柔性速度补偿装置的设计与仿真
研究生：黄玉清
指导教师：姚燕安 副教授
专业：运载工具运用工程
论文提交日期：2005年3月
学位授予单位：北京交通大学
摘要
机械运转过程中发生的速度波动是一种有害现象。多年来设计人员从多方面研究速度波动的调节方法，已经提出了补偿速度波动的多种平衡装置，如飞轮、平衡齿轮、平衡凸轮以及非圆齿轮平衡机构等，这些平衡装置的结构参数一般不易进行调整，因而不具柔性，即当机械自身的结构参数因受力磨损或受热变形等原因而改变，或机械外部的运行工况发生人为调整或不可预知的随机变化时，平衡效果通常会降低。
本文通过深入分析国内、外关于调速或速度补偿装置的设计思想、原理和方法，交叉融合可调整机构、混合驱动机器及变速驱动伺服机构的一些设计原理，提出柔性速度补偿的理念，并阐述这一理念的设计方法和设计流程。然后以冲压机械为应用对象，设计一种柔性速度补偿装置，它通过对装置结构参数的主动控制来实现速度波动的柔性补偿，以改善平衡效果并增加机械的柔性，验证了这一理念的正确性。柔性速度补偿装置设计的关键是机构的选型。所选择机构类型的特点和约束条件是首先满足柔性速度补偿的概念，而且根据执行机构和载荷的特点，设定目标速度输出曲线。本文通过对备选的几组机构性能特点的比较，选定以一种机械式无级变速器（GUSA型）为依托，经过调整结构参数，设计出合适的两自由度七杆机构。
对该机构进行运动学分析，认为从运动学角度该机构是满足设计要求的，然后利用Adams软件的优良的仿真特性，建立速度补偿装置的虚拟样机模型，借助仿真软件调整其各项参数，并协调两输入之间的配合。通过算例，对该装置在伺服电机不动作和用学习控制方式控制伺服电机动作两个阶段进行仿真，验证了速度补偿效果良好。
实验是验证柔性速度补偿装置是否合理有效的最有力的方式，本文给出了详细的实验方案。
关键词：速度补偿，可调整机构，动态仿真
第一章 绪论
本章介绍柔性速度补偿装置研究的相关学术背景，以及前人所作的研究工作，并提出设计概念、研究意义和其应用背景。
§1.1机械系统的组成及发展
一般而言，机械是由原动机与若干机构组合而成的系统，称为“机械系统”。按照各组成环节的功能划分，机械系统的基本结构如图1-1所示。
机器的功能在向柔性化趋势发展，机电一体化、运动可控性、智能化己经成为现代化机器的重要特征。
传统机械大多以普通电机作为动力机，以定传动比机构组成传动系统，以凸轮、连杆等变传动比机构作为执行机构。执行机构的输入构件一般作等速转动，通常称为“等速假设”。传统机械具有成本低、可靠性高等优点，但是缺乏柔性，难以适应变化的需求和工作环境。随着电子计算机技术的出现和快速进步，机构和机器出现了柔性化（需要指出，此处的“刚性”和“柔性”是指可控性或可调节性，而与表示构件力学性质的刚性、柔性或弹性无关。）的趋势，其中最为杰出的标志是机器人和数控机床的诞生与发展。这些基于多自由度开链机构的新机器以灵活多变的特征，为机械注入新的活力。但是也导致了高昂的成本和欠佳的高速性能。
不过，在现实生活中，应用最为广泛的、大量需求的往往都是只要求具有一定的工作柔性、能完成相类似的工作任务簇、可以进行适度调整的机器，即所谓半柔性机械，或者说适度柔性机器。这是介于完全刚性的传统机器和完全柔性的数控机器之间的一类新机器，在潜在的应用范围内，取二者之长、去二者之短，拥有广泛的发展前景。
§1.2课题理论背景
适度柔性机器将刚性机器的低成本和柔性机器的可控性有机结合，是一般机器柔性化的一个最佳解决方案。它们通常是集机电一体化、运动可控性、智能化为一体的一类现代机器。
适度柔性机器包括可调整机构、混合驱动机器和变速驱动伺服机器等，这三类机器从不同角度导入机器柔性。
1.2.1可调整机构
有很多机器需要根据不同任务进行适度调节。可调整机构的思想在很多实际应用中都有所体现。最初一般是在机器停机后，由操作人员手工或自动调节某些杆件的运动学尺度参数来实现，现在，一般通过计算机和控制器实时调节某些杆件的尺度参数，来实现普通机构难以实现的精确轨迹等任务，则需要深入考虑相应的设计方法和运动控制规划方法。所以现在一般定义可调整机构(Adjustable Mechanisms)为，是指以控制电机改变连杆机构的结构参数以满足变化的设计需求，是一类可以在机构运动过程中调整构件长度的连杆机构。
