制馬達，從而降低成本�；旌蟿恿C器的研究動機之二是期望利用機構具有的高機械利益（與控制馬達和負載直接耦合的清形比較而言）來提高運動控制的精度及穩(wěn)定性。
Bhartendu Seth和Sesha Sai Vaddi提出基于混合動力機器思想的可編程函數發(fā)生器（Programmable function generators)，如圖l-4所示分別為七桿機構的兩種設計。
該函數發(fā)生器輸入1為常速電機驅動，輸入2為控制電機驅動，控制連桿的擺動速度，這樣經七桿機構和兩電機的恰當配合，輸出運動具有可控性，產生所設計的函數曲線。
1.2.3變速驅動伺服機構
變速驅動伺服機構的基本思想是以計算機控制的伺服電機作為動力機，輸出特定的速度函數變速驅動凸輪、連桿等傳統(tǒng)的單自由度變傳動比執(zhí)行機構，將機構的結構參數設計與輸入速度函數設計有機地集成，期望以低成本獲得既具有一定限度的輸出柔性，又具有高可靠性、高速、高精度、低噪音等優(yōu)良品質的機械。此處“變速驅動”是相對于經典的“等速假設”而命名的概念，“變速”是指非等速，執(zhí)行機構的輸入速度為非線性函數，即“非線性變速”，與當前“變速器”中“變速”（線性）的含義不同。
應用變傳動比的傳動機構變速驅動執(zhí)行機構的研究由來已久。例如，Rothbart曾設計了一個凸輪機構，由一個Withworth急回機構變速驅動，以減小凸輪尺寸和壓力角；JINTBNH提及了利用非圓齒輪傳動變速驅動槽輪機構以降低沖擊力矩，以及變速驅動曲柄滑塊機構以提高工作行程和空行程時間比的應用。
近年來，顏鴻森等人致力于有關變輸入轉速凸輪機構的研究，其具體成果為通過仿真和試驗驗證消除了從動件的運動特性曲線的不連續(xù)性，及降低了各種凸輪曲線（如擺線、多項式曲線等）的從動件和加速度峰值。其實驗系統(tǒng)如圖1-5所示，其中微機控制的伺服電機作為變速單元，以直動滾子從動件平面凸輪機構為執(zhí)行機構。
姚燕安作了凸輪機構的主動控制的研究以及凸輪機構與伺服控制系統(tǒng)的集成研究，基于以最佳控制理論導出改善凸輪從動件系統(tǒng)運動特性以及抑制其殘余振動的轉速軌跡的設計方法，其實驗系統(tǒng)如圖1-6所示，由伺服電機驅動擺動從動件平面凸輪機構。
在相關研究方面：Lee&cho研究了變速驅動伺服槽輪機構；Liu等研究了變速驅動伺服變導程螺桿機構；chew&Plan提出通過控制直流電機的輸入電壓函數降低彈性凸輪機構的殘余振動；Kochev的研究指出，對于一個已經作了擺動力平衡的曲柄搖桿機構，理論上可以通過設計曲柄轉速函數實現擺動力矩的完全平衡；岳士崗和白師賢研究了利用特定的輸入轉速函數抑制彈性連桿機構的振動響應。
§1.3機械的速度波動及其調節(jié)
在研究機構的運動分析及力分析時，通常假定其原動件的運動規(guī)律是已知的，而且一般假設原動件作等速運動。然而實際上機構原動件的運動規(guī)律是由其各構件的質量、轉動慣量和作用于其上的驅動力與阻抗力等因素而決定的，因而在一般情況下，原動件的速度和加速度是隨時間而變化的。因此，機械在運動過程中將會出現速度波動，而這種速度波動，會導致在運動副中產生附加的動壓力，并引起機械的振動，從而降低機械的壽命、效率和工作質量。
如上所述，機械在運動過程中出現的速度波動是十分有害的，所以多年來，人們不斷對機械運轉速度的波動及其調節(jié)的方法加以研究，設法將機械運轉速度波動的程度限制在許可的范圍之內。
對于周期性速度波動，傳統(tǒng)且最為經典的方法是飛輪調速。而對非周期性速度波動，就必須安裝一種專門的調節(jié)裝置一一調速器來調節(jié)。
這種情況在機械的原動機是蒸氣機、汽輪機或內燃機等的情況下是很常見的。以汽車柴油機調速器為例，按其工作原理得不同，可分為機械式、氣動式、液壓機、機械氣動復合式、機械液壓復合式和電子式等多種形式。但是目前應用最廣得當屬機械式調速器，因其結構簡單，工作可靠，性能良好。
德國Bosch公司生產的RQ型調速器是典型的兩極式調速器，該種調速器可起到防止超速和穩(wěn)定怠速的作用，而在最高轉速和怠速之間的其它任何轉速，調速器不起調速作用。
