连杆凸轮减速器的运动仿真(编辑修改稿)

连杆凸轮减速器的运动仿真(编辑修改稿)内容摘要：

构类型及组成原理、设计方法大大丰富了传统机构学的内容。 在微机构方面，微机器和微机器人是 21 世纪的前沿技术之一，所有发达国 家无一例外地都在大力开展相关研究。 作为系统，已经开发出微加工系统、微装配系统。 日本微机器计划开发出由 5mm 5mm 模块组成的模块化微机器样机，用于高密度细径管线的表面检查作业；作为器件，已经开发出微连杆、微转子、微关节、微弹簧、微齿轮、微夹钳、微驱动器等，微驱动器是微机器人的关键技术之一。 医用微机器人的进展也很快，它们的任务是在血管内或胃肠道内检查、诊断和最小损伤治疗。 在仿生机构方面，仿生机构愈来愈崭露头角，赋予机构创新广阔天地。 蛇蠕动机理启发了沿人体肠道内移动的仿蛇机器人，模仿鱼摆尾和鸟扑翼产 生“半转机构”，被称为“小东西”的机器蟹已经用于扫雷实验。 拟人机器人是仿生机械中最富有挑战性的项目之一，日本早稻田大学 在 1973 年试制的 WABOT1揭开了相关研究的序幕。 目前代表作品是本田公司的双足步行机器人 ASIMO，它能以变步速和变步幅在平地行走、转弯、上下楼梯和跨越障碍。 在变胞机构方面，变胞机构是空间多自由度多环机构学理论的新分支，在卫星天线、太阳能阵列接收板、发射架、折叠臂等，特别是空间运载工具载荷舱的受限几何空间中大有用武之地。 1998 年变胞机构的概念被提出后，已经讨论了变胞机构的结 构模型、自由度、构形变换以及相关的矩阵运算。 其研究与分析的数学工具主要为拓扑学、图论、李代数、矩阵、旋量等。 在正交平面机构方面，正交平面机构的构件都位于同一平面，但能产生不在同一平面的运动，它的突出优点是结构紧凑。 柔性正交平面机构甚至能制作在同一块基片上。 由于 MEMS 工艺上的特点，微机构经常被制作在若干平面层上，因此正交平面微型机构也已经问世了，如曲柄滑块机构（长 300μ mm，宽 125μ mm，厚 2μ mm）、四连杆机构等。 在受控机构方面，受控机构指结构尺寸可调节且输入可控的单自由度机构，以及输入可由恒速电机和 伺服电机驱动的多自由度机构。 随精确实现任意给定运动和机构智能化的要求，受控机构学应运而生，其研究对象包括可调机构（ adjustable mechanism）、伺服输入机构（ variable input mechanism）、混合输入机构（ hybrid mechanism），研究内容除受控连杆机构的分析和综合外，还涉及控制方法、系统和应用。 在齿轮连杆机构方面，概括现有文献中齿轮连杆机构的运动分析方法有三种：复数矢量法、分组运动分析法和一般解析式法。 只有通过综合才能设计出满足要求的机构。 但是组成原理方面的研究尚 比较薄弱，还未能提出系统的理论，这在一定程度上影响到齿轮连杆机构的应用。 在冗余度机构方面，冗余度机构或者超冗余度机构在机器人学中有广泛的用途，目前有人在如何通过局部优化或全局优化解决冗余ee 9 度运动逆解问题、冗余度机构的设计准则、由于伪逆控制导致非保守解以及非保守解漂移的几何性态问题等方面取得进展 [1,36,13, 5256]。 （ 2）国外发展趋势。 机构的类型由传统的纯刚性构件扩展为包含多种类型元件的广义机构。 机构学的新概念、新理论与新方法日趋体系化，与系统整体特性和新机构发明相关的新理论体系正在逐步完善。 贯 穿理论体系的基本思想之一是机械系统不同层次结构单元、单元间的约束特性、单元所组成的系统的整体特性之间具有内在的联系和规律性。 这样就促使了机构结构学、运动学和动力学相互融合一体，柔性机构学、微机构学、机器人机械学以及广义机构学更显著地体现这个基本发展趋势。 用于信息处理和控制的计算机演化为机械系统的一个组成部分。 机电集成和融合成为新一带机器的重要标志。 如数字凸轮，就是机构与计算机的结合。 在机构和机器的设计方面更加系统化和智能化。 计算机辅助机构设计系统及专家系统成为现代化机构设计与分析的主要手段。 机构学概念、知识 、理论、方法和专家经验与计算机系统的逻辑推理、分析判断、数优处理、图形显示等功能密切结合，以简单、直观、快速、最优的形式完成设计任务，逐步生成用于产品设计的通用程序库和软件包。 在这一背景下，一些用于复杂机构分析的功能强大的软件相继问世，如数学处理软件 Matlab、 Mathematica、 Mathcad，非线性复杂分析与设计的专用软件 UG、 ADAMS、 ANSYS，机器人分析和仿真软件 ROBCAD、 IGRIP、CimStation 等。 计算机技术改变了机构学传统的研究方法，并与现代试验技术紧密结合。 使原来不可能 求解的机构变为可能，数学也成为机构学理论不断完善的基础。 现代机构学更注重考虑多因素的动态设计和动态分析，力求提高机器的实际工作效能。 