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在充分研究可調(diào)整機(jī)構(gòu)、混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器和變速輸入伺服系統(tǒng)的一些研究成果后，交叉融合了他們的一些優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，提出柔性速度補(bǔ)償?shù)母拍睿�它是這樣一類機(jī)器：是針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載引起的速度波動(dòng)進(jìn)行適度柔性補(bǔ)償?shù)囊活悪C(jī)器，它不是調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是在兩者之間單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)速單元，這一單元由機(jī)械部分和控制部分組成，機(jī)械部分為一多自由度機(jī)構(gòu)，由常速電機(jī)和伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，控制部分包括信息處理系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)原執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出速度產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)和控制器檢測(cè)判斷波動(dòng)的大小、位置等數(shù)據(jù)，如果超過允許范圍時(shí)，由控制器控制伺服電機(jī)動(dòng)作，經(jīng)控制系統(tǒng)和多自由度機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)配合，以產(chǎn)生一個(gè)反向速度波，和原速度波正好疊加抵消，達(dá)到適度柔性的速度補(bǔ)償目的，最終為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供一較平穩(wěn)的速度輸入。
該類機(jī)器特點(diǎn)是：
(l）基本不改變?cè)�系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。原系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)都不變，只在兩者之間另設(shè)計(jì)一調(diào)速單元，這樣不影響原系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)和性能，滿足原機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)所提出的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、強(qiáng)度以及空間等各方面的要求和限制。
(2）適當(dāng)?shù)娜嵝暂敵瞿芰ΑＳ捎谶m度柔性機(jī)器的特性比較適合這一概念，所以集成了可調(diào)整機(jī)構(gòu)、混合動(dòng)力機(jī)器和變速輸入伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一些特性，設(shè)計(jì)的調(diào)速單元無須調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過控制器控制調(diào)速單元即可輸出不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
(3）自適應(yīng)能力。機(jī)構(gòu)難以適應(yīng)自身參數(shù)的漂移或外部工況的變化，雖然可以利用優(yōu)化技術(shù)獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但是誤差、磨損、工藝調(diào)整等諸多因素都可能導(dǎo)致其性能偏離最佳狀態(tài)。柔性速度補(bǔ)償系統(tǒng)則可以通過傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，反饋給計(jì)算機(jī)重新調(diào)整輸入速度函數(shù)，以變應(yīng)變。

柔性速度補(bǔ)償單元由兩部分組成，包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)、信息處理及控制子系統(tǒng)，其中后者又包括信息處理與控制、傳感檢測(cè)兩部分。其邏輯組成如圖2-l所示。

 

§2.2柔性速度補(bǔ)償裝置的組成和設(shè)計(jì)

由上述柔性速度補(bǔ)償?shù)母拍�，可以針�?duì)不同應(yīng)用有不同的設(shè)計(jì)，特別是多自度機(jī)構(gòu)的類型有多種，因此可以設(shè)計(jì)出多種形式的速度補(bǔ)償機(jī)器。本文以沖壓機(jī)械為應(yīng)用對(duì)象，針對(duì)沖壓機(jī)械載荷特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種柔性速度補(bǔ)償裝置。
該裝置是以上柔性速度補(bǔ)償概念的一種具體化，以驗(yàn)證這一概念的可行性甚至優(yōu)越性。
在這里該柔性速度補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)可以簡(jiǎn)述為，實(shí)質(zhì)是一個(gè)二自由度機(jī)構(gòu)，用一個(gè)等速電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)輸入構(gòu)件，而另用一個(gè)伺服電機(jī)對(duì)另一輸入構(gòu)件進(jìn)行控制與調(diào)整，控制器和檢測(cè)系統(tǒng)判斷原執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度波動(dòng)的狀況，根據(jù)波動(dòng)情況實(shí)時(shí)控制伺服電機(jī)對(duì)二自由度機(jī)構(gòu)的輸入速度和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到可控制的速度波，以和原執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度波疊加抵消，得到理想的速度輸出。

2.2.1組成原理

該柔性速度補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)為二個(gè)獨(dú)立的單元，安裝在減速器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間。如圖2-2所示，簡(jiǎn)單而言其組成包括：一個(gè)二自由度機(jī)構(gòu)、一個(gè)伺服電機(jī)、一個(gè)控制器以及三套編碼器�？刂破魍ㄟ^編碼器監(jiān)控二自由度機(jī)構(gòu)的輸出軸（即執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入軸）的速度，若速度波動(dòng)超過預(yù)設(shè)的許用值，則控制伺服電機(jī)調(diào)整二自由度機(jī)構(gòu)的一個(gè)輸入，從而實(shí)現(xiàn)速度波動(dòng)的柔性補(bǔ)償。

