第二章 方案设计
本章阐述柔性速度补偿的概念和设计原理，描述设计流程。并以冲压机械为应用对象，设计一种柔性速度补偿装置，试图通过该装置的设计体现柔性速度补偿这一理念的正确性。设计过程中关键部分是对机构的选型，只有选择的机构既能满足适度柔性的设计要求，也满足速度补偿时所针对的工况的要求，才能完成速度补偿的任务。本章是柔性速度补偿装置设计的基础。
§2.1概念的阐述
从运动学角度来看，一部机器实际上包括三个部分，即输入运动、机构和输出运动，机器的柔性化具体表现在具有可编程的输出运动能力。
因此，为获取可编程的输出运动，在机构学层次上，可以从输入和机构两个环节引入可控性。在机械发展的历史上，有直接通过控制原动机来控制输出的，如绪论中所述的汽车调速器等。但是，对原动机控制比较复杂且成本较高。因此很多设计者把获取运动柔性的努力集中在机构的环节上，如采用多自由度机构等。而且随着驱动技术的发展，各类新型可控驱动器为设计者提供了引入柔性的新途径。
在运动输入方式上，有纯机械式的，如绪论中提到的非圆齿轮变速系统；还有加入计算机控制或伺服驱动技术的，其运动柔性的设计空间大大扩展，设计方法也更复杂多样。
本文综合考虑多种方式和各类因素，采用常速电机和伺服动机混合驱动的方式，从运动机构入手，利用多自由度机构引入运动可控性，针对执行机构输出速度的波动，通过控制电机和机构的协调配合，达到柔性速度补偿的目的。
在充分研究可调整机构、混合驱动机器和变速输入伺服系统的一些研究成果后，交叉融合了他们的一些优势特点，提出柔性速度补偿的概念，它是这样一类机器：是针对执行机构的负载引起的速度波动进行适度柔性补偿的一类机器，它不是调节原动机和执行机构，而是在两者之间单独设计一个调速单元，这一单元由机械部分和控制部分组成，机械部分为一多自由度机构，由常速电机和伺服电机分别驱动，控制部分包括信息处理系统和检测系统，当原执行机构的输出速度产生波动时，检测系统和控制器检测判断波动的大小、位置等数据，如果超过允许范围时，由控制器控制伺服电机动作，经控制系统和多自由度机构实时协调配合，以产生一个反向速度波，和原速度波正好叠加抵消，达到适度柔性的速度补偿目的，最终为执行机构提供一较平稳的速度输入。
该类机器特点是：
(l）基本不改变原系统结构组成。原系统的原动机、执行机构都不变，只在两者之间另设计一调速单元，这样不影响原系统的各项参数和性能，满足原机械设计时所提出的运动、动力、强度以及空间等各方面的要求和限制。
(2）适当的柔性输出能力。由于适度柔性机器的特性比较适合这一概念，所以集成了可调整机构、混合动力机器和变速输入伺服驱动机构的一些特性，设计的调速单元无须调整执行机构的结构参数，通过控制器控制调速单元即可输出不同的运动规律。
(3）自适应能力。机构难以适应自身参数的漂移或外部工况的变化，虽然可以利用优化技术获得最优的结构参数，但是误差、磨损、工艺调整等诸多因素都可能导致其性能偏离最佳状态。柔性速度补偿系统则可以通过传感器进行实时监测，反馈给计算机重新调整输入速度函数，以变应变。
柔性速度补偿单元由两部分组成，包括机械运动子系统、信息处理及控制子系统，其中后者又包括信息处理与控制、传感检测两部分。其逻辑组成如图2-l所示。
§2.2柔性速度补偿装置的组成和设计
由上述柔性速度补偿的概念，可以针对不同应用有不同的设计，特别是多自度机构的类型有多种，因此可以设计出多种形式的速度补偿机器。本文以冲压机械为应用对象，针对冲压机械载荷特点，设计一种柔性速度补偿装置。
该装置是以上柔性速度补偿概念的一种具体化，以验证这一概念的可行性甚至优越性。
在这里该柔性速度补偿装置的特点可以简述为，实质是一个二自由度机构，用一个等速电机驱动一个输入构件，而另用一个伺服电机对另一输入构件进行控制与调整，控制器和检测系统判断原执行机构速度波动的状况，根据波动情况实时控制伺服电机对二自由度机构的输入速度和结构参数进行调整，得到可控制的速度波，以和原执行机构的速度波叠加抵消，得到理想的速度输出。
2.2.1组成原理
该柔性速度补偿装置设计为二个独立的单元，安装在减速器和执行机构之间。如图2-2所示，简单而言其组成包括：一个二自由度机构、一个伺服电机、一个控制器以及三套编码器。控制器通过编码器监控二自由度机构的输出轴（即执行机构的输入轴）的速度，若速度波动超过预设的许用值，则控制伺服电机调整二自由度机构的一个输入，从而实现速度波动的柔性补偿。
