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課題：自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的平行機(jī)設(shè)計(jì)
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摘要
文中從運(yùn)動(dòng)副分析入手，對一種運(yùn)動(dòng)解耦的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了構(gòu)型研究，該機(jī)構(gòu)由三個(gè)正交分布的支鏈組成，且機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副均為轉(zhuǎn)動(dòng)副，構(gòu)成了機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)x、y、z三個(gè)方向的平動(dòng)解耦；在機(jī)構(gòu)構(gòu)型研究的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推導(dǎo)出了該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解，分析了機(jī)構(gòu)輸入/輸出的速度和加速度等，驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦的特性。這對該機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析、控制策略、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和軌跡規(guī)劃等方面的研究，具有一定的理論意義。
關(guān)鍵詞： 三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；構(gòu)型；運(yùn)動(dòng)學(xué)；
第一章 引言
1．1 并聯(lián)機(jī)器人的出現(xiàn)及特點(diǎn)
并聯(lián)機(jī)器人是一類全新的機(jī)器人，它具有剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差小、精度高、自重負(fù)荷比小、動(dòng)力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點(diǎn)，與目前廣泛應(yīng)用的串聯(lián)式機(jī)器人在應(yīng)用上構(gòu)成互補(bǔ)關(guān)系，在新的歷史階段中，并聯(lián)機(jī)器人還將有更為廣泛的應(yīng)用。它可以作為航天上的對接器、航海上的潛艇救援對接器；工業(yè)上可以作為大件的裝配機(jī)器人、精密操作的微動(dòng)器；可以在汽車總裝線上自動(dòng)安裝車輪部件；另外，醫(yī)用機(jī)器人，天文望遠(yuǎn)鏡等都利用了并聯(lián)技術(shù)。
并聯(lián)機(jī)器人與已經(jīng)用的很好、很廣泛的串聯(lián)機(jī)器人相比往往使人感到它并不適合用作機(jī)器人，它沒有那么大的活動(dòng)空間，它活動(dòng)上平臺(tái)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如串聯(lián)機(jī)器人手部來得靈活。的確這種6-TPS結(jié)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)其工作空間只是一個(gè)厚度不大的蘑菇形空間，位于機(jī)構(gòu)的上方，而表示靈活度的末端件3維轉(zhuǎn)動(dòng)的活動(dòng)范圍一般只在60°上下，角度最大也達(dá)不到±90°?？墒呛褪澜缟先魏问挛镆粯佣际且环譃槎?，若用并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)比串聯(lián)式的缺點(diǎn)，也同樣令人吃驚。首先，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)其末端件上平臺(tái)同時(shí)經(jīng)由6根桿支承，與串聯(lián)的懸臂梁相比，剛度大多了，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；第二，由于剛度大，并聯(lián)式較串聯(lián)式在相同的自重或體積下有高得多的承載能力；第三，串聯(lián)式末端件上的誤差是各個(gè)關(guān)節(jié)誤差的積累和放大，因而誤差大而精度低，并聯(lián)式?jīng)]有那樣的積累和放大關(guān)系，誤差小而精度高；第四，串聯(lián)式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)大都放在運(yùn)動(dòng)著的大小臂上，增加了系統(tǒng)的慣性，惡化了動(dòng)力性能，而并聯(lián)式則很容易將電動(dòng)機(jī)置于機(jī)座上，減小了運(yùn)動(dòng)負(fù)荷；第五，在位置求解上，串聯(lián)機(jī)構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解困難反解卻非常容易。由于機(jī)器人的在線實(shí)時(shí)計(jì)算是要計(jì)算反解的，這就對串聯(lián)式十分不利，而并聯(lián)式卻容易實(shí)現(xiàn)。
