多回路及自適應(yīng)機構(gòu)自調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究與工程實踐.pdf

1、平面閉鏈機構(gòu)是現(xiàn)代機械產(chǎn)品中應(yīng)用最為廣泛的基本結(jié)構(gòu)形，該機構(gòu)是以“平面約束結(jié)構(gòu)”為基礎(chǔ)來保證其能夠?qū)崿F(xiàn)平面運動，這種人為的強制平面約束，使平面機械系統(tǒng)成為超靜定的過約束結(jié)構(gòu)。實際上，由于機械的工作受到各種因素(尤其是形位誤差)的影響，造成了對平面約束的干擾，使其具有不確定性，因而導(dǎo)致理論上不影響機械順暢運動的過約束形成障礙，并對機械的工作性能造成一系列有害影響。尋求新的、性能良好的、具有自調(diào)與自適應(yīng)性的新型連桿機構(gòu)，并在新的應(yīng)用中不斷完

2、善與創(chuàng)新，使其能夠高效率、高穩(wěn)定地可靠工作并具有較低的生產(chǎn)成本，以滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展和市場競爭的需要，乃是當(dāng)前機構(gòu)學(xué)所共同關(guān)注的問題。這些問題的解決有著重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。 本文以工程實際中廣泛使用的平面六桿機構(gòu)為研究對象，以高效、高可靠性、高穩(wěn)定性及低成本為主要目標(biāo)，對多回路機構(gòu)中的平面約束不確定性的傳遞與影響度，自調(diào)機理與自調(diào)結(jié)構(gòu)的合理配置；機械的自適應(yīng)性機理與實現(xiàn)原則，自適應(yīng)機構(gòu)中力的靜定與超靜定分析與功能結(jié)構(gòu)

3、設(shè)計準(zhǔn)則；外部自適應(yīng)與內(nèi)部誤差的自調(diào)結(jié)構(gòu)的工程化設(shè)計等方面進行了分析與研究。論文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點有以下幾部分： (1)以平面閉鏈Watt型6桿機構(gòu)為研究對象，首次對多回路平面閉鏈機構(gòu)無過約束結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自調(diào)的機理與自調(diào)特性進行了詳細分析研究，得到了機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自調(diào)的運動副軸線允許誤差角以及自調(diào)結(jié)構(gòu)的最適宜的運動副配置方式。本文對機構(gòu)自調(diào)特性分析的結(jié)果表明，具有空間運動副結(jié)構(gòu)的平面閉鏈Watt型6桿機構(gòu)，由于其具有自調(diào)性，機

4、構(gòu)對角度誤差的敏感度減小。在進行自調(diào)機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要發(fā)揮良好的自調(diào)作用，Ⅲ、Ⅳ級副，在串聯(lián)型式的多回路機構(gòu)中一般應(yīng)配置在二元素桿上；在并聯(lián)型式的多回路機構(gòu)中要使多元素桿具有自調(diào)構(gòu)件的作用時，該構(gòu)件上的Ⅲ級副至少應(yīng)有兩個，而且Ⅳ(或Ⅴ)級副不能多于1。為了簡化結(jié)構(gòu)及保持機構(gòu)的平面運動性質(zhì)，最好是使多副桿的所有運動副均為Ⅴ級副，而在其外接懸桿上選擇配置3個Ⅲ級副構(gòu)成“平面自調(diào)結(jié)構(gòu)組”。 (2)通過系統(tǒng)深入地進行運動副誤差對多回路平

5、面閉鏈連桿機構(gòu)約束不確定性影響度的單因素定量分析方法及規(guī)律的研究，得到了機構(gòu)中不同運動副誤差、不同運動副元素(銷和孔)誤差和不同平面內(nèi)誤差對機構(gòu)約束不確定性的影響度，從而為自調(diào)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其精度設(shè)計提供了理論依據(jù)。同時，這些結(jié)論也為今后進一步綜合考慮運動副誤差研究約束不確定性影響在過約束機構(gòu)系統(tǒng)中的傳遞與耦合提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。本文的分析結(jié)果表明，在多回路機構(gòu)中除整轉(zhuǎn)副外，公共副軸線的形位誤差的影響是較顯著的，應(yīng)特別注意它們的自調(diào)設(shè)計及

6、精度控制。由于誤差的不可避免而導(dǎo)致平面機構(gòu)的非平面約束，當(dāng)要按平面約束封閉時所造成的連桿強制變形中既有扭轉(zhuǎn)變形又有彎曲變形，且這種強制變形是周期性的，因而必然會引起系統(tǒng)的彈性振動及運動副反力的周期性變化。這進一步說明了采用自調(diào)結(jié)構(gòu)的必要性。 (3)通過對自適應(yīng)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)學(xué)及運動學(xué)、動力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)這類機構(gòu)均無一例外地具有變自由度、變結(jié)構(gòu)的特征。而機械結(jié)構(gòu)的實質(zhì)就是“約束與自由度”結(jié)構(gòu)，特別是其“約束”的性質(zhì)和數(shù)量就決定了機構(gòu)的運