2.2.2设计流程
该柔性速度补偿装置的设计思路是：基于对冲压机械某一类运行工况的分析选择合适类型的二自由度机构，选型原则是在伺服电机所控制的输入构件保持固定不动的情况下，该机构作为一个单自由度变传动比机构将产生一个反向的速度波动以最大限度的抵消原来的速度波动；在此基础上，控制器通过伺服电机对二自由度机构的一个输入进行微调，若机械自身的结构参数或外部的运行工况发生变化，则重新调整使速度波动的幅度始终保持在许可范围内。
该柔性速度补偿装置的设计流程如图2-3所示，包括以下步骤：
步骤1、就某一类工况，对其中典型的负载特征，测出机械的实际运行速度和加速度，采集数据进行分析与处理。
步骤2、针对该运行工况选择合适类型的二自由度机构，进行结构设计。
步矛3、控制伺服电机 对二自由度机构的一个输入进行微调，补偿速度波动。
步骤4、传感器检测的实际运行速度，若不超过速度波动许用范围，则当前运动周期结束，进入下一个周期；否则，继续控制伺服电机进行速度补偿。
本论文在设计该柔性速度补偿装置的整个过程中，各个环节都是严格按这一程序推进的。
§2.3机构选型
该柔性速度补偿装置可分为机械部分和控制部分，机械运动系统的选择适当，才能为机器功能的柔性化提供可能，它是柔性化得以实现的物质基础，因此机构的选型设计是整个机械设计中的重要一环。作为一部机器，其机械运动是功能实现的核心手段，而机构是机械运动的载体。现代机器很多时候需要在功能上增强柔性，计算机技术和伺服驱动技术的进步为机器的柔性化功能提供了更多的可能，而同时，机械运动系统和机构学自身的发展是机器功能柔性化的重要依托。由此可见，机构选型是该柔性速度补偿装置整体设计中很关键的部分。
2.3.1机构的创新设计方法
通常一些有经验的工程师可以通过自己的经验来设计机械，当工程师面对一项计划时，经验是产生设计概念的最佳方法。
没有经验的工程师可以从传统的理性化方法出发来解决问题，通过分析现有设计、资料收集和检核表方法，以及通过阅读、思索、观察修理装置，研究众多产品的工作原理等途径来获取经验。
此外，还可以应用创造性设计法，如属性列举法、型态表分析法和脑力激荡术，来辅助在概念设计阶段产生构想。
本文则采用颜鸿森与黄以文提出的一套程序化的创造性设计法来完成设计，它可用于系统地构想出符合特定设计要求与约束，并与可行的现有设计完成相同或相似任务的机械装置全部可能的拓扑构造。
设计流程如图2-4所示，主要的步骤如下：
(1）一般化，是指将具有机件和运动副的原始机械装置，转化为只有一般化连杆和一般化（运动）副的机构，这样形成的闭环链称为一般化（运动）链。
(2）数综合，是综合出与原始一般化链的杆数及运动副数相同的全部可能的一般化链，归纳出它的拓扑构造，组成图谱。
(3）特定化，是分配类型的机件和运动副至每个可行的一般化链，以找出符合特定设计要求的特定化链。
(4）具体化，将每种可行的特殊化运动链转换成所对应的机构简图，以获得可行的机构。
总之，依据这一设计流程，一按照设计要求和约束，确定出来的机构就是一种具有创造性的机构。
2.3.2选型方案
根据柔性速度补偿装置的设计特点和冲压机械的载荷特征，认为选型原则是，在伺服电机所控制的输入构件保持固定不动的情况下，该机构作为一个单自由度变传动比机构就可产生一个反向的速度波动，以最大限度的抵消原来的速度波动，只在参数或工况变化时，伺服电机才动作，提供补偿运动，驱动第二输入进行微调。
按照设计要求，首先选择二自由度机构。
对于二自由度的装置：
简单（5,5）运动链有l个；((5,5）表示5杆5副，下同）
简单（7,8）运动链有3个；
简单（9,11）运动链有40个……
对于（5,5）来说，只有一种连接方式，作为一种混合动力驱动系统已有人做过研究，在本论文中，不能满足设计要求，因此不可取；而（9,11）及以上又有40个（或更多）运动链之多，且构件多结构复杂，研究起来非常困难，暂不考虑；先考虑（7,8）七杆八副机构，其构建数量不是太多，结构不是太复杂，共有3个运动链（如图2-5),特定化后又有11种（排除同构的机构）特定化导出机构，可以从中选择可能适合的方案，因此以下将对（7，8）来详细分析研究。