在机构性能试验、测试方法及装置上注重机构学理论研究与试验研究相结合，促进理论课题与改进产品性能的结合 [1 ,13]。 （ 3）国内研究现状。 在平面与空间连杆机构的结构研究方面，我国在世界上占有一席之地，借助软件，在分析和设计平面连杆机构运动链以及自动生成结构类型方面取得颇丰的成果，如机构结构单元及拓扑结构特征研究、主动副存在的准则、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。 在满足拓扑结构要求的机构结构类型综合及其自动生成、机构创新设计方法学、结构类型优选等方面也有建树。 在连杆机构的结构理论研究方面，我国已居世界前列，我国提出的新方法有：解析法与优化法结合的机构尺度综合法、机构装配构形与尺度综合的同伦法、图谱法、以及采用数值化图谱替代传统的连杆曲线图谱实现机构综合等等。 在连杆机构运动分析方面提出单开链法、区间分析法、网络分析法和吴文俊消元法等新方法。 空间 7R 机构位移方程式的ee 10 完美形式也是我国学者提出的。 在高速凸轮从动件运动规律的选定、基于模糊数学设计凸轮机构的方法、摆 动从动件盘形凸轮机构优化设计等方面我国学者取得好的结果，摆动从动件圆柱凸轮机构凸轮曲面的设计方法也有明显的进展。 此外，高速分度机构的设计和各种组合机构（凸轮 — 连杆、齿轮 — 连杆、齿轮 — 凸轮）的设计方法均取得了一些高水平的研究成果。 在机构动力学方面，我国在凸轮机构动力学、从动件运动规律选择、动力学建模、动力响应求解和动力综合方法方面取得的进展。 平面与空间连杆机构振动力的完全平衡法和振动力与振动力矩完全平衡法在理论上得到较圆满的解决，弹性连杆机构动力分析和运动稳定性研究也取得进展，同时考虑弹性和运动副间隙甚至弹流 状态的动力分析已有初步成果。 在机器人机构学方面，我国的机器人学研究早期是从机器人机构学即多刚体运动学、动力学和仿真起步的，我国机器人学的研究始终关注和跟踪世界潮流的进展。 20 世纪 80年代末期进行了焊接、喷涂、装配机器人以及谐波减速器、十字交叉滚子轴承、伺服电机与驱动器等的技术攻关。 20 世纪 90 年代机器人研发扩展到特种机器人、步行机器人、微机器人、柔性手爪、变位机、多机器人系统等等。 工业机器人设计软件包和机器人应用工程取得了一些可喜的成绩。 在并联机器人机构学研究方法上建树颇多，如运动影响系数法、少自由度并联机 器人机构运动的螺旋法、主螺旋的识别和表示问题、一般线性奇异的研究等。 我国几乎与国外同时发表了一般 6— 6 型平台并联机器人机构输入输出位移方程为 20次形式的结论， 1997 年我国第一台大型镗铣类虚拟轴机床的原型样机问世。 在冗余度机器人的逆运动学、关节轨迹规划，以及考虑关节弹性的多机器人协调操作、变几何桁架机器人工作空间和灵巧性的理论和应用等方面我国学者的成绩也相当引人注目。 在新机构的研究方面，特种机器人为机构的创新提供了广阔的天地，我国有关单位正在研究开发水下自主机器人、步行机器人、壁面爬行机器人、主从遥控移动作 业机械手、管道机器人、伐树根机器人、外科手术机器人系统等。 航空航天事业对变胞机构提出需要，大型卫星天线的研究在我国由来已久，桁架结构的研究也有基础。 折叠式伸缩臂、冗余度变几何桁架机器人也引起我国学者的兴趣。 （ 4）国内存在的差距。 我国在该领域的多个方面与国际先进水平比较还存在差距，特别是在应用层面上有较大差距。 具体体现在：机构设计方法学的研究不够系统，从总体上影响了对机构的创新设计；我国尚无体现设计方法学的、自有知识产权的大型商用软件棉世。 在标准化、模块化、系列化设计方面的工作进展也较为缓慢。 缺乏必要的样机 或原型以验证理论的正确性、可靠性。 即便有样机，研究的连续性也不够，急于求成，浅尝辄止。 如步行机机构学的研究，由于 20 世纪 90 年代中期阶段性停顿，目前与日本、ee 11 美国相比有一定的差距。 复杂机构研究的成功还受到传感器、控制等系统集成技术的制约。 例如多指多关节灵巧手、双足步行机器人的研究，关键在传感器及其融合技术。 发表的论文所提出的理论难以得到精心设计的实验和令人信服的实验数据的有力支持，更多的验证手段仅是依赖仿真。 总体上基础工业薄弱，单元开发的技术支持软弱，样机的产业化转化进程缓慢。 新颖机构的发明创新不多，原始创新 成果较少 [1]。 国内、外减速器的研究现状 减速器是机械系统的重要组成部分，它直接影响机械系统的性能。 齿轮减速器是把机械传动中的原动机和工作机或执行机构联接起来，通过不同齿形和齿数的齿轮以不同级数传动，实现定传动比减速（或增速）和起匹配转速和传递扭矩的作用，减速时称减速器（增速时称为增速器）。 齿轮减速器由齿轮、轴、轴承及箱体等零部件组成。 由于计算机技术、信息技术和自动化技术的广泛应用，改变了制造业的传统观念和生产组织方式。 