由于串聯(lián)、并聯(lián)在結(jié)構(gòu)上和性能特點(diǎn)上的對偶關(guān)系，串聯(lián)、并聯(lián)之間在應(yīng)用上不是替代作用而是互補(bǔ)關(guān)系，且并聯(lián)機(jī)器人有它的特殊應(yīng)用領(lǐng)域。因此可以說并聯(lián)機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。
1．2 并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的定義
并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以嚴(yán)格定義為：上下平臺(tái)用2個(gè)或2個(gè)以上分支相連，機(jī)構(gòu)具有2個(gè)或2個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱為并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。但從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度出發(fā)，只要是多自由度的，驅(qū)動(dòng)器分配在不同的環(huán)路上的并聯(lián)多環(huán)機(jī)構(gòu)都可稱之為并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
1．3 3-RPS機(jī)構(gòu)
圖1-1所示的是一個(gè)3自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由3支RCS鏈連接一運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和一固定平臺(tái)組成的，因?yàn)槔@圓柱副軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)是一局部自由度，所以圓柱副也可以用移動(dòng)副來倒替，分支等效于RPS支鏈，該機(jī)構(gòu)的分支結(jié)構(gòu)是對稱的，因此，這機(jī)構(gòu)稱為3-RPS平臺(tái)機(jī)構(gòu)，以3個(gè)移動(dòng)副作為輸入。（S是指球面副，球面副允許兩構(gòu)之間具有3個(gè)獨(dú)立的，以球心為中心的相對轉(zhuǎn)動(dòng)，具有3個(gè)自由度；R是指轉(zhuǎn)動(dòng)副，允許兩構(gòu)件繞公共軸線作相對轉(zhuǎn)動(dòng)，描述了兩構(gòu)件之間的空間相對關(guān)系，具有一個(gè)自由度；P是指移動(dòng)副，允許兩構(gòu)件沿公共軸線作相對直線移動(dòng)，具有一個(gè)自由度）。
源于軍工需求，將3-RPS并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用到火箭發(fā)射裝置中可以改良傳統(tǒng)火箭炮的平衡，射角，精確度等方面的問題。它的多自由度和便捷的數(shù)字控制方式是多年來火箭發(fā)射裝置夢寐以求的。
由自由度的計(jì)算可知，該機(jī)構(gòu)能夠完成兩個(gè)方向的回轉(zhuǎn)和一個(gè)升降運(yùn)動(dòng)。這一系列運(yùn)動(dòng)都可以通過電機(jī)帶動(dòng)，經(jīng)過三條RPS空間運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)，從而促動(dòng)上平臺(tái)的各種運(yùn)動(dòng)姿勢。
回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：在這種3-RPS并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)中，下平臺(tái)上的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)。該絲桿為滑動(dòng)絲桿，滑塊的運(yùn)動(dòng)能帶動(dòng)其上的RSP鏈隨球面副擺動(dòng)，從而上平臺(tái)繞轉(zhuǎn)動(dòng)副作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即有X與Y兩方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
升降運(yùn)動(dòng)：三條RPS空間運(yùn)動(dòng)鏈的同時(shí)伸縮能促動(dòng)上平臺(tái)的升降運(yùn)動(dòng)。
圖1-1 3-RPS結(jié)構(gòu)
1．4 并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的分析
工作空間（Workplace）：設(shè)給定參考點(diǎn)C是動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器的端點(diǎn)，工作空間是該端點(diǎn)在空間可以達(dá)到的所有點(diǎn)的集合。
完全工作空間（Complete workplace）：動(dòng)平臺(tái)上執(zhí)行器端點(diǎn)可從任何方向（位姿）到達(dá)的點(diǎn)的集合。
定向工作空間（Constant workplace）：動(dòng)平臺(tái)在固定位姿時(shí)執(zhí)行器端點(diǎn)可以到達(dá)的點(diǎn)的集合。
最大工作空間（Maximal workplace）：動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器端點(diǎn)可到達(dá)的點(diǎn)的最大集合，并考慮其具體位姿。
完全工作空間和定向工作空間都是最大工作空間的子集.
