多回路及自适应机构自调结构设计的研究与工程实践

摘要

平面闭链机构是现代机械产品中应用最为广泛的基本结构形，该机构是以“平面约束结构”为基础来保证其能够实现平面运动，这种人为的强制平面约束，使平面机械系统成为超静定的过约束结构。实际上，由于机械的工作受到各种因素(尤其是形位误差)的影响，造成了对平面约束的干扰，使其具有不确定性，因而导致理论上不影响机械顺畅运动的过约束形成障碍，并对机械的工作性能造成一系列有害影响。寻求新的、性能良好的、具有自调与自适应性的新型连杆机构，并在新的应用中不断完善与创新，使其能够高效率、高稳定地可靠工作并具有较低的生产成本，以满足现代科学技术发展和市场竞争的需要，乃是当前机构学所共同关注的问题。这些问题的解决有着重要的理论意义和工程应用价值。 本文以工程实际中广泛使用的平面六杆机构为研究对象，以高效、高可靠性、高稳定性及低成本为主要目标，对多回路机构中的平面约束不确定性的传递与影响度，自调机理与自调结构的合理配置；机械的自适应性机理与实现原则，自适应机构中力的静定与超静定分析与功能结构设计准则；外部自适应与内部误差的自调结构的工程化设计等方面进行了分析与研究。论文的主要研究内容及创新点有以下几部分： (1)以平面闭链Watt型6杆机构为研究对象，首次对多回路平面闭链机构无过约束结构能够实现自调的机理与自调特性进行了详细分析研究，得到了机构能够实现自调的运动副轴线允许误差角以及自调结构的最适宜的运动副配置方式。本文对机构自调特性分析的结果表明，具有空间运动副结构的平面闭链Watt型6杆机构，由于其具有自调性，机构对角度误差的敏感度减小。在进行自调机构结构设计时，要发挥良好的自调作用，Ⅲ、Ⅳ级副，在串联型式的多回路机构中一般应配置在二元素杆上；在并联型式的多回路机构中要使多元素杆具有自调构件的作用时，该构件上的Ⅲ级副至少应有两个，而且Ⅳ(或Ⅴ)级副不能多于1。为了简化结构及保持机构的平面运动性质，最好是使多副杆的所有运动副均为Ⅴ级副，而在其外接悬杆上选择配置3个Ⅲ级副构成“平面自调结构组”。 (2)通过系统深入地进行运动副误差对多回路平面闭链连杆机构约束不确定性影响度的单因素定量分析方法及规律的研究，得到了机构中不同运动副误差、不同运动副元素(销和孔)误差和不同平面内误差对机构约束不确定性的影响度，从而为自调机构的结构设计及其精度设计提供了理论依据。同时，这些结论也为今后进一步综合考虑运动副误差研究约束不确定性影响在过约束机构系统中的传递与耦合提供了数学基础。本文的分析结果表明，在多回路机构中除整转副外，公共副轴线的形位误差的影响是较显著的，应特别注意它们的自调设计及精度控制。由于误差的不可避免而导致平面机构的非平面约束，当要按平面约束封闭时所造成的连杆强制变形中既有扭转变形又有弯曲变形，且这种强制变形是周期性的，因而必然会引起系统的弹性振动及运动副反力的周期性变化。这进一步说明了采用自调结构的必要性。 (3)通过对自适应机构的结构学及运动学、动力学分析，发现这类机构均无一例外地具有变自由度、变结构的特征。而机械结构的实质就是“约束与自由度”结构，特别是其“约束”的性质和数量就决定了机构的运动和工作特征。因而从广义约束的观点认为：机械就是在各种约束(包括内部、外部约束；定约束与可变约束；几何约束与力约束；运动约束与动力约束等)的作用下工作的。自适应机构正是基于其结构中的可调控约束(主要有力约束、运动约束与动力约束、力流及场约束及可变结构的几何约束等)的可调控性而具有了自适应调整的智能性特征。因而，正确地应用、设计“约束”，为机械结构实现自适应调整提供了可能。而工作过程中力的静、动态平衡规律，静定甚至超静定的结构理论，为实现自适应机械可靠地工作提供了可能。正是依据这些基本特征和理论，本文提出了自适应结构可按内力封闭及变结构两大类进行分类。 (4)深入分析了高炉折叠式堵渣机的工作过程及实现其阶段功能要求的运动与结构特征，该机械应用了滚子—重锤所构成的力封闭的可施加与释放及其大小、方向的可调控性，实现了该机构系统由四杆机构转化为六杆机构以及四杆机构转化为五杆机构，使其成为变结构、变自由度的具有自适应功能的机械系统。变结构自适应机构设计中的力约束方式的设计，在采用重锤杠杆—高副系统时，应注意封闭力的大小、方向、变化值以及高副系统的接触应力和重锤杠杆—高副系统的自振频率等问题，以达到在冲击下力封闭系统的振动尽可能小，同时不影响机构的运行平稳性。 (5)通过对高炉堵渣机这一多回路变结构机构的过约束分析表明，应按不同阶段所呈现的不同结构形式分别对机构进行过约束分析，才能准确分析出变结构机构在不同结构形态下的过约束数量、分布和类型。在变结构机构的自调设计时，一般选择参与的构件与回路数量最多的结构形态，且为常态机构形式的机构结构作为机构运动副配置方案的基础进行。对于并联回路，除每一回路需进行零过约束运动副配置外，还应作为整体进行零过约束运动副配置，最后使两者配置解同时满足，即为最终的运动副配置方案。 (6)针对重钢1200m3高炉折叠式堵渣机在实际应用中出现的问题，通过对其运动学、动力学及自调、自适应结构进行了系统的优化设计、仿真与工程实践表明：①对于平面机构，在不影响其整体平面性能的前提下，适当引入空间运动副可消除机构运动副的过约束，从而更好地保证机构的顺畅运行与自调、自适应性能的实现。②对于工作环境恶劣且变化较大的冶金、矿山及工程机械中，采用自调与自适应结构有着更加突出的必要性与可行性。引入的空间运动副既可采用低副，也可采用高副。当机构采用了高副，则自调设计时应将含高副的机构结构形式作为机构运动副优化配置方案的对象进行考虑。③机构对结构内部过约束的自调设计与机构对外部约束变化的自适应设计在自适应机械中可以相互补充与协调。 本文所做的工作，旨在丰富机构结构设计理论，对推进平面约束不确定的影响分析和消除其不利影响的自调机构的结构分析、设计理论与方法的研究及自调自适应性机构系统的设计与工程应用，具有普遍的指导意义和重要的应用价值。