图1-2所示是一种可调整曲柄摇杆机构组成的搬运机械。其中，一个普通电机驱动曲柄等速回转，在摇杆上还安装有一个控制电机。该机械的工作原理为：右边的传送带上送来的箱子有大有小。要求将大箱子般到左上方的传送带上，而将小箱子般到左下方的传送带。恰当设计连杆机构的尺度，并利用控制电机来调整摇杆的长度，可以分别完成上述任务。
1.2.2混合动力机器
在可调整机构的基础上发展起来一种所谓混合动力机器（Hybrid Machines）。该类机械系统一般有线性与非线性两种类型的原动机，其中线性原动机提供主运动，非线性原动机提供补偿运动，“混合机械”即由此得名。
其基本原理如图1-3所示，一个普通马达和一个控制马达分别驱动一个两自由度机构的两个输入构件。设计者期望通过机械与马达的恰当配合，使得普通马达提供系统所需的主要功率，而控制马达仅提供佼小的辅助功率，但还能够对输出运动进行控制。混合动力机器的研究动机之一是期望以一个大功率（大扭矩）的普通马达、一个小功率（小扭矩）的控制马达、以及一个机构的组合系统来替代一个大功率（大扭矩）的控制马达，从而降低成本。混合动力机器的研究动机之二是期望利用机构具有的高机械利益（与控制马达和负载直接耦合的清形比较而言）来提高运动控制的精度及稳定性。
Bhartendu Seth和Sesha Sai Vaddi提出基于混合动力机器思想的可编程函数发生器（Programmable function generators)，如图l-4所示分别为七杆机构的两种设计。
该函数发生器输入1为常速电机驱动，输入2为控制电机驱动，控制连杆的摆动速度，这样经七杆机构和两电机的恰当配合，输出运动具有可控性，产生所设计的函数曲线。
1.2.3变速驱动伺服机构
变速驱动伺服机构的基本思想是以计算机控制的伺服电机作为动力机，输出特定的速度函数变速驱动凸轮、连杆等传统的单自由度变传动比执行机构，将机构的结构参数设计与输入速度函数设计有机地集成，期望以低成本获得既具有一定限度的输出柔性，又具有高可靠性、高速、高精度、低噪音等优良品质的机械。此处“变速驱动”是相对于经典的“等速假设”而命名的概念，“变速”是指非等速，执行机构的输入速度为非线性函数，即“非线性变速”，与当前“变速器”中“变速”（线性）的含义不同。
应用变传动比的传动机构变速驱动执行机构的研究由来已久。例如，Rothbart曾设计了一个凸轮机构，由一个Withworth急回机构变速驱动，以减小凸轮尺寸和压力角；JINTBNH提及了利用非圆齿轮传动变速驱动槽轮机构以降低冲击力矩，以及变速驱动曲柄滑块机构以提高工作行程和空行程时间比的应用。
近年来，颜鸿森等人致力于有关变输入转速凸轮机构的研究，其具体成果为通过仿真和试验验证消除了从动件的运动特性曲线的不连续性，及降低了各种凸轮曲线（如摆线、多项式曲线等）的从动件和加速度峰值。其实验系统如图1-5所示，其中微机控制的伺服电机作为变速单元，以直动滚子从动件平面凸轮机构为执行机构。
姚燕安作了凸轮机构的主动控制的研究以及凸轮机构与伺服控制系统的集成研究，基于以最佳控制理论导出改善凸轮从动件系统运动特性以及抑制其残余振动的转速轨迹的设计方法，其实验系统如图1-6所示，由伺服电机驱动摆动从动件平面凸轮机构。
在相关研究方面：Lee&cho研究了变速驱动伺服槽轮机构；Liu等研究了变速驱动伺服变导程螺杆机构；chew&Plan提出通过控制直流电机的输入电压函数降低弹性凸轮机构的残余振动；Kochev的研究指出，对于一个已经作了摆动力平衡的曲柄摇杆机构，理论上可以通过设计曲柄转速函数实现摆动力矩的完全平衡；岳士岗和白师贤研究了利用特定的输入转速函数抑制弹性连杆机构的振动响应。
§1.3机械的速度波动及其调节
在研究机构的运动分析及力分析时，通常假定其原动件的运动规律是已知的，而且一般假设原动件作等速运动。然而实际上机构原动件的运动规律是由其各构件的质量、转动惯量和作用于其上的驱动力与阻抗力等因素而决定的，因而在一般情况下，原动件的速度和加速度是随时间而变化的。因此，机械在运动过程中将会出现速度波动，而这种速度波动，会导致在运动副中产生附加的动压力，并引起机械的振动，从而降低机械的寿命、效率和工作质量。