一些先进的齿轮生产厂家已经采用精益生产、敏捷制造、智能制造等先进技术，形成 了高精度、高效率的智能化齿轮生产线和计算机网络化管理，使得齿轮减速器技术的发展将不断跃上新的台阶 [7， 10]。 当前齿轮减速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问题。 当今世界各国齿轮和齿轮减速器向着高承载能力、高齿面硬度、高转速、高精度、高可靠性、高效率、低成本、低噪声、标准化和多样化方向发展，即六高、二低、二化发展的总趋势。 减速器和齿轮的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的工业水平 [21]。 国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势， 减速器工作可靠性好，使用寿命长。 但其传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。 日本住友重工研制的 FA型高精度减速器，美国 AlanNewton公司研制的 XY式减速器，在传动原理和结构上与 连杆凸轮减速器 类似或相近，都为目前先进的减速器。 当今国外的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。 因此，除了不断改进材料品质、提高工艺水平外，还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新。 减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式，并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品。 但 目前超小型的减速器的研究成果尚不明显 ，仅 在医疗、生物工程、机器人等领域中，微型发动机基本研制成功，美国和荷兰近期研制的分子发动机的尺寸在纳米级范围，如能辅以纳米级的减速器，则应用前景远大 [5]。 ee 12 自 20 世纪 60年代以来，我国先后制订了《 JB113070圆柱齿轮减速器》等一批通用减速器标准，除主机厂自制配套使用外，还形成了一批减速器生产厂家。 我国现有齿轮生产企业 613 家（其中国有与集体所有的大中型企业 110家，国有、集体所有的小企业 435 家，私有企业 48 家，三资企业 25家）。 生产减速器的厂家有数百家，年产通 用减速器近百万台，年生产总值约 300亿元，这些企业和厂家对发展我国的机械产品作出了贡献 [13]。 但我国在这方面和世界先进水平还有一定的差距，主要表现在以下三方面：首先， 20 世纪 60年代的减速器大多数是参照苏联 20 世纪 40～ 50 年代的技术制造的，后来虽有所发展，但限于对当时的设计、工艺及装备条件，其总体水平与国际水平有较大差距；其次， 国内的减速器 ， 多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题 ；第三 ， 我国 材料品质和工艺水平上还有许多弱点，特别是大型的减速器问题更突出， 使用寿命不长。 因此我国总体水平与国际水平有较大差距 [21]。 改革开放以来，我国引进了一批先进的加工装备。 通过不断引进、消化和吸收国外先进技术以及科研攻关，开始掌握了各种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术。 材料和热处理质量及齿轮加工精度都有较大的提高，通用圆柱齿轮的制造精度可从JB17960 的 8～ 9级提高到 GB1009588 的 6级，高速齿轮的制造精度可稳定在 4～ 5 级。 部分减速器采用硬齿面后，体积和重量明显减小，承载能力、使用寿命、传动效率有了大幅度的提高，对节能和提高主机的总体水平起到明显的作用。 国 内使用的大型减速器（ 500kw 以上），多从国外（如丹麦、德国等）进口，花去不少的外汇。 20 世纪 60年代开始生产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器具有传动比大，体积小、机械效率高等优点。 但受其传动的理论的限制，不能传递过大的功率，功率一般都要小于 40KW。 由于在传动的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本上解决传递功率大、传动比大、体积小、重量轻、机械效率高等这些基本要求。 90 年代初期，国内出现的三环（齿轮）减速器，是一种外平动齿轮传动的减速器，它可实现较大的传动比，传递载荷的能力 也大。 它的体积和重量都比定轴齿轮减速器轻，结构简单，效率亦高。 由于该减速器的三轴平行结构，故使功率 /体积（或重量）比值仍小。 且其输入轴与输出轴不在同一。