曲柄群驱动机构及其单元化动平衡研究

本项研究以曲柄群驱动机构为研究对象：（1）提出该机构的基本概念。破解超静定问题，研究该机构运动条件等基本理论。定量分析回转副误差、间隙和连杆桁架弹性变形之间的相互作用合影响；对连杆桁架的应力和变形作有限元分析和光测弹性实验。（2）研究该机构冗余曲柄的虚约束处理方法。结合实验研究，递进建立含间隙弹性机构动力学模型，进行动力学分析。（3）搭建传动和动态测试实验台，研究系统的单元化动平衡理论和技术方法，进行动平衡实验研究。（4）提出基于精度控制的该机构稳健设计方法，归纳改善构件质量分布的结构优化设计方法和结果；研究该机构构件的机械传动通用化部件动平衡结构。本项研究将完成该机构基本理论的系统研究，包含机构概念；运动可行性分析；超静定冗余处理；间隙、误差控制和弹性变形影响分析下的机构分析与机构综合。提出单元化动平衡机理与技术方法。研究开发以形成机械基础件为目的的系列化三维结构设计，并制造两套样机。

当需要在多个平行轴之间实现同步传动时，可以通过曲柄群驱动机构来实现。从经典机构学角度分析，该机构是一个超静定机构。但是在某种条件下，可以破解超静定问题，从而实现该机构的运动可行和运动确定性。虽然曲柄群驱动机构在某些机械中已经有了实际的应用，但是在机构的运动学、动力学及动平衡方面缺乏深入而全面的研究。.主要完成了如下研究内容：一、提出了曲柄群驱动机构的概念，并对其进行运动可行性、运动确定性和考虑加工误差的运动精度分析，分析了该机构的拓扑结构形式。二、得到了曲柄群驱动机构的单元化动平衡理论和方法及试验研究。三、对该机构的单元化机构设计进行了研究。.经过深入研究得到了以下重要的科研成果。一、得到了曲柄群机构作为运动确定平面连杆机构的条件，即在曲柄群驱动机构中，n-2个曲柄视为虚约束，其中n为曲柄个数；所有连杆视为一个连杆桁架。利用螺旋理论通过并联机构理论分析出分析曲柄群机构的自由度为1。利用影响系数法从理论上证明该机构中所有曲柄的运动规律是相同的，连架桁杆做平动，其角速度、角加速度为零，但是速度和加速度存在；且各个部分的运动规律只与曲柄的长度、曲柄与机架的夹角以及主动曲柄的角速度、角加速度有关，与其他参数无关。二、采用曲柄回转中心对称分布、适当提高曲柄转速的方式可以有效减少转动副间隙引起的冲击。三、将配重质量分布在曲柄长度反方向，且配重质量的质径积与曲柄质径积、连杆质量和曲柄长度满足本项目的结论时，即能在机构所在平面内实现惯性力平衡；在惯性力平衡的前提下，通过设置连杆质心坐标在特定位置的方法即可实现机构所在平面内实现惯性力矩平衡；在惯性力平衡的基础上推导了曲柄群机构的动平衡理论和方法。四、完成了曲柄群驱动机构的单元化结构设计，实现该机构的模块化生产和装配。.研究了曲柄初始角度误差、各个杆长误差，以及杆长相对误差等，对机构整体误差的影响；同时指出了如何控制这些误差源对机构误差的影响；指明了杆长误差、间隙等是该机构的主要误差源，并采用“含间隙机构有效杆长计算模型”对含间隙下该机构误差的计算做了初步研究。结论可以扩展为研究含冗余约束的平面连杆机构的运动误差的一般方法，因此具有一定的科学意义。同时曲柄群动平衡方面的研究表明，曲柄群机构的惯性力矩平衡与曲柄的个数及曲柄回转中心的相对坐标有之间关系，该结论对于推导具有一般形式的平面连杆机构的惯性力矩平衡同样具有科学上的借鉴意义。