另外，工作空間是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的重要特性，影響它的大小和形狀的因素主要有以下三個(gè)：
① 桿長的限制，桿件長度的變化是受到其結(jié)構(gòu)限制的，每一桿件的長度必須小于最大桿長，大于最小桿長。
② 轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角的限制，各種鉸鏈，包括球鉸接和萬向鉸接的轉(zhuǎn)角都受到結(jié)構(gòu)研制的，每一鉸鏈的轉(zhuǎn)角都應(yīng)小于最大轉(zhuǎn)角。
③ 桿件的尺寸干涉，連接動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)的桿件都具有幾何尺寸，因此各桿件之間在運(yùn)動(dòng)過程中可能發(fā)生相互干涉。設(shè)桿件是直徑為D的圓柱體，兩相鄰桿件軸線之間的距離為Di,則Di＞D。
1．5 設(shè)計(jì)簡介與設(shè)計(jì)要求
本設(shè)計(jì)是在3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的內(nèi)部設(shè)置一種平衡機(jī)，以使得上平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到任何位置時(shí)，電動(dòng)推桿上的推力基本相等，給電機(jī)的控制創(chuàng)造條件。該平衡機(jī)的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)能適應(yīng)機(jī)構(gòu)的工作空間。
本設(shè)計(jì)涉及到機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)、電力拖動(dòng)與控制等方面。通過設(shè)計(jì)工作的訓(xùn)練，可有效提高畢業(yè)生工程實(shí)踐能力。
3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍為：俯仰±20°，傾側(cè)±20°，升降300㎜，載荷1.4T。平衡機(jī)要求能抵消總載荷的70%。
1．6 主要的研究方法和內(nèi)容
首先研究電機(jī)的機(jī)械性能，對3-RPS并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)描述和受力分析；然后著重研究如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器的平衡問題，進(jìn)行專用平衡機(jī)總體設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上作詳細(xì)的計(jì)算與分析。
1． 了解并聯(lián)機(jī)構(gòu)，對已有的3-RPS并聯(lián)機(jī)器人的工作空間進(jìn)行分析；
2． 分析平衡力矩圖，探討平衡方案，選擇平衡機(jī)的安裝位置，進(jìn)行平衡能力計(jì)算；
3． 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算。
第二章 平衡機(jī)的概念與作用機(jī)理
在傳統(tǒng)的火箭發(fā)射裝置中，由于其所承載的重量十分沉重，所以在設(shè)計(jì)其方向機(jī)和回轉(zhuǎn)機(jī)的時(shí)候需要考慮平衡承載力矩。由此，平衡機(jī)被提出，用來平衡起落部分的重量對耳軸產(chǎn)生的重力矩。這在傳統(tǒng)的火箭發(fā)射裝置上比較易于實(shí)現(xiàn)，但在新提出的3-RPS并聯(lián)機(jī)器人中，為了避免上平臺(tái)越過其極限位置和RPS連桿在伸縮時(shí)承受到太大的重力矩。需要在上下平臺(tái)間設(shè)計(jì)一個(gè)平衡機(jī)，在上下平臺(tái)間提供一個(gè)推力或拉力，從而提供對RPS連桿的平衡力矩，用以平衡伸縮時(shí)對連桿的重力矩，這就需要重新考慮其平衡機(jī)的設(shè)計(jì)了。