如上所述，机械在运动过程中出现的速度波动是十分有害的，所以多年来，人们不断对机械运转速度的波动及其调节的方法加以研究，设法将机械运转速度波动的程度限制在许可的范围之内。
对于周期性速度波动，传统且最为经典的方法是飞轮调速。而对非周期性速度波动，就必须安装一种专门的调节装置一一调速器来调节。
这种情况在机械的原动机是蒸气机、汽轮机或内燃机等的情况下是很常见的。以汽车柴油机调速器为例，按其工作原理得不同，可分为机械式、气动式、液压机、机械气动复合式、机械液压复合式和电子式等多种形式。但是目前应用最广得当属机械式调速器，因其结构简单，工作可靠，性能良好。
德国Bosch公司生产的RQ型调速器是典型的两极式调速器，该种调速器可起到防止超速和稳定怠速的作用，而在最高转速和怠速之间的其它任何转速，调速器不起调速作用。
RQ型调速器对柴油机转速的调工，是通过一套杠杆系统把飞锤的位移转变为供油量调节齿杆的位移，以增减喷油泵的供油量来实现的。
图1-7为R801调速器的工作原理简图，图1-8为飞锤结构图。该调速器采用特殊的凸轮机构和浮动杆的可变杠杆比（1.1～5.4）进行调速，可获得多种适应特性。在调速器上部，装有全负荷限位机构，用于确定限位凸轮的位置。调整全负荷限位机构，将使滑板左右移动。拧出或拧进接合螺栓，可调整限位凸轮上下移动偏转一微小角度，以此改变限位凸轮型线方程。操纵手柄和转动杆固定在操纵手柄轴上，转动杆带动导向轴，导向轴的一端沿凸轮盘中滑槽的型线作运动。其另一端带有一滑块，滑块在圆柱形的浮动杆内上下移动，以此实现可变杠杆比。如调节手柄转到“怠速”位置时，浮动臂不与限位凸轮接触，此时限位凸轮不起作用。如果发动机转速超过设定的转速，则飞锤更张开，使滑动螺栓左移，B点绕A点逆时针转动，同时浮动杆绕C点按顺时针方向转动，拉引调节齿杆向“怠速”位置移动，而使发动机转速下降。如果怠速时柴油机转速下降，则会产生与上述相反的过程。
这是一种纯机械的调速器，它是直接调节原动机来实现调速的目的，还有另一类机械式调速器，是通过调节执行机构的运动输入来设计速度输出的。
如图1-9所示的马达和非圆齿轮驱动系统，如果没有加设一对非圆齿轮，马达提供给凸轮轴的是一个恒定的速度（理论上），加了非圆齿轮后，通过非圆齿轮节线的设计，为凸轮轴传递一个可变的速度输入函数，从而产生所要求的速度输出函数。
其它的平衡齿轮、平衡凸轮及加设弹簧等平衡机构在国内外也有不同程度的探索。
然而，这些方法共同缺点是不具有柔性。因为这些平衡装置的结构参数一般不易进行调整，因而不具柔性。当机械自身的结构参数因受力磨损或受热变形等原因而改变，或机械外部的运行工况发生人为调整或不可预知的随机变化时，平衡效果通常会降低。
§1.4柔性速度补偿概念的提出和研究目的
1.4.1提出概念
综上所述，传统调速机构对速度波动的调节有一些弱点:
1.难以具备柔性输出的能力。若要改变输出轨迹或输出运动规律，则必须修改执行机构的几何尺寸甚至极构的空间拓扑结构，或者在输入端加设非圆齿轮等机构，这一般难以设计加工。
2.不能适应自身参数或外部工况的变化。虽然通常可以利用优化技术来设计具有最佳化性能的机构参数，但是制造与装配误差、工艺调整以及磨损等诸多因素，都可能导致机构性能偏离其最佳状态。
3.设计空问受约束于拓扑结构与构件的受力条件。例如，虽然四杆机构最为简单实用，但是仍有许多性能要求更高的场合不得不采用多杆机构（如图l-10所示的齿轮五杆机构，图中圆齿轮分别与杆l2·l5固连）。
本论文正是考虑上述传统机械调速机构的不足，认识到现代机器的柔性化发展趋势和工业应用实际状况，提出具有适度柔性的速度补偿这一概念，是在基于可调整机构、混合驱动机器和变速输入伺服系统等适度柔性机器基础之上，交叉融合了他们的一些优势特点后提出的。并试图设计一种柔性速度补偿装置，通过对装置结构参数的主动控制，使得对机械系统速度波动及其变化，能进行实时柔性的速度补偿，以改善平衡效果并增加机械的柔性。
1.4.2研究目的
试图通过设计一种柔性速度补偿装置体现柔性速度补偿的理念和设计方法，并验证柔性速度补偿机器具有良好的速度补偿效果，为其进一步在工业应用作理论研究。
§1.5课题应用背景
本文的主要应用对象是冲压机械，研究的应用目标是以低成本获得既具有一定限度的输出柔性，又具有高可靠性、高速、高精度、低噪音等优良品质的精密冲压机械。
