凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真論文.docx

1第1章緒論1.1機(jī)構(gòu)學(xué)的現(xiàn)狀與發(fā)展1.1.1機(jī)構(gòu)學(xué)的概況機(jī)構(gòu)學(xué)是以運(yùn)動(dòng)幾何學(xué)和力學(xué)為主要理論基礎(chǔ)，以數(shù)學(xué)分析為主要手段，對(duì)各類(lèi)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析與綜合的學(xué)科。機(jī)構(gòu)學(xué)為創(chuàng)造新的機(jī)器和進(jìn)行機(jī)械發(fā)明與改革提供正確有效的理論和方法，以設(shè)計(jì)出更經(jīng)濟(jì)合理、更先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備，來(lái)滿足生產(chǎn)發(fā)展和人們生活的需求。機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展將直接影響到機(jī)械工業(yè)各類(lèi)產(chǎn)品的工作性能以及許多行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的機(jī)械化和自動(dòng)化程度。機(jī)構(gòu)學(xué)作為機(jī)械工程技術(shù)科學(xué)中的一門(mén)主要基礎(chǔ)學(xué)科，近年來(lái)由于機(jī)電一體化高技術(shù)科學(xué)特別是工業(yè)機(jī)器人與特種機(jī)器人的發(fā)展對(duì)機(jī)構(gòu)學(xué)理論和技術(shù)上的要求，使機(jī)構(gòu)學(xué)學(xué)科達(dá)到了一個(gè)嶄新的階段。在國(guó)際學(xué)術(shù)討論會(huì)上，各國(guó)科學(xué)家一致認(rèn)為它有如旭日東升，正顯出其無(wú)比強(qiáng)大的生命力。機(jī)構(gòu)學(xué)一方面由簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)分析與綜合向復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)分析與綜合方面發(fā)展，另一方面也由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)向機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析與綜合方向發(fā)展，研究機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的合理組成的方法及其判據(jù)，分析研究機(jī)器在傳遞運(yùn)動(dòng)、力和做功過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。機(jī)構(gòu)精度問(wèn)題也相應(yīng)地由靜態(tài)分析走向動(dòng)態(tài)分析。機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)件的間隙在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有不容忽視的影響，因而需要研究機(jī)構(gòu)間間隙、摩擦、潤(rùn)滑與沖擊引起的機(jī)構(gòu)變形、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和過(guò)渡過(guò)程問(wèn)題。在慣性力作用下，由于機(jī)構(gòu)上剛度薄弱環(huán)節(jié)的彈性變形，由此研究以振動(dòng)理論多自由度模態(tài)化、線性與非線性、隨機(jī)的功率譜與載荷譜等為分析手段和方法而形成的運(yùn)動(dòng)彈性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，以及視整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)為柔性的多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)分析、綜合及控制問(wèn)題。它是把整個(gè)機(jī)構(gòu)看成是由多剛體組成的多剛體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及自動(dòng)控制等學(xué)科發(fā)展的交叉邊緣學(xué)科。由多種、多個(gè)構(gòu)件組成的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為組合機(jī)構(gòu)。組合機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組成理論的發(fā)展使機(jī)構(gòu)學(xué)已成為重型、精密及各種復(fù)合機(jī)械和智能機(jī)械、仿生機(jī)械、機(jī)器人等高技術(shù)科學(xué)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論學(xué)科。1.1.2機(jī)構(gòu)學(xué)的現(xiàn)狀（1）平面與空間連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)理論研究研究機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元及機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征，如主動(dòng)副存在準(zhǔn)則、活動(dòng)度類(lèi)型及其判定、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同構(gòu)判定、消極子運(yùn)動(dòng)鏈判定等。研究滿足拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求2的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類(lèi)型綜合及其自動(dòng)生成。研究機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法學(xué)和結(jié)構(gòu)類(lèi)型的優(yōu)選。（2）典型機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與綜合研究連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析新方法的研究，如單開(kāi)鏈法、區(qū)間分析法、網(wǎng)絡(luò)分析法和吳文俊消元法等。在連桿機(jī)構(gòu)綜合中提出了解析法與優(yōu)化法相結(jié)合的機(jī)構(gòu)尺度綜合法、機(jī)構(gòu)裝配構(gòu)形與尺度綜合的同倫方法、機(jī)構(gòu)尺度類(lèi)型及其性能關(guān)系的圖譜法等。