2.2.2設(shè)計(jì)流程

該柔性速度補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)思路是：基于對(duì)沖壓機(jī)械某一類運(yùn)行工況的分析選擇合適類型的二自由度機(jī)構(gòu)，選型原則是在伺服電機(jī)所控制的輸入構(gòu)件保持固定不動(dòng)的情況下，該機(jī)構(gòu)作為一個(gè)單自由度變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)將產(chǎn)生一個(gè)反向的速度波動(dòng)以最大限度的抵消原來的速度波動(dòng)；在此基礎(chǔ)上，控制器通過伺服電機(jī)對(duì)二自由度機(jī)構(gòu)的一個(gè)輸入進(jìn)行微調(diào)，若機(jī)械自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)或外部的運(yùn)行工況發(fā)生變化，則重新調(diào)整使速度波動(dòng)的幅度始終保持在許可范圍內(nèi)。
該柔性速度補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)流程如圖2-3所示，包括以下步驟：

步驟1、就某一類工況，對(duì)其中典型的負(fù)載特征，測(cè)出機(jī)械的實(shí)際運(yùn)行速度和加速度，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。
步驟2、針對(duì)該運(yùn)行工況選擇合適類型的二自由度機(jī)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

步矛3、控制伺服電機(jī) 對(duì)二自由度機(jī)構(gòu)的一個(gè)輸入進(jìn)行微調(diào)，補(bǔ)償速度波動(dòng)。

步驟4、傳感器檢測(cè)的實(shí)際運(yùn)行速度，若不超過速度波動(dòng)許用范圍，則當(dāng)前運(yùn)動(dòng)周期結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)周期；否則，繼續(xù)控制伺服電機(jī)進(jìn)行速度補(bǔ)償。

本論文在設(shè)計(jì)該柔性速度補(bǔ)償裝置的整個(gè)過程中，各個(gè)環(huán)節(jié)都是嚴(yán)格按這一程序推進(jìn)的。

§2.3機(jī)構(gòu)選型

該柔性速度補(bǔ)償裝置可分為機(jī)械部分和控制部分，機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的選擇適當(dāng)，才能為機(jī)器功能的柔性化提供可能，它是柔性化得以實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，因此機(jī)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。作為一部機(jī)器，其機(jī)械運(yùn)動(dòng)是功能實(shí)現(xiàn)的核心手段，而機(jī)構(gòu)是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的載體。現(xiàn)代機(jī)器很多時(shí)候需要在功能上增強(qiáng)柔性，計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步為機(jī)器的柔性化功能提供了更多的可能，而同時(shí)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)學(xué)自身的發(fā)展是機(jī)器功能柔性化的重要依托。由此可見，機(jī)構(gòu)選型是該柔性速度補(bǔ)償裝置整體設(shè)計(jì)中很關(guān)鍵的部分。

2.3.1機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

通常一些有經(jīng)驗(yàn)的工程師可以通過自己的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)機(jī)械，當(dāng)工程師面對(duì)一項(xiàng)計(jì)劃時(shí)，經(jīng)驗(yàn)是產(chǎn)生設(shè)計(jì)概念的最佳方法。
沒有經(jīng)驗(yàn)的工程師可以從傳統(tǒng)的理性化方法出發(fā)來解決問題，通過分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)、資料收集和檢核表方法，以及通過閱讀、思索、觀察修理裝置，研究眾多產(chǎn)品的工作原理等途徑來獲取經(jīng)驗(yàn)。
此外，還可以應(yīng)用創(chuàng)造性設(shè)計(jì)法，如屬性列舉法、型態(tài)表分析法和腦力激蕩術(shù)，來輔助在概念設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生構(gòu)想。
本文則采用顏鴻森與黃以文提出的一套程序化的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)法來完成設(shè)計(jì)，它可用于系統(tǒng)地構(gòu)想出符合特定設(shè)計(jì)要求與約束，并與可行的現(xiàn)有設(shè)計(jì)完成相同或相似任務(wù)的機(jī)械裝置全部可能的拓?fù)錁?gòu)造。
設(shè)計(jì)流程如圖2-4所示，主要的步驟如下：
(1）一般化，是指將具有機(jī)件和運(yùn)動(dòng)副的原始機(jī)械裝置，轉(zhuǎn)化為只有一般化連桿和一般化（運(yùn)動(dòng)）副的機(jī)構(gòu)，這樣形成的閉環(huán)鏈稱為一般化（運(yùn)動(dòng)）鏈。
(2）數(shù)綜合，是綜合出與原始一般化鏈的桿數(shù)及運(yùn)動(dòng)副數(shù)相同的全部可能的一般化鏈，歸納出它的拓?fù)錁?gòu)造，組成圖譜。
(3）特定化，是分配類型的機(jī)件和運(yùn)動(dòng)副至每個(gè)可行的一般化鏈，以找出符合特定設(shè)計(jì)要求的特定化鏈。
(4）具體化，將每種可行的特殊化運(yùn)動(dòng)鏈轉(zhuǎn)換成所對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，以獲得可行的機(jī)構(gòu)。
總之，依據(jù)這一設(shè)計(jì)流程，一按照設(shè)計(jì)要求和約束，確定出來的機(jī)構(gòu)就是一種具有創(chuàng)造性的機(jī)構(gòu)。

