2004 年 8 月 Journal of Hebei Institute of Technology Aug. 2004
文章编号:1007 - 2829 (2004) 03 - 0013 - 05
混合驱动可控机构的研究现状及发展趋势
李学刚 , 黄永强 , 冯立艳
(河北理工学院 机械系,河北 唐山063009)
关键词 :混合驱动机构 ;可控机构 ;研究现状
摘 要 :阐述了混合驱动可控机构的研究背景 、国内外研究现状 、归纳了目前混合驱动可控机 构研究中关键问题的解决方法 ,比较了各方法的优缺点 。提出了混合驱动可控机构的进一步 研究方向 ,亟待解决问题 。预测了其发展趋势和应用前景 。
中国分类号 : TH 112 文献标识码 :A
0 引言
为了适应当前市场经济条件下变化快 、周期短 、品种多的生产模式 ,人们对机械设计提出了更高的要求 。 生产实践中大量需求的机械系统不仅要能够高精度 ,大负载的高速运转 ,而且要具有一定的柔性 ,能够方便 、 快捷地在一定范围内改变输出件的运动规律 。此外 ,还要求系统的造价要合理 。目前生产实践中大量使用 的传统机械系统虽然具有高的承载能力 ,但其不足之处是缺乏柔性 ,要改变输出运动规律就得改变运动转换 机构的构型或尺寸 。伴随可控电机的出现而出现的可控电机驱动机械系统虽然能够用同一种机械结构实现 多种运动输出 ,但由于目前可控电动机的功率不高 ,此系统可获得的输出运动范围和速度受到一定限制 ,使 得系统不能在高负荷 、高速度的场合使用 ,另外 ,具有优良性能的控制电动机成本也较高 。
图1 混合驱动机械系统示意图
混合驱动可控机构兼容了传统机械系统和可控电机驱动机械系统的优点 ,是一种既能以高速 、高精度 、 甚至高负载地运转 ,又能提供一定柔性的二自由度闭环机械系统 。如图 1 所示 ,它是以恒速电动机和伺服电 动机作为驱动器 。两种类型的输入运动通过一个二自由度机构合成 ,实现预期的输出运动 ,其中 ,恒速电动 机为系统提供主要的动力 ,伺服电动机承担较小的动力 ,主要起调节作用 。因此 ,混合驱动机构也是一个具
收稿日期:2003212225
作者简介:李学刚(1979 - ) ,男,河北涿州人,河北理工学院机械系硕士生 。
有柔性的可控机构系统 。同时 ,由于混合驱动可控机构只是部分采用了伺服电动机驱动 ,相对于可控电机驱 动机械系统 ,成本较低 ,在一些只需要部分柔性或者需要在原有基础上进一步改善输出运动性能的场合 ,混 合驱动机构具有广泛的应用前景 。
1 研究现状
混合驱动可控机构是机构学研究的前沿领域 ,它既涉及到传统机构学理论和机构创新设计理论 ,又涵盖 机器人特别是并联机器人中的有关理论 ,同时延伸出实现成组运动规律 、成组轨迹 、运动耦合性 、动力和功率 分配等诸多新问题 ,混合驱动机构理论研究具有明显的交叉性和创新性[ 1 ]。
1. 1 国内外研究概况
20 世纪 90 年代初 ,英国利物浦科技大学的 Jones 结合传统机构和可控机构的特点 ,提出“复合式机器 ( Hybrid Machine) ”
的概念 ,奠定了混合驱动可控机构的思想[ 2 ]。之后 ,Jones 和 Tokuz 进一步研究这类机构 的特点 ,完善了 Hybrid Machine 的思想 ,建立了完善的系统模型和实验方案[ 3 ]。为了克服 Jones 和 Tokuz 研 究中的缺点 , Greenough 与 Jones 采用二自由度七杆机构作为合成机构进行了研究 ,把注意力放在降低伺服 电机的功率上 ,取得了较好结果[ 4 ]。Connor 用遗传算法优化再现给定轨迹的混合驱动五杆机构的尺度[ 5 ]; Sesha 用混合驱动五杆机构实现的运动输出代替变廓线凸轮的功能