RQ型調速器對柴油機轉速的調工，是通過一套杠桿系統(tǒng)把飛錘的位移轉變?yōu)楣┯土空{節(jié)齒桿的位移，以增減噴油泵的供油量來實現的。
圖1-7為R801調速器的工作原理簡圖，圖1-8為飛錘結構圖。該調速器采用特殊的凸輪機構和浮動桿的可變杠桿比（1.1～5.4）進行調速，可獲得多種適應特性。在調速器上部，裝有全負荷限位機構，用于確定限位凸輪的位置。調整全負荷限位機構，將使滑板左右移動。擰出或擰進接合螺栓，可調整限位凸輪上下移動偏轉一微小角度，以此改變限位凸輪型線方程。操縱手柄和轉動桿固定在操縱手柄軸上，轉動桿帶動導向軸，導向軸的一端沿凸輪盤中滑槽的型線作運動。其另一端帶有一滑塊，滑塊在圓柱形的浮動桿內上下移動，以此實現可變杠桿比。如調節(jié)手柄轉到“怠速”位置時，浮動臂不與限位凸輪接觸，此時限位凸輪不起作用。如果發(fā)動機轉速超過設定的轉速，則飛錘更張開，使滑動螺栓左移，B點繞A點逆時針轉動，同時浮動桿繞C點按順時針方向轉動，拉引調節(jié)齒桿向“怠速”位置移動，而使發(fā)動機轉速下降。如果怠速時柴油機轉速下降，則會產生與上述相反的過程。
這是一種純機械的調速器，它是直接調節(jié)原動機來實現調速的目的，還有另一類機械式調速器，是通過調節(jié)執(zhí)行機構的運動輸入來設計速度輸出的。
如圖1-9所示的馬達和非圓齒輪驅動系統(tǒng)，如果沒有加設一對非圓齒輪，馬達提供給凸輪軸的是一個恒定的速度（理論上），加了非圓齒輪后，通過非圓齒輪節(jié)線的設計，為凸輪軸傳遞一個可變的速度輸入函數，從而產生所要求的速度輸出函數。
其它的平衡齒輪、平衡凸輪及加設彈簧等平衡機構在國內外也有不同程度的探索。
然而，這些方法共同缺點是不具有柔性。因為這些平衡裝置的結構參數一般不易進行調整，因而不具柔性。當機械自身的結構參數因受力磨損或受熱變形等原因而改變，或機械外部的運行工況發(fā)生人為調整或不可預知的隨機變化時，平衡效果通常會降低。
§1.4柔性速度補償概念的提出和研究目的
1.4.1提出概念
綜上所述，傳統(tǒng)調速機構對速度波動的調節(jié)有一些弱點:
1.難以具備柔性輸出的能力。若要改變輸出軌跡或輸出運動規(guī)律，則必須修改執(zhí)行機構的幾何尺寸甚至極構的空間拓撲結構，或者在輸入端加設非圓齒輪等機構，這一般難以設計加工。
2.不能適應自身參數或外部工況的變化。雖然通�？梢岳脙�(yōu)化技術來設計具有最佳化性能的機構參數，但是制造與裝配誤差、工藝調整以及磨損等諸多因素，都可能導致機構性能偏離其最佳狀態(tài)。
3.設計空問受約束于拓撲結構與構件的受力條件。例如，雖然四桿機構最為簡單實用，但是仍有許多性能要求更高的場合不得不采用多桿機構（如圖l-10所示的齒輪五桿機構，圖中圓齒輪分別與桿l2·l5固連）。
本論文正是考慮上述傳統(tǒng)機械調速機構的不足，認識到現代機器的柔性化發(fā)展趨勢和工業(yè)應用實際狀況，提出具有適度柔性的速度補償這一概念，是在基于可調整機構、混合驅動機器和變速輸入伺服系統(tǒng)等適度柔性機器基礎之上，交叉融合了他們的一些優(yōu)勢特點后提出的。并試圖設計一種柔性速度補償裝置，通過對裝置結構參數的主動控制，使得對機械系統(tǒng)速度波動及其變化，能進行實時柔性的速度補償，以改善平衡效果并增加機械的柔性。
1.4.2研究目的
試圖通過設計一種柔性速度補償裝置體現柔性速度補償的理念和設計方法，并驗證柔性速度補償機器具有良好的速度補償效果，為其進一步在工業(yè)應用作理論研究。
§1.5課題應用背景
本文的主要應用對象是沖壓機械，研究的應用目標是以低成本獲得既具有一定限度的輸出柔性，又具有高可靠性、高速、高精度、低噪音等優(yōu)良品質的精密沖壓機械。