金属压力机床在工业生产中占有很重要的地位，传统的曲柄压力机具有承载能力高，能量消耗少，能满足高速大批量的生产要求。但是在现代制造业中对产品的更新换代和产品的多样化、个性化提出越来越多的要求，不同的产品和不同的工艺对冲头的速度要求有较大的差异，传统的曲柄压力机是由普通电机和连杆或凸轮等单自由度变传动比执行机构组成，其冲压速度为刚性输出，不能控制速度曲线，难以满足现代产品的压力加工的要求。本文的研究是以满足现代压力加工的新需求为目的，以新的设计理念和创新的结构设计为指导，采用先进的伺服电机和控制技术，设计出具有可控、节能、高速和精密等优点的新型混合动力伺服压力机
近年来，为增加柔性和改善动力性能，也随着伺服电机与计算机控制技术的提高以及模具市场的迅速扩大，主要用于精密压力加工工艺的伺服压力机（Scrvo press）日益获得重视。
1998年，美国KOMATSU首先开发成功了HC300O型任意曲线交流伺服压力机，公称压力为800kN；2001年，推出了H2F、H4F系列交流伺服压力机，公称压力为2000～10000kN；2002年，推出了HIF系列，公称压力为350～2000kN。交流伺服压力机驱动机构的结构如图1-11所示。主要用于板材冲压、也可用于精密锻造，例如镁合金板锻造，由于采用了交流伺服电机、滚珠丝杠等新型部件，可以自由控制滑块的运动模式。设备的主要特点如下：滑块行程长度可根据实际需要自由调节，提高了生产效率；滑块位置采用闭环控制技术，下死点位置精度可控制在±10μm以内；可根据不同的冲压、锻造工艺，选择经过优化的滑块运动模式；由于传动链较短，减少了运动部件的数量，可显著降低设备噪声；与传统机械压力机相比，取消了离合器、制动器、飞轮等部件，节能效果明显，但是，也制约了该类设备在高能耗成形工艺中的应用。
日本Muratec公司采用伺服驱动系统来改善转塔式冲床的工作性能等，如图l-12，采用伺服马达控制冲头的工作方式实现了较同类机械高出150%的冲压速度，同时通过对轴速度的最佳设定，抑制了振动，大幅度降低了冲压音量。
日本komatsu公司设计了一系列用伺服电机驱动的机械压力机H1F（见图1-13）和H2F，并已推向市场。这一设计解廖了传统机械压力机不能控制的问题，压力机可根据不同的生产需要设定不同的行程长度和速度；通过伺服压力机标配的线性光栅尺，能够始终保证下死点的成形精度，可达到微米级，有效抑制了产品的毛刺及其他不合格品的出现；可超低速运行；模具振动小，大大提高了模具的使用寿命；但造价昂贵，能耗也大。
香港城市大学R.Du教授将混合动力七杆机构用于开发一种伺服压力机。还有一些设计人员于近期提出了新一代机械式可控金属压力机的设计，如图l-14，该压力机由一个恒速电机提供主要动力，一个伺服电机提供控制。主要特点可通过控制伺服电机改变冲锤的运动特性，以满足不同的冲压加工工艺。具有结构简单紧凑，造价低廉，运行能耗低等特点。
§1.6论文架构
全文章节安排如下：
第一章为绪论，介绍论文的研究背景和所要解决的问题，提出柔性速度补偿概念和研究目标及工业应用对象；
第二章为方案设计，主要阐述柔性速度补偿这一概念及设计方法和流程。并设计一种柔性速度补偿装置的，做机构选型的工作；第三章为运动分析，对选择出来的二自由度连杆机构进行两种输入情况下的运动学分析；
第四章为动力学仿真，通过Adams仿真软件的帮助，给定两种工况，分两阶段对该装置进行单、两输入情况下的速度补偿仿真，验证该装置的补偿效果；
第五章为实验方案，设计该装置的整体试验方案；
第六章为总结与展望，总结全文，指出工作重点和存在的缺点，提出新的目标。
§1.7本章小节
本章深入分析本文的理论背景——适度柔性机器的设计理论及其研究状况，总结国内、外研究速度波动调节的研究情况，归纳传统调速机构的缺点。在此基础之上提出了柔性速度补偿的概念，将适度柔性机器原理应用到设计当中，以利用该类机器良好的性能，提高速度补偿效果，并增加机械的柔性。
文章最后分析本文的主要应用对象——冲压机械的发展状况，并阐述了本论文的设计目标。
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