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《機械設計與研究雜志》2014年第四期

1推手機構改進方案設計

1．1推手機構改進設計方案生成通過形態學綜合得到多組滿足功能要求的機構組合方案。但還必須從機構功能屬性，機構工作性能，機構動力性能，經濟性及機構結構緊湊性五個方面對這些組合方案進行綜合評價，最終遴選出最優的改進設計方案(此處不作詳述)。

1．2推手機構改進方案工作原理分析根據最終評價結果，遴選出的最優改進設計方案，其工作原理見圖3。推手機構改進方案原理圖解如圖3。該機構構件2、3、4與機架1一起構成平行四邊形機構，在構件2和3的鉸接位置空套一個齒輪，作為構件5，構件5上固接桿桿長與桿4一致，構件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構輸出單元為構件5，構件5固接桿端點輸出運動為直線往復運動;在此基礎上，構件3、5、7、8構成第二個平行四邊行機構，此機構的輸出單元為8，輸出運動為往復平動;構件6作為構件4上固接凸輪從動件，使構件8始終平行于構件6，這樣構件7實現偏轉，實現變姿態動作;通過凸輪控制桿6的偏轉，桿件8實現給定的導向運動:工作行程沿直線路徑移動，回程沿一條拱形路徑作變姿態運動。

2推手機構的動態特性

2．1推手機構的動態特性指標機構的動力特性由震動力﹑震動力矩﹑驅動力矩和運動副反力這些指標來決定，它們從不同角度反映了機構的慣性作用。震動力和震動力矩是直接反映機構在轉動過程中慣性對機架所產生的作用，是造成機器振動的主要原因。驅動力矩是在驅動軸上用于克服慣性作用的力矩，影響著機構轉速的均勻性。運動副反力反映機構各構件之間的相互作用，影響著機構的噪音和壽命。與機架連接的運動副反力的總效應構成了震動力和震動力矩。因此驅動力矩﹑運動副反力這兩個指標可以間接反映機構的震動力和震動力矩。另外機構總質心的動態運動規律也可以反映和影響機構的動力學性能。式(1)﹑(2)為機構系統總質心的動態偏移量計算公式。

2．2專利方案和改進方案的虛擬樣機模型虛擬樣機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，導入動力學分析軟件ADAMS。物理建模就是在ADAMS/VIEW中定義運動副﹑重力﹑外載﹑動力機，設定材料及轉速，這樣建立了表達機構系統動力學特性的物理模型，除此之外還要需要建立動態質心測量函數。確認樣機模型無誤后，進行數值仿真。如圖4﹑5分別為推手機構專利方案虛擬樣機模型和推手機構改進方案虛擬樣機模型。

2．3專利方案與改進方案的數值分析建立好樣機模型后，進入數值仿真階段，通過ADAMS/VIEW求解器中的運動學﹑動力學等分析算法，對機構系統進行自動數學建模，迭代運算和求解，得到所需的分析結果。在轉速為ω=3000rad/s的條件下，在PostProcessor里分別獲得一個周期T=0．12s內兩組機構動態質心位移曲線﹑驅動力矩﹑各運動副反力等動態特性指標數據。由于兩組方案機構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值曲線。機構在運轉過程中的震動力與震動力矩體現在與機架相連的運動副反力上，故只列出與機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值曲線圖。如表2﹑3分別為專利方案與改進方案動態特性指標數值曲線。通過數值曲線的分析結果，取機構中各動態指標數值在一個運轉周期內的峰值。

3結論

3．1動態受力分析(1)與專利方案相比，改進方案動態質心偏離驅動軸中心峰值要小很多，且在x方向上動態變化區域要小，這樣能夠最大限度地降低機構自身在運轉過程中的慣性的作用。(2)改進方案的驅動力矩小于專利方案的驅動力矩，說明改進機構在驅動軸上要克服的慣性力矩小，同時也表明改進機構的傳動效率較高。(3)專利方案與機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;改進方案的兩個固定鉸鏈為F12、F41，其峰值分別為1145N、1513N。與機架相連的運動副反力峰值相差不大，改進方案固定鉸鏈反力稍小，說明改進機構的震動力和震動力矩稍小，在運轉過程中產生的震動和噪音也會較小。專利機構的運動副反力變動范圍較大，改進機構只在t=0．88s出現峰值突躍的情況外，其余時段運轉過程幅值較低，且幅值變化都較小。(4)改進機構存在幾處鉸鏈反力過大的地方，分別是F23、F35。對應峰值參照上表。因此在涉及這四個鉸鏈位置的機構元件除了在結構上應考慮鉸鏈反力對疲勞強度的影響外，在后期詳細設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器疲勞壽命、安全性和可靠性方面的不利影響。

3．2結構分析在機構結構上，將運動構件分為定軸轉動、一般平面平動、往復直線移動和一般平面運動。表6為專利方案與改進方案結構對比分析。機構震動力完全平衡的條件是整個機構總質心靜止不動。質量再平衡法可以部分或全部實現機構震動力的平衡。表3針對推手機構專利方案與改進方案結構中具體構件的運動特性，將其劃分為定軸轉動﹑直線平動﹑平面平動﹑一般平面運動進行了對比分析。從質量平衡的角度，定軸轉動﹑直線平動﹑平面平動﹑一般平面運動通過配重能夠實現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件數要遠遠大于改進方案，定性來分析，專利方案能夠通過質量平衡來實現震動力平衡的難度要遠大于改進方案，這也驗證了改進方案機構總質心動態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構自身動態性能的影響。

作者：熊如意林松單位：同濟大學中德學院