7、動和工作特征。因而從廣義約束的觀點認為：機械就是在各種約束(包括內(nèi)部、外部約束；定約束與可變約束；幾何約束與力約束；運動約束與動力約束等)的作用下工作的。自適應(yīng)機構(gòu)正是基于其結(jié)構(gòu)中的可調(diào)控約束(主要有力約束、運動約束與動力約束、力流及場約束及可變結(jié)構(gòu)的幾何約束等)的可調(diào)控性而具有了自適應(yīng)調(diào)整的智能性特征。因而，正確地應(yīng)用、設(shè)計“約束”，為機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整提供了可能。而工作過程中力的靜、動態(tài)平衡規(guī)律，靜定甚至超靜定的結(jié)構(gòu)理論，為實現(xiàn)

8、自適應(yīng)機械可靠地工作提供了可能。正是依據(jù)這些基本特征和理論，本文提出了自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可按內(nèi)力封閉及變結(jié)構(gòu)兩大類進行分類。 (4)深入分析了高爐折疊式堵渣機的工作過程及實現(xiàn)其階段功能要求的運動與結(jié)構(gòu)特征，該機械應(yīng)用了滾子—重錘所構(gòu)成的力封閉的可施加與釋放及其大小、方向的可調(diào)控性，實現(xiàn)了該機構(gòu)系統(tǒng)由四桿機構(gòu)轉(zhuǎn)化為六桿機構(gòu)以及四桿機構(gòu)轉(zhuǎn)化為五桿機構(gòu)，使其成為變結(jié)構(gòu)、變自由度的具有自適應(yīng)功能的機械系統(tǒng)。變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)機構(gòu)設(shè)計中的力約束方式的設(shè)

9、計，在采用重錘杠桿—高副系統(tǒng)時，應(yīng)注意封閉力的大小、方向、變化值以及高副系統(tǒng)的接觸應(yīng)力和重錘杠桿—高副系統(tǒng)的自振頻率等問題，以達到在沖擊下力封閉系統(tǒng)的振動盡可能小，同時不影響機構(gòu)的運行平穩(wěn)性。 (5)通過對高爐堵渣機這一多回路變結(jié)構(gòu)機構(gòu)的過約束分析表明，應(yīng)按不同階段所呈現(xiàn)的不同結(jié)構(gòu)形式分別對機構(gòu)進行過約束分析，才能準(zhǔn)確分析出變結(jié)構(gòu)機構(gòu)在不同結(jié)構(gòu)形態(tài)下的過約束數(shù)量、分布和類型。在變結(jié)構(gòu)機構(gòu)的自調(diào)設(shè)計時，一般選擇參與的構(gòu)件與回路數(shù)量

10、最多的結(jié)構(gòu)形態(tài)，且為常態(tài)機構(gòu)形式的機構(gòu)結(jié)構(gòu)作為機構(gòu)運動副配置方案的基礎(chǔ)進行。對于并聯(lián)回路，除每一回路需進行零過約束運動副配置外，還應(yīng)作為整體進行零過約束運動副配置，最后使兩者配置解同時滿足，即為最終的運動副配置方案。 (6)針對重鋼1200m3高爐折疊式堵渣機在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，通過對其運動學(xué)、動力學(xué)及自調(diào)、自適應(yīng)結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、仿真與工程實踐表明：①對于平面機構(gòu)，在不影響其整體平面性能的前提下，適當(dāng)引入空間運動副

11、可消除機構(gòu)運動副的過約束，從而更好地保證機構(gòu)的順暢運行與自調(diào)、自適應(yīng)性能的實現(xiàn)。②對于工作環(huán)境惡劣且變化較大的冶金、礦山及工程機械中，采用自調(diào)與自適應(yīng)結(jié)構(gòu)有著更加突出的必要性與可行性。引入的空間運動副既可采用低副，也可采用高副。當(dāng)機構(gòu)采用了高副，則自調(diào)設(shè)計時應(yīng)將含高副的機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式作為機構(gòu)運動副優(yōu)化配置方案的對象進行考慮。③機構(gòu)對結(jié)構(gòu)內(nèi)部過約束的自調(diào)設(shè)計與機構(gòu)對外部約束變化的自適應(yīng)設(shè)計在自適應(yīng)機械中可以相互補充與協(xié)調(diào)。 本文所做