給出了空間7R機(jī)構(gòu)位移方程式的完美形式(16次方程)。采用數(shù)值化圖譜替代傳統(tǒng)的連桿曲線圖譜實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)綜合。凸輪機(jī)構(gòu)分析與綜合的研究也日益深化。擺動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題已有較好結(jié)果，擺動(dòng)從動(dòng)件圓柱凸輪機(jī)構(gòu)凸輪曲面的設(shè)計(jì)方法也有不少進(jìn)展。此外，高速分度機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和各種組合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法均有不少研究成果。（3）機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究隨著機(jī)器向高速、高精度、高自動(dòng)化方向發(fā)展，機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容越來(lái)越廣泛。凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)深入研究，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇、動(dòng)力學(xué)模型建立、動(dòng)力響應(yīng)求解和動(dòng)力綜合方法等研究均有不少成果。平面與空間連桿機(jī)構(gòu)振動(dòng)力的完全平衡方法和振動(dòng)力與振動(dòng)力矩完全平衡方法在理論上已有較好的解決?？紤]構(gòu)件彈性的彈性連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析與綜合的研究已越來(lái)越深入，考慮運(yùn)動(dòng)副間隙的連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性研究取得進(jìn)展，同時(shí)考慮構(gòu)件彈性和運(yùn)動(dòng)副間隙甚至彈流狀態(tài)的動(dòng)力分析已有初步研究成果。包含變質(zhì)量構(gòu)件機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)也已引起關(guān)注并有初步研究。1.1.3機(jī)構(gòu)學(xué)的趨勢(shì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)使機(jī)構(gòu)學(xué)發(fā)展到一個(gè)新的階段，它把機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、方法和參數(shù)選取等設(shè)計(jì)者的智慧與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所具有的強(qiáng)大邏輯推理、分析判斷、數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算速度、二維、三維圖形顯示等功能結(jié)合起來(lái)，可以用人機(jī)對(duì)話方式，簡(jiǎn)便、直觀、快速、最優(yōu)地完成設(shè)計(jì)工作，日益成為現(xiàn)代機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要手段。國(guó)外已創(chuàng)立多種平面和空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析與綜合的通用程序庫(kù)和軟件包，例如DRAM（用于平面機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析，可自動(dòng)構(gòu)成微分方程，輸出圖像）、IMP、ADAMS、KINSYN、LINKAGES等，其中有些軟件已商品化。有的軟件包已達(dá)到十分完備的程度，包括了運(yùn)動(dòng)李分析、動(dòng)力學(xué)分析、彈性變形計(jì)算、動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)及模型化仿真等程序，并對(duì)三種驅(qū)動(dòng)方式(電、液、氣)的機(jī)構(gòu)系3統(tǒng)均可通用。有的軟件包在進(jìn)行開(kāi)式鏈工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)研究時(shí)，應(yīng)用矩陣的齊次變換自動(dòng)建立符號(hào)形式的運(yùn)動(dòng)方程，大大減少了計(jì)算時(shí)間。進(jìn)入八十年代后，計(jì)算機(jī)圖象顯示技術(shù)已實(shí)用化，如聯(lián)邦德國(guó)、美國(guó)等已能將所設(shè)計(jì)的局部機(jī)構(gòu)三向視圖數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)后，顯示出它在整個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中各個(gè)側(cè)面，以觀察機(jī)構(gòu)各構(gòu)件在實(shí)際運(yùn)行中空間動(dòng)作情況，對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行直觀形象的判斷。在機(jī)構(gòu)型綜合方面，利用圖論原理，把機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為矩陣符號(hào)標(biāo)志，利用計(jì)算機(jī)識(shí)別方法，進(jìn)行機(jī)構(gòu)分類(lèi)與選型。利用機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的鍵圖方法，確定機(jī)構(gòu)自由度和冗余度。研究空間機(jī)構(gòu)的拓?fù)涮匦?、結(jié)構(gòu)分析和運(yùn)動(dòng)鏈的自動(dòng)生成，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析與綜合，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。近二十年來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，空間機(jī)構(gòu)在工程中的實(shí)際應(yīng)用正在逐漸推廣(如衣業(yè)機(jī)械、縫紉機(jī)、機(jī)器人、自動(dòng)行走機(jī)仿生機(jī)械、擺盤(pán)式發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)起落架等)。