2.3.2選型方案

根據(jù)柔性速度補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和沖壓機(jī)械的載荷特征，認(rèn)為選型原則是，在伺服電機(jī)所控制的輸入構(gòu)件保持固定不動(dòng)的情況下，該機(jī)構(gòu)作為一個(gè)單自由度變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)就可產(chǎn)生一個(gè)反向的速度波動(dòng)，以最大限度的抵消原來的速度波動(dòng)，只在參數(shù)或工況變化時(shí)，伺服電機(jī)才動(dòng)作，提供補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)第二輸入進(jìn)行微調(diào)。
按照設(shè)計(jì)要求，首先選擇二自由度機(jī)構(gòu)。
對(duì)于二自由度的裝置：
簡(jiǎn)單（5,5）運(yùn)動(dòng)鏈有l(wèi)個(gè)；((5,5）表示5桿5副，下同）

簡(jiǎn)單（7,8）運(yùn)動(dòng)鏈有3個(gè)；
簡(jiǎn)單（9,11）運(yùn)動(dòng)鏈有40個(gè)……
對(duì)于（5,5）來說，只有一種連接方式，作為一種混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已有人做過研究，在本論文中，不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此不可取；而（9,11）及以上又有40個(gè)（或更多）運(yùn)動(dòng)鏈之多，且構(gòu)件多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研究起來非常困難，暫不考慮；先考慮（7,8）七桿八副機(jī)構(gòu)，其構(gòu)建數(shù)量不是太多，結(jié)構(gòu)不是太復(fù)雜，共有3個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈（如圖2-5),特定化后又有11種（排除同構(gòu)的機(jī)構(gòu)）特定化導(dǎo)出機(jī)構(gòu)，可以從中選擇可能適合的方案，因此以下將對(duì)（7，8）來詳細(xì)分析研究。

由（1）圖，取不同的構(gòu)件為機(jī)架，經(jīng)過特定化后，可轉(zhuǎn)化為三種導(dǎo)出機(jī)構(gòu)，如圖2-6。

由（2）圖，取不同的構(gòu)件為機(jī)架，經(jīng)過特定化后，可轉(zhuǎn)化為四種導(dǎo)出機(jī)構(gòu)，如圖2-7。

由（3）圖，取不同的構(gòu)件為機(jī)架，經(jīng)過特定化后，也可轉(zhuǎn)化為四種導(dǎo)出機(jī)構(gòu)，如圖2-8。

經(jīng)過對(duì)以上11種機(jī)構(gòu)的分析比較，并參考一些實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，認(rèn)為可以有以下三種備選方案。

方案一：將（3）-（a）一般化鏈的所有連桿標(biāo)號(hào)，再分配其中三副桿1作為機(jī)架，哪圖2-9（a）所示，這樣特定化后，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為（b）圖所示的裝置，連桿5改為滑塊，桿2作為第一輸入，第二輸入可以設(shè)定是滑塊5在桿4上的移動(dòng)，可由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，桿7作為輸出桿，可以滿足設(shè)計(jì)的初步要求。

