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《機(jī)械設(shè)計與研究雜志》2014年第四期

1推手機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案設(shè)計

1．1推手機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計方案生成通過形態(tài)學(xué)綜合得到多組滿足功能要求的機(jī)構(gòu)組合方案。但還必須從機(jī)構(gòu)功能屬性，機(jī)構(gòu)工作性能，機(jī)構(gòu)動力性能，經(jīng)濟(jì)性及機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊性五個方面對這些組合方案進(jìn)行綜合評價，最終遴選出最優(yōu)的改進(jìn)設(shè)計方案(此處不作詳述)。

1．2推手機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案工作原理分析根據(jù)最終評價結(jié)果，遴選出的最優(yōu)改進(jìn)設(shè)計方案，其工作原理見圖3。推手機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案原理圖解如圖3。該機(jī)構(gòu)構(gòu)件2、3、4與機(jī)架1一起構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)，在構(gòu)件2和3的鉸接位置空套一個齒輪，作為構(gòu)件5，構(gòu)件5上固接桿桿長與桿4一致，構(gòu)件4上固接另一齒輪，兩齒輪以傳動比i=1嚙合，此平行四邊形齒輪機(jī)構(gòu)輸出單元為構(gòu)件5，構(gòu)件5固接桿端點輸出運動為直線往復(fù)運動;在此基礎(chǔ)上，構(gòu)件3、5、7、8構(gòu)成第二個平行四邊行機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)的輸出單元為8，輸出運動為往復(fù)平動;構(gòu)件6作為構(gòu)件4上固接凸輪從動件，使構(gòu)件8始終平行于構(gòu)件6，這樣構(gòu)件7實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)變姿態(tài)動作;通過凸輪控制桿6的偏轉(zhuǎn)，桿件8實現(xiàn)給定的導(dǎo)向運動:工作行程沿直線路徑移動，回程沿一條拱形路徑作變姿態(tài)運動。

2推手機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性

2．1推手機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性指標(biāo)機(jī)構(gòu)的動力特性由震動力﹑震動力矩﹑驅(qū)動力矩和運動副反力這些指標(biāo)來決定，它們從不同角度反映了機(jī)構(gòu)的慣性作用。震動力和震動力矩是直接反映機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)動過程中慣性對機(jī)架所產(chǎn)生的作用，是造成機(jī)器振動的主要原因。驅(qū)動力矩是在驅(qū)動軸上用于克服慣性作用的力矩，影響著機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速的均勻性。運動副反力反映機(jī)構(gòu)各構(gòu)件之間的相互作用，影響著機(jī)構(gòu)的噪音和壽命。與機(jī)架連接的運動副反力的總效應(yīng)構(gòu)成了震動力和震動力矩。因此驅(qū)動力矩﹑運動副反力這兩個指標(biāo)可以間接反映機(jī)構(gòu)的震動力和震動力矩。另外機(jī)構(gòu)總質(zhì)心的動態(tài)運動規(guī)律也可以反映和影響機(jī)構(gòu)的動力學(xué)性能。式(1)﹑(2)為機(jī)構(gòu)系統(tǒng)總質(zhì)心的動態(tài)偏移量計算公式。

2．2專利方案和改進(jìn)方案的虛擬樣機(jī)模型虛擬樣機(jī)的建立包括幾何建模和物理建模兩個階段。幾何建模是將PROE里建立的三維實體模型，導(dǎo)入動力學(xué)分析軟件ADAMS。物理建模就是在ADAMS/VIEW中定義運動副﹑重力﹑外載﹑動力機(jī)，設(shè)定材料及轉(zhuǎn)速，這樣建立了表達(dá)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)特性的物理模型，除此之外還要需要建立動態(tài)質(zhì)心測量函數(shù)。確認(rèn)樣機(jī)模型無誤后，進(jìn)行數(shù)值仿真。如圖4﹑5分別為推手機(jī)構(gòu)專利方案虛擬樣機(jī)模型和推手機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案虛擬樣機(jī)模型。

