受控五杆机构实现轨迹理论与实验研究

论文摘要

传统机构学正在对其研究对象、内容、理论和方法等诸多方面发生深刻的变革。1990年以来,中国机构学经历了一个较大发展。其中受控机构（亦称可控机构或者混合输入机构或者混合驱动机构）分析与综合及其应用研究是10年来主要成果之一。本文在借鉴国内外相关研究成果的基础上,以平面五杆机构的型综合、分析与综合、结构参数和运动参数误差分布及对实现轨迹的影响、控制系统为研究对象,考虑五杆机构的运动学动力学特性,将新型智能计算方法与新设计理论引入其中,为平面五杆机构轨迹综合与创新设计提供了一种新的研究途径。首先,提出了两种五杆机构型综合的新方法:“基于两个类Ⅱ级杆组构成法”和“基于两连架杆+Ⅱ级杆组构成法”。提出了全移动副的平面机构自由度计算方法,通过当前热门研究的四种常用型的研究和特征分析,并运用杆组理论提出的两种型综合方法,得出13种基本型。并分析了这13种基本型在实现轨迹时的演化规律,分析了五杆机构实现轨迹时分析和综合的特点,为基于特征值的五杆机构分析与综合奠定了理论基础。其次,提出了两种五杆机构精确实现多点轨迹的两步尺度综合的新方法:“轨迹实现模型+补偿控制模型”的两步综合法和“轨迹实现模型+圆拟合模型”两步综合法。提出了“视角”“轨迹区内”“轨迹区外”的概念,运用该概念能够减少优化的计算模型;建立实现多点轨迹五杆机构全域最优设计模型:“轨迹实现模型+补偿控制模型”,考虑了五杆机构的运动学动力学特性,独立的设计变量为6个比传统的要少,但模型数较多;构造的适应度函数保证了满足约束条件的个体的适应度值优于不满足的个体,且增强了优化的吸引域,采用改进遗传算法获取全域最优解;建立了受控机构的“轨迹实现模型+圆拟合模型”优化模型,运用广义逆求解,实例计算表明:受控机构必须考虑受控原动件的机械特性,必须选择合适的控制策略和方法。再次,提出了刚性受控五杆机构结构参数误差合理分布方法;运用小波分析与变换,提高了补偿运动的低频特性。通过分析结构参数与运动参数误差对实现轨迹误差的影响,建立了全微分方程组,运用矩阵论的范数法,提出了刚性受控五杆机构结构参数误差合理分布方法,可以减少补偿运动不必要的调整,从而提高了五杆机构实现轨迹的精度和五杆机构的实用性;通过小波多分辨分析方法对可控五杆机构的补偿运动曲线进行分析,不仅有利于了解补偿运动在各频率段的分布,而且在满足要求的前提下使特征数据点大为减少,并且消除了补偿运动高频部分,优化了机构的运动学和动力特性,为机构动力学分析提供了一种新的方法。最后,开发了受控五杆机构的计算仿真和控制系统软件。针对五杆机构进行力学分析,运用“矩阵法”建立五杆机构力学模型,研制开发本文的全部计算与仿真模型及软件,研制开发五杆机构力的控制硬件系统及其软件,完成实验台研制;为五杆机构的设计理论验证和应用研究提供强有力的支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出及研究意义
• 1.2 单自由度机构国内外研究现状
• 1.2.1 单自由度机构的轨迹分析与综合
• 1.2.2 机构创新设计方法
• 1.3 受控机构国内外研究现状
• 1.3.1 二自由度机构创新设计研究
• 1.3.2 五杆机构的构型和曲柄存在条件
• 1.3.3 五杆机构的分析与综合方法
• 1.3.4 五杆机构的动力学研究
• 1.3.5 五杆机构的系统仿真实验及应用研究
• 1.3.6 当前受控机构研究的不足和发展趋势
• 1.4 研究内容与体系结构
• 1.4.1 来源
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 体系结构
• 第二章 平面低副五杆机构的基本型及其演化
• 2.1 引言
• 2.2 平面低副五杆机构与杆组的关系
• 2.2.1 全移动副平面连杆机构
• 2.2.2 平面低副Ⅱ级杆组规则和方法
• 2.2.3 平面五杆机构与杆组的关系
• 2.3 基于两个“类Ⅱ级杆组”的构成法
• 2.4 基于两连架杆＋Ⅱ级杆组的构成法
• 2.5 主动件选择的演化
• 2.6 五杆机构实现轨迹的构成演化
• 2.7 小结
• 第三章 基于运动学和动力学的受控机构优化
• 3.1 引言
• 3.2 五杆机构的“轨迹实现模型+补偿控制的结构模型”“两步综合法”
• 3.2.1 “封闭连续”轨迹曲线再现模型
• 3.2.2 “视角”和“轨迹区内外”的定义及其特点
• 3.2.3 曲柄的“位置角”定义及其特点
• 3.2.4 曲柄中心A 与轨迹的位置关系及其计算
• 3.2.5 “封闭连续轨迹曲线”轨迹实现模型的优化模型
• 3.2.6 实例
• 3.3 基于遗传算法的五杆机构实现轨迹优化设计
• 3.3.1 单曲柄存在条件及其特性
• 3.3.2 基于遗传算法的优化设计
• 3.3.3 五杆机构优化模型
• 3.3.4 实例
• 3.4 基于圆拟合的受控五杆机构广义逆优化
• 3.4.1 圆拟合模型
• 3.4.2 圆拟合优化设计
• 3.4.3 圆拟合的广义逆求解
• 3.4.4 实例
• 3.5 小结
• 第四章 受控五杆机构实现轨迹误差的影响因素研究
• 4.1 引言
• 4.2 结构参数和运动参数的误差分布及其影响
• 4.2.1 补偿运动的全微分及矩阵表达式
• 4.2.2 最小范数法确定刚性受控五杆机构结构参数误差向量
• 4.2.3 刚性受控五杆机实现给定轨迹误差的矩阵表达式
• 4.2.4 实例
• 4.3 基于小波分析与变换的补偿运动分析
• 4.3.1 小波分析与变换
• 4.3.2 基于小波分析与变换的补偿运动分析
• 4.4 小结
• 第五章 受控五杆机构力分析及试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于伺服电机选择的受控五杆机构力分析
• 5.2.1 受控五杆机构结构设计原理
• 5.2.2 五杆机构的力分析模型
• 5.2.3 矩阵法求解五杆机构的力（矩）
• 5.2.4 实例
• 5.3 控制系统软件开发的关键技术及其实现
• 5.3.1 软件模块的设计
• 5.3.2 功能模块的设计
• 5.3.3 控制系统关键技术
• 5.4 试验台研制
• 5.5 仿真与试验
• 5.6 小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的主要成果
• 致谢