目录

文摘

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1 绪 论

1.1 现代机构学的特点以及发展趋势

1.1.1 现代机构学的特点

1.1.2 现代机构学的发展趋势

1.2 平面闭链机构自调结构的研究现状

1.3 自适应机构及其结构特征与研究现状

1.4 本文的主要研究内容

2 多回路平面连杆机构的自调及约束不确定性影响度的分析研究

2.1 引言

2.2 多回路机构过约束分析与回路的划分及自调结构组的研究

2.2.1 机构过约束的公式计算法

2.2.2 机构过约束的回路自由度分析法

2.2.3 自调结构组

2.3 自调机理及允差分析

2.3.1 多回路机构的自调机理

2.3.2 六杆机构无过约束结构的分析与自由度的配置

2.3.3 AⅤBⅣCⅢDⅤEⅣFⅢGⅤ配置六杆机构自调特性及允差分析

2.3.4 多回路机构自调特性分析结论

2.4 运动副元素形位误差对多回路机构结束不确定性影响的分析研究

2.4.1 一些数学基础知识

2.4.2 影响度的度量及若干设定

2.4.3 运动副误差的影响度分析

2.5 本章小结

3 自适应机械结构的分析与设计

3.1 引言

3.2 机构实现自适应功能的机理及自适应结构分类

3.3 以传递力实现内力封闭为主要特征的自适应结构的构型结合

3.3.1 自适应机构的构型综合方法

3.3.2 自适应性机构功能化结构设计

3.4 变结构自适应机构

3.4.1 高炉折叠式堵渣机

3.4.2 钢材自动夹紧切断机

3.4.3 欠驱动三关节机器人手指

3.4.4 差动式抓斗

3.5 本章小结

4 高炉堵渣机变结构自适应系统的结构学、运动学、动力学分析与综合优化

4.1 引言

4.2 高炉折叠式堵渣机的功能结构分析

4.2.1 升降阶段

4.2.2 平移阶段

4.2.3 调整阶段

4.2.4 闭锁阶段

4.3 重钢1200m3高炉堵渣机的基本性能分析

4.3.1 ADAMS仿真分析

4.3.2 堵渣机的真实运动规律的分析

4.3.3 堵渣机的动态静力分析

4.3.4 分析及结论

4.4重钢1200m3高炉堵渣机运动学、动力学的优化设计及性能分析仿真

4.4.1 运动学尺寸优化

4.4.2 堵渣机传力及动力学参数的优化设计

4.4.3 运动学及动力学参数优化后的尺寸参数与性能分析仿真

4.5 本章小结

5 高炉堵渣机的过约束分析与自调结构的设计

5.1 引言

5.2 重钢1200m3高炉堵渣机的过约束分析

5.2.1 升降阶段过约束分析

5.2.2 平移阶段过约束分析

5.2.3 调整阶段过约束分析

5.2.4 闭锁阶段过约束分析

5.3 高炉堵渣机的自调结构设计与仿真

5.3.1 高炉堵渣机的运动副优化配置设计

5.3.2 高炉堵渣机自调、自适应机理与性能分析

5.3.3 高炉堵渣机的仿真

5.3.4 高炉堵渣机的自调运动副的结构设计

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续研究工作的展望

致 谢

参考文献

附录：作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

作者在攻读博士学位期间作为主研人完成和参加的科研项目