經(jīng)查閱資料，發(fā)現(xiàn)類似于該機(jī)構(gòu)，L.C.Dulger等人已經(jīng)做過一些研究，而且也以沖壓機(jī)械為應(yīng)用對(duì)象，在他們的一篇文章里有比較詳細(xì)的介紹，模型結(jié)構(gòu)如圖2-10，但因?yàn)閼?yīng)用情況不同，本文不宜采用這種機(jī)構(gòu)。

方案二：同樣，將圖（1）-（b）的一般化運(yùn)動(dòng)鏈，如圖2-11所示，特定化后，轉(zhuǎn)化為右邊（b）圖的平行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，桿1為輸入桿，三副桿設(shè)計(jì)為一螺旋桿，和固定于地面的螺旋滑塊連接，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣桿3的長(zhǎng)度可調(diào)，從而作為輸出的桿6輸出速度可調(diào)。

這種平行桿機(jī)構(gòu)理論上正確，但是實(shí)際上運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生奇異，不能實(shí)際采用，因此轉(zhuǎn)化為如圖2-12所示的這種中心對(duì)稱的連桿機(jī)構(gòu)。并在adams軟件下建立了模型如圖2-13，經(jīng)分析認(rèn)為該機(jī)構(gòu)完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)特征，更適合于一般情況下的速度等速傳遞，不適合在沖壓工況下應(yīng)用，所以這種結(jié)構(gòu)也決定不采用。

方案三：在眾多已有機(jī)構(gòu)類型篩選當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)式脈動(dòng)無級(jí)變速器中的一種：三相并列連桿式（GUSA）脈動(dòng)無級(jí)變速器采用的機(jī)構(gòu)可以供鑒。這咱變速器設(shè)計(jì)原理為：采用三相并列結(jié)構(gòu)，作為輸入機(jī)構(gòu)的是相位差為120度的三曲拐曲軸，每個(gè)曲拐帶動(dòng)一套Ⅲ級(jí)七桿機(jī)構(gòu)，如圖所示是（7,8）圖譜中（1）的一種同構(gòu)機(jī)構(gòu)，圖2-14顯示了它的轉(zhuǎn)化和各桿件的標(biāo)號(hào)，可以與圖2-15結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖——對(duì)應(yīng)。

圖2-15顯示是其中一套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該機(jī)構(gòu)有兩自由度，動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄l，作為“輸入1”,“輸入2”是一螺旋機(jī)構(gòu)，將輸入的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為桿7的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，改變滑塊3在水平方向的位置，從而改變機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)比例，使得桿5的輸出速度發(fā)生變化，達(dá)到變速的目的。桿5是擺動(dòng)桿，且輸出速度并不平穩(wěn)，所以變速器是由三套連桿機(jī)構(gòu)以相位差120度三相組成，桿5又兼做超越離合器的外環(huán)，經(jīng)超越離合器濾波后產(chǎn)生一較平穩(wěn)單向脈動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出，輸出軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速等于三相七桿機(jī)構(gòu)中與輸出軸的相對(duì)轉(zhuǎn)才最大的搖桿擺動(dòng)角速度，如圖2-16所示。

受此啟發(fā)，并基于可調(diào)整機(jī)構(gòu)的原理，經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如圖2-17所示，認(rèn)為圖2-18所示的連桿機(jī)構(gòu)可以滿足設(shè)計(jì)需求。
“輸入1”不變，“輸入2”改為伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，并修改結(jié)構(gòu)將桿1和桿5均設(shè)計(jì)為曲柄，將滑塊6調(diào)整到桿5上，保證雙曲柄存在，這樣單相即可，也不需離合器；又因柔性速度補(bǔ)償裝置僅作速度補(bǔ)償，不承擔(dān)減速的任務(wù)，故采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這樣桿5的輸出速度和桿1的輸入速度相差不大，保證速度基本是等速傳遞的。工作時(shí)，根據(jù)分析設(shè)定滑塊3的初始位置，使桿5輸出一個(gè)反向的速度波，可選擇性地抵消原機(jī)械產(chǎn)生的速度波。若機(jī)械參數(shù)或運(yùn)行工況發(fā)生變化，則控制伺服馬達(dá)調(diào)整輸入2，滑塊3左右移動(dòng)，進(jìn)行微調(diào)。從而，通過兩臺(tái)電機(jī)的耦合作用及與機(jī)構(gòu)的恰當(dāng)配合產(chǎn)生一理想的速度波動(dòng)，與原速度波相互抵消，使輸出速度保持在許用的波動(dòng)幅度范圍內(nèi)。