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《天津大学》 2003年 博士论文
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基于稳健设计的含间隙弹性连杆机构分析与综合

孟宪举  
【摘要】: 连杆机构由于本身固有的结构原因,其输出运动总是存在一定的误差,称为结构误差。另外,由于加工误差、装配误差、运动副间隙、弹性变形、输入误差的存在也会使机构的输出产生误差,称为机械误差。导致机械误差的因素往往具有随机性,因此,机构的输出误差也是随机量。 但是,在传统的机构分析与设计中,认为机构输入、机构结构参数不存在误差或取其误差为确定值,这样的分析与设计称为确定性分析与设计。将机构的输入误差和结构参数误差作为随机量研究机构的分析与设计问题称为稳健性分析与设计。 目前,对机构稳健性分析与设计的研究尚不深入,主要工作集中在机构运动学参数概率误差分析方面,对机构动力学参数概率误差进行研究的文献作者还尚未见到。 在机构运动学参数概率误差研究中,目前的文献仅限于考虑构件结构参数误差和运动副间隙造成的运动输出参数的概率误差分析。对于运动副间隙的处理,研究中总是假设运动副中销轴位置在间隙空间内均匀分布,将间隙问题作为运动学问题处理,但是,间隙对机构动力学特性的影响要远大于其对机构运动学特性的影响。目前,机构运动学参数概率误差研究中也未涉及到机构的弹性变形问题。 本文综合考虑连杆机构的输入误差、加工误差、运动副间隙、弹性变形,从机构动力学角度出发,系统研究连杆机构运动学与动力学参数的稳健性分析和设计问题。研究内容分主要为以下五个方面: 考虑构件加工误差,研究刚性连杆机构的运动学和动力学参数的概率误差分析问题。在这部分中,作者利用随机过程理论建立了矩阵形式的连杆机构运动学和动力学参数概率误差分析模型,该模型避开了传统误差分析中求解误差敏感系数时遇到的复杂的数学问题,成功解决了输出参数的误差相关性问题。 考虑构件加工误差和运动副间隙,研究含间隙刚性连杆机构的运动学和动力学输出参数的概率误差分析问题。间隙对机构的运动和动力性能都有影响,尤其是对机构的动力学性能影响很大,微小的间隙都会极大地改变机构的动态响应。本文抛弃了销轴位置在间隙空间内均匀分布的假设,以含间隙连杆机构动力学为基础,首次建立了考虑加工误差、运动副间隙的刚性连杆机构运动学与动力学输出参数的概率误差分析模型。 WP=6 考虑构件加工误差、运动副间隙和构件的弹性变形,研究弹性连杆机构的运动学和动力学输出参数的概率误差问题。在这部分研究中,作者首次建立了三种弹性连杆机构概率误差分析模型:精确分析模型、准静态分析模型、近似计算模型。这些模型为研究机构运动学和动力学参数的概率误差奠定了理论基础。 在机构运动学和动力学参数概率误差分析的基础上,本文系统研究了连杆机构稳健性综合问题。在这一部分研究中,作者建立了以输出精度为优化目标函数的稳健性优化模型和以加工成本为目标函数的稳健性优化模型,并对稳健性模型中的目标函数、约束函数进行了专门研究。利用输出精度模型可以对机构的结构参数进行稳健性优化设计,提高机构输出的可靠性;利用加工成本模型可以对机构的结构参数误差进行优化分配,降低机构的总体加工成本。 最后,本文以一个实现轨迹的平面四杆机构为例,用输出精度模型对其结构参数进行了稳健性优化设计,并与确定性优化设计结果进行了对比,对比结果表明:稳健性优化设计能降低机构原始误差对输出误差的影响,提高机构输出的可靠性;用加工成本模型对结构参数误差进行了优化分配,降低了机构的总体加工成本。


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