[ 6 ]。近年来 ,国内学者也对混合驱动可控机构进行了研究 ,内容主要集中在可控平面五杆机构的曲柄存在条 件 、工作空间 、运动轨迹分析和精确实现机构运动轨迹 、函数等方面 。上海交通大学 ,武汉冶金科技大学和天 津大学的课题组做了许多工作 ,但对可控机构动力学性能方面的研究很少 。总的来说 ,混合驱动可控机构的 研究目前尚在起步阶段 ,许多问题有待于进一步研究 。
1. 2 混合驱动可控机构的结构学研究 1. 2
11 混合驱动可控机构的可动性研究所谓可动性条件是指原动件分别按其运动规律运动时机构所应满足的最小尺寸条件 。混合驱动可控机 构的可动性研究是研究混合驱动可控机构运动学和动力学的前提和基础 ,对可动性的研究可以深入地了解 混合驱动机械系统的奇异性和工作空间 ,同时为机构的尺度综合提供准确的约束条件 。目前文献中对混合 驱动可控机构的可动性研究多围绕五杆机构这一典型机构展开 。陈瑞芳[ 7 ]研究了五杆机构存在曲柄的条 件 ,并提出机构类型的判别方法 。廖汉元[ 8 ]和李佳[ 9 ]以两原动件运动的任意组合 ,使机构运转到最难达到 的位置作为机械模型 ,建立五杆机构的可动性充分条件及其计算方法 。周双林[ 10 - 11 ]对混合驱动五杆机构 的完全分类进行了研究 。张策 ,孟宪举 ,李辉等[ 12 - 14 ]对平面五杆机构曲柄存在条件进行研究得出五杆机构 曲柄存在充分条件 ,并且分析了在考虑运动输入情况下五杆机构曲柄存在的条件 ,导出了在任意运动规律输 入下的曲柄存在条件 。
综合上述文献可以发现对混合驱动可控机构的可动性研究主要有以下两种方法 :方法一是类四杆机构 分析法 :利用开链机构的工作空间位置关系 、四杆机构的可装配条件和 Grashof 准则 ,分析四杆机构的所有 构型 ,在此基础上在连架杆极限位置将五杆机构简化为四杆机构利用四杆机构分析结果 ,分析五杆机构的构 型和曲柄存在条件 ,根据五杆机构存在曲柄的数目 ,将混合输入五杆机构分为 :无条件三曲柄 、无条件两曲柄 和无条件单曲柄三种类型 。此方法需分情况讨论 ,较为繁琐 。方法二是直接分析五杆机构 ,通过分析五杆机 构在运动过程中可能发生的最难达到的机构位置或以平面五杆机构不出现死点位置为目标 ,建立数学模型 , 推导两自由度五杆机构的可动性充分条件 。此方法与方法一相比简单 、直接 ,是一种实际可行的计算方法 。
1. 2. 2 混合驱动可控机构工作空间的研究
混合驱动可控机构工作空间的研究是分析和设计混合驱动可控机构的基本问题之一 。工作空间的形状 和大小反映了一个机构的应用潜力 ,目前文献对这一问题的研究也多是围绕五杆机构展开 。
对于五杆机构工作空间的研究 ,目前文献中采用的主要方法是 :一 、隐函数定理推导法[ 15 - 17 ]
:对五杆机
构进行矢量分析 ,确定五杆机构的工作点坐标与原动件输入角的关系 ,应用隐函数定理推导出五杆机构柔性 工作空间边界条件 。文献[ 17 ]应用隐函数定理 ,推导出平面闭链五杆机构柔性工作空间边界的条件 。文献[ 18 ] 在此基础上根据五杆机构可能存在的几种的奇异位置 ,对连杆点总工作空间进行分区 ,得出了子空间