2．3專利方案與改進(jìn)方案的數(shù)值分析建立好樣機(jī)模型后，進(jìn)入數(shù)值仿真階段，通過ADAMS/VIEW求解器中的運動學(xué)﹑動力學(xué)等分析算法，對機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行自動數(shù)學(xué)建模，迭代運算和求解，得到所需的分析結(jié)果。在轉(zhuǎn)速為ω=3000rad/s的條件下，在PostProcessor里分別獲得一個周期T=0．12s內(nèi)兩組機(jī)構(gòu)動態(tài)質(zhì)心位移曲線﹑驅(qū)動力矩﹑各運動副反力等動態(tài)特性指標(biāo)數(shù)據(jù)。由于兩組方案機(jī)構(gòu)中存在較多的運動副，不便在文中一一列出各運動副反力數(shù)值曲線。機(jī)構(gòu)在運轉(zhuǎn)過程中的震動力與震動力矩體現(xiàn)在與機(jī)架相連的運動副反力上，故只列出與機(jī)架桿相連的接地副反力及峰值超過1000N的其他運動副反力數(shù)值曲線圖。如表2﹑3分別為專利方案與改進(jìn)方案動態(tài)特性指標(biāo)數(shù)值曲線。通過數(shù)值曲線的分析結(jié)果，取機(jī)構(gòu)中各動態(tài)指標(biāo)數(shù)值在一個運轉(zhuǎn)周期內(nèi)的峰值。

3結(jié)論

3．1動態(tài)受力分析(1)與專利方案相比，改進(jìn)方案動態(tài)質(zhì)心偏離驅(qū)動軸中心峰值要小很多，且在x方向上動態(tài)變化區(qū)域要小，這樣能夠最大限度地降低機(jī)構(gòu)自身在運轉(zhuǎn)過程中的慣性的作用。(2)改進(jìn)方案的驅(qū)動力矩小于專利方案的驅(qū)動力矩，說明改進(jìn)機(jī)構(gòu)在驅(qū)動軸上要克服的慣性力矩小，同時也表明改進(jìn)機(jī)構(gòu)的傳動效率較高。(3)專利方案與機(jī)架相連的運動副有固定鉸鏈和固定凸輪高副兩個，為F11_2、F11_4，其峰值分別為1200N、1000N;改進(jìn)方案的兩個固定鉸鏈為F12、F41，其峰值分別為1145N、1513N。與機(jī)架相連的運動副反力峰值相差不大，改進(jìn)方案固定鉸鏈反力稍小，說明改進(jìn)機(jī)構(gòu)的震動力和震動力矩稍小，在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的震動和噪音也會較小。專利機(jī)構(gòu)的運動副反力變動范圍較大，改進(jìn)機(jī)構(gòu)只在t=0．88s出現(xiàn)峰值突躍的情況外，其余時段運轉(zhuǎn)過程幅值較低，且幅值變化都較小。(4)改進(jìn)機(jī)構(gòu)存在幾處鉸鏈反力過大的地方，分別是F23、F35。對應(yīng)峰值參照上表。因此在涉及這四個鉸鏈位置的機(jī)構(gòu)元件除了在結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮鉸鏈反力對疲勞強度的影響外，在后期詳細(xì)設(shè)計的選材方面也要考慮使用疲勞強度高、耐久性好的材料，來克服鉸鏈反力過大對機(jī)器疲勞壽命、安全性和可靠性方面的不利影響。

3．2結(jié)構(gòu)分析在機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上，將運動構(gòu)件分為定軸轉(zhuǎn)動、一般平面平動、往復(fù)直線移動和一般平面運動。表6為專利方案與改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)對比分析。機(jī)構(gòu)震動力完全平衡的條件是整個機(jī)構(gòu)總質(zhì)心靜止不動。質(zhì)量再平衡法可以部分或全部實現(xiàn)機(jī)構(gòu)震動力的平衡。表3針對推手機(jī)構(gòu)專利方案與改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)中具體構(gòu)件的運動特性，將其劃分為定軸轉(zhuǎn)動﹑直線平動﹑平面平動﹑一般平面運動進(jìn)行了對比分析。從質(zhì)量平衡的角度，定軸轉(zhuǎn)動﹑直線平動﹑平面平動﹑一般平面運動通過配重能夠?qū)崿F(xiàn)震動力平衡的可能性分別為100%﹑75%﹑50%﹑0%。表中可知，專利方案中作一般平面運動的構(gòu)件數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于改進(jìn)方案，定性來分析，專利方案能夠通過質(zhì)量平衡來實現(xiàn)震動力平衡的難度要遠(yuǎn)大于改進(jìn)方案，這也驗證了改進(jìn)方案機(jī)構(gòu)總質(zhì)心動態(tài)變化范圍要要大大小于專利方案，從而能夠降低慣性力對機(jī)構(gòu)自身動態(tài)性能的影響。

作者：熊如意林松單位：同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院