由（1）图，取不同的构件为机架，经过特定化后，可转化为三种导出机构，如图2-6。
由（2）图，取不同的构件为机架，经过特定化后，可转化为四种导出机构，如图2-7。
由（3）图，取不同的构件为机架，经过特定化后，也可转化为四种导出机构，如图2-8。
经过对以上11种机构的分析比较，并参考一些实际设计结构，认为可以有以下三种备选方案。
方案一：将（3）-（a）一般化链的所有连杆标号，再分配其中三副杆1作为机架，哪图2-9（a）所示，这样特定化后，再进一步转化为（b）图所示的装置，连杆5改为滑块，杆2作为第一输入，第二输入可以设定是滑块5在杆4上的移动，可由伺服电机驱动，杆7作为输出杆，可以满足设计的初步要求。
经查阅资料，发现类似于该机构，L.C.Dulger等人已经做过一些研究，而且也以冲压机械为应用对象，在他们的一篇文章里有比较详细的介绍，模型结构如图2-10，但因为应用情况不同，本文不宜采用这种机构。
方案二：同样，将图（1）-（b）的一般化运动链，如图2-11所示，特定化后，转化为右边（b）图的平行机构结构简图，杆1为输入杆，三副杆设计为一螺旋杆，和固定于地面的螺旋滑块连接，由伺服电机驱动，这样杆3的长度可调，从而作为输出的杆6输出速度可调。
这种平行杆机构理论上正确，但是实际上运行时会产生奇异，不能实际采用，因此转化为如图2-12所示的这种中心对称的连杆机构。并在adams软件下建立了模型如图2-13，经分析认为该机构完全对称的结构特征，更适合于一般情况下的速度等速传递，不适合在冲压工况下应用，所以这种结构也决定不采用。
方案三：在众多已有机构类型筛选当中，发现机构式脉动无级变速器中的一种：三相并列连杆式（GUSA）脉动无级变速器采用的机构可以供鉴。这咱变速器设计原理为：采用三相并列结构，作为输入机构的是相位差为120度的三曲拐曲轴，每个曲拐带动一套Ⅲ级七杆机构，如图所示是（7,8）图谱中（1）的一种同构机构，图2-14显示了它的转化和各杆件的标号，可以与图2-15结构简图——对应。
图2-15显示是其中一套传动机构的机构简图，该机构有两自由度，动力机驱动曲柄l，作为“输入1”,“输入2”是一螺旋机构，将输入的旋转运动转化为杆7的往复运动，改变滑块3在水平方向的位置，从而改变机构的杆长比例，使得杆5的输出速度发生变化，达到变速的目的。杆5是摆动杆，且输出速度并不平稳，所以变速器是由三套连杆机构以相位差120度三相组成，杆5又兼做超越离合器的外环，经超越离合器滤波后产生一较平稳单向脉动转动输出，输出轴的瞬时转速等于三相七杆机构中与输出轴的相对转才最大的摇杆摆动角速度，如图2-16所示。
受此启发，并基于可调整机构的原理，经过适当的调整，如图2-17所示，认为图2-18所示的连杆机构可以满足设计需求。
“输入1”不变，“输入2”改为伺服马达驱动，并修改结构将杆1和杆5均设计为曲柄，将滑块6调整到杆5上，保证双曲柄存在，这样单相即可，也不需离合器；又因柔性速度补偿装置仅作速度补偿，不承担减速的任务，故采用对称结构，这样杆5的输出速度和杆1的输入速度相差不大，保证速度基本是等速传递的。工作时，根据分析设定滑块3的初始位置，使杆5输出一个反向的速度波，可选择性地抵消原机械产生的速度波。若机械参数或运行工况发生变化，则控制伺服马达调整输入2，滑块3左右移动，进行微调。从而，通过两台电机的耦合作用及与机构的恰当配合产生一理想的速度波动，与原速度波相互抵消，使输出速度保持在许用的波动幅度范围内。
则该装置的工作原理可简述为：输入1为常速电机驱动，输入2由伺服电机驱动，再通过螺旋传递装置转化为滑块3的往复运动，通过控制的指令，滑块3可以以不同的速度和方向往复运动，从而导致机构的杆长比例发生变化，使得输出杆5的输出速度发生变化，实现运动的可控性，达到柔性速度补偿的目的。
§2.4本章小节
在本章中，首先阐述了柔性速度补偿的概念，提出针对冲压机械的一种柔性速度补偿装置的设计原理，描述了设计程序流程。然后指出在设计过程中机构选型是关键部分，并提出三种备选方案，经过比较分析，认为从机械无级变速器转化而来的一种二自由度七杆机构是比较符合设计要求的构型。
上一页
下一页