边界的求解算法 。二 、几何分析法 :将五杆机构在两连杆铰接点处断开使机构变成两个开链机构 ,二者的工 作空间重合部分即为五杆机构工作空间 ,文献[ 19 ]运用几何知识在确定五杆机构工作空间的基础上推导出 了五杆机构工作空间的面积计算公式 ,并分析了工作空间的极值问题 。
1. 3 混合驱动可控机构的运动学研究 1. 3. 1 混合驱动可控机械运动学分析
混合驱动可控机构运动学分析可以为机构提供准确的数学模型 ,包括连杆上点的位移 ,速度 ,加速度 ,以 及连杆的角位移 ,角速度 ,角加速度 。目前文献中对混合驱动可控机构的运动轨迹进行了深入分析 。
五杆机构具有较多的尺寸参数 、不同驱动方式 ,能实现比四杆机构更为丰富的连杆轨迹 。目前分析五杆 机构轨迹的主要方法有 : (一) 图谱构造法[ 20 ]
: 根据连杆曲线的不同区域 ,绘制相应区域的成组连杆曲线图
谱 ,并探讨不同控制参数对成组曲线的影响规律 。其具体做法是利用计算机仿真技术 ,实现五杆机构的动画 设计 ,准确地描述连杆在运动过程中的实时状态 ,得到五杆机构连杆上任意一点的运动轨迹 ,并分析各构件 的尺寸 ,两个原动件的初始相位角 ,以及两个原动件的输入规律等各控制参数对连杆曲线的形状 、大小的影 响规律 。(二) 谐波理论分析法 :上述图谱构造法可提供连杆曲线大体运动趋势的直观图形 ,但此法需要人工 识别 ,耗时费力且不能保证精度 。另外 ,由于五杆机构是二自由度机构 ,在不同输入的情况下 ,五杆机构的连 杆曲线极其丰富 ,要想和四杆机构一样完整的绘制五杆机构的图谱困难很大 ,此法仅适用某些简单的输入情 况 。因此另一种分析连杆曲线的方法被提出 ,即用谐波理论分析五杆机构的运动轨迹 ,文献[ 21 ]从谐波理论 的角度出发 ,采用对平面曲线进行快速傅立叶交换 ,得到由谐波成分表示的任意五杆机构连杆轨迹的数学描 述 ;应用归一化处理 ,可将形状 、大小 、方位 、偏移各异的连杆曲线统一到相同的机构特征参数下 ,从而揭示出 各类曲线与机构尺寸及两输入构件初始角度之间的内在联系 。1. 3. 2 混合驱动可控机构运动学综合
混合驱动五杆机构的运动学综合是指在给定杆件初始值之后 ,按照输出规律要求 ,求解机构的运动参 数 ,确定出构件精确尺寸 ,使机构的输出达到目标函数收敛要求 。目前文献中对混合驱动可控机构运动学综 合的研究主要从以下两方面展开 :
(1) 混合驱动五杆机构精确实现给定运动的综合研究
精确实现给定运动的研究是混合驱动五杆机构运动学综合的一个重要内容 ,目前文献对混合驱动可控 机构运动学综合多围绕这一内容展开 ,主要从精确实现给定的传动比 、给定的函数 、给定的轨迹 、实现多个给 定的运动 、在机构具有加工误差和弹性时精确实现给定的运动等几个方面展开的研究[ 22 - 27 ]
,如图 2 所示 。
图2 可控五杆机构实现给定运动类型
其采用的主要方法是两步综合法 :第一步 :用最优综合的方法综合出一个起始四杆机构 。该四杆机构能 在尽可能多的点位上最优近似地逼近给定运动 ;第二步 :在起始四杆机构的基础上 ,引进受控原动件 ,并按照 给定运动计算受控原动件的补偿运动 ,从而精确实现任意给定运动 。
(2) 混合驱动五杆机构运动特性的综合研究
目前文献中对混合驱动五杆机构运动特性的综合研究多围绕工程实际中的具体机械展开 ,例如在冲压 机械中 ,常常希望冲头在作往复直线运动时能等速或近似等速运动 ,显然 ,传统的单自由度曲柄滑块机构无 法满足这一要求 ,文献[ 28 - 29 ]将混合驱动五杆机构用于曲柄压力机 ,根据加工工艺对滑块运动速度特性的 要求 ,运用复数矢量法对该混合输入机构进行逆运动学分析 ,建立了其最优化综合的数学模型 ,得到了较理 想的结果 。