空間機(jī)構(gòu)的研究是世界各國(guó)機(jī)構(gòu)學(xué)專(zhuān)家們極感興趣的課題，涌現(xiàn)出多種研究方法，如矢量法、張量法、旋量法、方向余弦矩陣法、球面三角法等，各種方法自成體系，又互相滲透補(bǔ)充。到八十年代空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析基本上已成熟，但是主要局限于研究只含有轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、圓柱副和球面副的機(jī)構(gòu)，對(duì)包括螺旋副及其它類(lèi)型空間副的機(jī)構(gòu)還較少涉及。復(fù)數(shù)法僅用作空間鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，但用一般空間機(jī)構(gòu)尚不多見(jiàn)。近年來(lái)有學(xué)者對(duì)空間機(jī)構(gòu)探索進(jìn)行平面模擬，以合理利用運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)。對(duì)于空間機(jī)構(gòu)位移函數(shù)的多值性與分支問(wèn)題，以及空間機(jī)構(gòu)的奇異位形問(wèn)題等還需深入研究。在有限位置的機(jī)構(gòu)綜合方面，把位移矩陣與幾何約束條件相結(jié)合，可使剛體導(dǎo)引、函數(shù)再現(xiàn)與軌跡再現(xiàn)等設(shè)計(jì)問(wèn)題已能用統(tǒng)一方法來(lái)處理。在運(yùn)動(dòng)兒何學(xué)的基礎(chǔ)上，把經(jīng)典的布氏理論推廣應(yīng)用于空間機(jī)構(gòu)，解決了某些機(jī)械手的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。近年來(lái)，若干學(xué)者已開(kāi)始研究空間機(jī)構(gòu)的優(yōu)化綜合。空間連桿曲線及包絡(luò)曲線的微分幾何特性還需要作進(jìn)一步深入分析。空間機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面，機(jī)構(gòu)的力分析和機(jī)構(gòu)的平衡研究近年來(lái)發(fā)展很快，漸趨成熟。由于智能機(jī)械的發(fā)展，在機(jī)構(gòu)學(xué)基本理論上近年來(lái)逐漸擴(kuò)展到多自由度系統(tǒng)，如多自由度、多環(huán)路機(jī)構(gòu)的組成原理和型、數(shù)綜合，多自由度運(yùn)動(dòng)鏈與運(yùn)動(dòng)圖型間的運(yùn)動(dòng)幾何學(xué)、多自由度機(jī)構(gòu)中線包絡(luò)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)、多剛體機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、多柔體機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及逆動(dòng)力學(xué)高精度控制，多自由度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、4動(dòng)力學(xué)精度分析與綜合等。為設(shè)計(jì)滿足任意工藝要求的、任意復(fù)雜高級(jí)組空間機(jī)構(gòu)（如：機(jī)器人、操作器、經(jīng)濟(jì)型工業(yè)機(jī)器人），己做出多種高級(jí)組空間機(jī)構(gòu)組合模塊綜合的軟件，這種銀據(jù)工廠企業(yè)的訂貨工藝要求進(jìn)行專(zhuān)用機(jī)器人或裝備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，是當(dāng)今多自由度空間機(jī)構(gòu)的幣要發(fā)展趨勢(shì)。并聯(lián)多桿式機(jī)器人操作器具有高定位精度、高承載能力和較高剛度的優(yōu)點(diǎn)。其平臺(tái)若與開(kāi)式鏈操作器相連，則又會(huì)具有運(yùn)動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，對(duì)并聯(lián)多環(huán)多自由度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、精度分析和綜合的研究也形成一門(mén)熱門(mén)課題。多自由度空間機(jī)構(gòu)桿件參數(shù)（質(zhì)量、質(zhì)量中心和慣量）識(shí)別對(duì)動(dòng)態(tài)、精密、實(shí)時(shí)控制桿件是很重要的。近年來(lái)，對(duì)含有閉鏈的開(kāi)式空間連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)作了成功的研究雖然動(dòng)力學(xué)方程均是非線性的，在改進(jìn)的NewtonEuler方程中桿件參數(shù)出現(xiàn)為線性的，使計(jì)算量減少到最低程度。多柔性體機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究主要有以下幾個(gè)方面：(a)創(chuàng)造簡(jiǎn)明的分析方法(運(yùn)動(dòng)量精確而簡(jiǎn)明的表達(dá)方式，動(dòng)力學(xué)控制方程與簡(jiǎn)化)；(b)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)幾何和材料非線性問(wèn)題；(c)機(jī)構(gòu)間隙、碰撞、伸展及收縮的動(dòng)力學(xué)及其控制；(d)彈性體模態(tài)的分析與綜合，動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別與測(cè)量；(e)動(dòng)力學(xué)逆問(wèn)題，結(jié)構(gòu)控制、系統(tǒng)控制及其穩(wěn)定性問(wèn)題研究；(f)柔性、晃動(dòng)、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌道多因素相互禍合的問(wèn)題；(g)柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)大型通用程序研究，計(jì)算機(jī)模擬、仿真和專(zhuān)家系統(tǒng)。由于機(jī)電一體化的發(fā)展，智能機(jī)構(gòu)、生物醫(yī)學(xué)工程、仿生機(jī)械、航天機(jī)械等各方面都向多體機(jī)構(gòu)精度綜合與分析提出了迫切的高要求。通過(guò)誤差分析，可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)條件等進(jìn)行檢驗(yàn)，并進(jìn)行多方案的比較，或?yàn)楹侠硎褂脵C(jī)構(gòu)提供必要的依據(jù)。誤差綜合，即精度設(shè)計(jì)或分