金屬壓力機床在工業(yè)生產中占有很重要的地位，傳統(tǒng)的曲柄壓力機具有承載能力高，能量消耗少，能滿足高速大批量的生產要求。但是在現代制造業(yè)中對產品的更新換代和產品的多樣化、個性化提出越來越多的要求，不同的產品和不同的工藝對沖頭的速度要求有較大的差異，傳統(tǒng)的曲柄壓力機是由普通電機和連桿或凸輪等單自由度變傳動比執(zhí)行機構組成，其沖壓速度為剛性輸出，不能控制速度曲線，難以滿足現代產品的壓力加工的要求。本文的研究是以滿足現代壓力加工的新需求為目的，以新的設計理念和創(chuàng)新的結構設計為指導，采用先進的伺服電機和控制技術，設計出具有可控、節(jié)能、高速和精密等優(yōu)點的新型混合動力伺服壓力機
近年來，為增加柔性和改善動力性能，也隨著伺服電機與計算機控制技術的提高以及模具市場的迅速擴大，主要用于精密壓力加工工藝的伺服壓力機（Scrvo press）日益獲得重視。
1998年，美國KOMATSU首先開發(fā)成功了HC300O型任意曲線交流伺服壓力機，公稱壓力為800kN；2001年，推出了H2F、H4F系列交流伺服壓力機，公稱壓力為2000～10000kN；2002年，推出了HIF系列，公稱壓力為350～2000kN。交流伺服壓力機驅動機構的結構如圖1-11所示。主要用于板材沖壓、也可用于精密鍛造，例如鎂合金板鍛造，由于采用了交流伺服電機、滾珠絲杠等新型部件，可以自由控制滑塊的運動模式。設備的主要特點如下：滑塊行程長度可根據實際需要自由調節(jié)，提高了生產效率；滑塊位置采用閉環(huán)控制技術，下死點位置精度可控制在±10μm以內；可根據不同的沖壓、鍛造工藝，選擇經過優(yōu)化的滑塊運動模式；由于傳動鏈較短，減少了運動部件的數量，可顯著降低設備噪聲；與傳統(tǒng)機械壓力機相比，取消了離合器、制動器、飛輪等部件，節(jié)能效果明顯，但是，也制約了該類設備在高能耗成形工藝中的應用。
日本Muratec公司采用伺服驅動系統(tǒng)來改善轉塔式沖床的工作性能等，如圖l-12，采用伺服馬達控制沖頭的工作方式實現了較同類機械高出150%的沖壓速度，同時通過對軸速度的最佳設定，抑制了振動，大幅度降低了沖壓音量。
日本komatsu公司設計了一系列用伺服電機驅動的機械壓力機H1F（見圖1-13）和H2F，并已推向市場。這一設計解廖了傳統(tǒng)機械壓力機不能控制的問題，壓力機可根據不同的生產需要設定不同的行程長度和速度；通過伺服壓力機標配的線性光柵尺，能夠始終保證下死點的成形精度，可達到微米級，有效抑制了產品的毛刺及其他不合格品的出現；可超低速運行；模具振動小，大大提高了模具的使用壽命；但造價昂貴，能耗也大。
香港城市大學R.Du教授將混合動力七桿機構用于開發(fā)一種伺服壓力機。還有一些設計人員于近期提出了新一代機械式可控金屬壓力機的設計，如圖l-14，該壓力機由一個恒速電機提供主要動力，一個伺服電機提供控制。主要特點可通過控制伺服電機改變沖錘的運動特性，以滿足不同的沖壓加工工藝。具有結構簡單緊湊，造價低廉，運行能耗低等特點。
§1.6論文架構
全文章節(jié)安排如下：
第一章為緒論，介紹論文的研究背景和所要解決的問題，提出柔性速度補償概念和研究目標及工業(yè)應用對象；
第二章為方案設計，主要闡述柔性速度補償這一概念及設計方法和流程。并設計一種柔性速度補償裝置的，做機構選型的工作；第三章為運動分析，對選擇出來的二自由度連桿機構進行兩種輸入情況下的運動學分析；
第四章為動力學仿真，通過Adams仿真軟件的幫助，給定兩種工況，分兩階段對該裝置進行單、兩輸入情況下的速度補償仿真，驗證該裝置的補償效果；
第五章為實驗方案，設計該裝置的整體試驗方案；
第六章為總結與展望，總結全文，指出工作重點和存在的缺點，提出新的目標。
§1.7本章小節(jié)
本章深入分析本文的理論背景——適度柔性機器的設計理論及其研究狀況，總結國內、外研究速度波動調節(jié)的研究情況，歸納傳統(tǒng)調速機構的缺點。在此基礎之上提出了柔性速度補償的概念，將適度柔性機器原理應用到設計當中，以利用該類機器良好的性能，提高速度補償效果，并增加機械的柔性。
文章最后分析本文的主要應用對象——沖壓機械的發(fā)展狀況，并闡述了本論文的設計目標。
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