1. 4 混合驱动可控机构动力学研究
机构动力学或称机械动力学问题也是研究分析和综合两个方面问题的 。混合驱动机械系统动力学分析 要研究两类问题 :一类是己知广义驱动力和工作阻力 ,求机构实际的运动规律 ,即动力学正问题 ;另一类是己 知机构输出的运动规律和工作阻力以及主电机的运动规律 ,经运动学反解得到其它构件和伺服电机的运动 规律 ;最后求解动力学方程得到机构的驱动力 ,即动力学反问题 。混合驱动机构的动力学综合是在保证混合 输入的前提下考虑到各构件的质量 、质心位置以及转动惯量等动力学参数 ,以满足动力学特性及运动学要求 为目标对机构进行尺度综合 。
对混合驱动可控机构的动力学研究尚未深入展开 ,研究动力学的文献不是很多 ,目前已作的工作是对混 合驱动五杆机构进行了动态静力学分析 ,求出两个曲柄的平衡力矩的一般表达式 ,建立整个二自由度平面混 合输入五杆机构系统的运动微分方程 。文献[ 30 ]提出了一种以几何位置关系为基础进行可控连杆机构动力 学分析的简明通用方法 。文献[ 31 - 32 ]研究了平面五杆机构的动力学和惯性力平衡问题 。
2 混合驱动可控机构的发展趋势
从以上研究可以看出混合驱动可控机构具有很多优点 ,在当前柔性生产时代 ,对机器的速度 、精度要求 日益提高 ,混合驱动可控机构将有非常大的发展空间 。在柔性生产线即包装 、运输 、食品 、纺织 、印刷等自动 机械中混合驱动可控机构具有广泛的应用前景 。但是从目前的研究情况看 ,当前对混合驱动可控机构的研 究只涉及到机构学中单运动规律的运动分析和综合 。为进一步完善混合驱动机构理论 ,拓展其在工程中的 应用 ,还需要展开以下几方面的研究 :
2. 1 混合驱动机构的动力学研究
混合驱动机构的动力学研究是对机构进行优化设计的前提 ,由于混合驱动机构是闭链机构 ,机构的耦合 和动力分配问题将是动力学研究的难点 。例如 ,如何让伺服电机承担的动力尽可能小的同时 ,又要保证其不 作频繁的换向运动 ?
2. 2 混合驱动机构的优化设计
由于混合驱动机构自身的特点 ,对机构进行优化设计时 ,如何选择适合的目标函数 ,优化指标以及约束 条件将是这一问题的难点 。
2. 3 混合驱动机构的实验研究
虽然目前通过理论研究和计算机仿真验证了混合驱动可控机构的许多优点 ,但为了证实结论的可行性 , 需要建立系统的控制模型 ,进行物理试验 。因此加强混合驱动机构性能试验 ,测试方法及装置的研究是必要 的 。
2. 4 提高混合驱动机构的设计效率
要做到开发系列 、新型的混合驱动机构 ,单靠人工推导是很费时的 。而提高设计效率 ,验证设计结果 ,需 要借助于现代机构创新设计方法 ,可靠的开发平台 (VC + + ) ,高效的三维设计软件 ( Pro/ E ,U G 等) ,以及快 速的运动学 ,动力学仿真系统来完成虚拟样机的设计及验证 。因此 ,开发一套通用的虚拟样机软件系统是非 常有必要的 ,该系统不应单纯是装配关系模型 ,还应包括运动学与动力学仿真模型 。
总的来说 ,今后的研究应着力加强对机构动力学和最优控制方面的研究 ,需进一步对可控机构的结构 学 ,动力学和运动学问题进行系统全面的研究 ,从而形成完善的理论体系 ,促进可控机构的实际应用 。 参考文献 :
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