平衡機(jī)的作用就是對起落部分提供一個(gè)力（推力或拉力），此力對鉸接點(diǎn)之矩稱為平衡力矩，它與俯仰部分的重力矩大小相近，方向相反， 以此來減小驅(qū)動(dòng)RPS連桿的電機(jī)產(chǎn)生的力，同時(shí)消除撞擊現(xiàn)象。
2.1 對平衡機(jī)的要求
對平衡機(jī)的主要要求是平衡性要好。由于重力矩是隨俯仰角的大小而變化的，所以平衡機(jī)提供的平衡力矩也應(yīng)作相應(yīng)的變化。這樣才能使平衡機(jī)的平衡性能好，保證仰角時(shí)輕便，俯角時(shí)平穩(wěn)。此外，對平衡機(jī)的要求還有結(jié)構(gòu)要簡單，重量要輕，工作可靠，拆裝方便，制造容易等。
2.2 平衡機(jī)的分類
平衡機(jī)按平衡力的方向來分，可以分為推式和拉式兩種。對于推式平衡機(jī)，平衡機(jī)對俯仰部分的推力作用在鉸接點(diǎn)的前方。對于拉式平衡機(jī)，當(dāng)其拉力作用在鉸接點(diǎn)前方時(shí)稱為上拉式，當(dāng)其拉力作用在鉸接點(diǎn)后方時(shí)稱為下拉式。推式平衡機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，布置容易，但配置位置較暴露，易受損傷，一般用在最大仰角小于60°的裝置上。下拉式平衡機(jī)配置較隱蔽，結(jié)構(gòu)緊湊，但不易布置，一般用于仰角大于60°的裝置上。
平衡機(jī)按彈性元件種類分，有彈簧式和氣壓式。彈簧式平衡機(jī)又分為圓柱螺旋彈簧式和扭力式。螺旋彈簧按其截面不同又有圓截面和矩形截面兩種。扭力式又扭筒-扭桿式和疊板扭桿式之分。氣壓式平衡機(jī)是利用氣體來作為彈性元件的，平衡機(jī)內(nèi)充有數(shù)十個(gè)氣壓的空氣或氮?dú)?，用液體密封，其液量須保證在任何俯仰角時(shí)液體都能蓋住緊塞具。有的為了防止液體流入內(nèi)筒，在內(nèi)筒上部焊有細(xì)管，這樣可以充分利用內(nèi)筒空間，減小平衡機(jī)體積。平衡機(jī)外筒上的注氣器，不應(yīng)被其它機(jī)構(gòu)遮蔽，并應(yīng)保證在任何狀態(tài)時(shí)注氣孔均在液面之下。氣壓式平衡機(jī)與彈簧式平衡機(jī)相比，結(jié)構(gòu)可以做得非常緊湊，體積小，重量輕，氣壓的調(diào)整也很簡單。為了防止氣體的泄漏，通常是利用液體來密封，而液體又靠緊塞裝置來密封。所以緊塞裝置的摩擦力的大小對平衡機(jī)影響較大，而且氣壓式平衡機(jī)對加工精度要求較高。
2.3 一種特別的平衡機(jī)
考慮到平衡機(jī)是安裝到并聯(lián)機(jī)器人上，所以合理的選擇其最佳位置是極其重要的。對其性能而言，平衡機(jī)起到的輔助作用十分大，但若安裝不當(dāng)，就不會(huì)產(chǎn)生理想的效果，相反，還會(huì)引起不必要的許多問題。有一種新型的3-RPS并聯(lián)機(jī)器人，它所采用的平衡裝置別具一格，安裝位置非常獨(dú)特（如圖1-2）。
圖1-2 3-RPS機(jī)構(gòu)及其平衡機(jī)
它采用交叉式立體平衡機(jī)，對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能帶來了很大的改善。其中，它加強(qiáng)了機(jī)構(gòu)的升降、俯仰這兩方向上自由度的運(yùn)動(dòng)，能準(zhǔn)確、快捷地提供機(jī)構(gòu)所需的平衡力矩，但是在傾側(cè)的時(shí)候，它不能和其他兩方向上一樣提供合適的平衡力矩。本課題將繼續(xù)研究該種平衡機(jī)的具體設(shè)計(jì)方案。
第三章 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)
機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)里，電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械連成一體，為了使系統(tǒng)運(yùn)行合理，就要使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性盡量相配合。特性配合好的一個(gè)起碼要求就是系統(tǒng)要能穩(wěn)定運(yùn)行。
機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行包含兩重含義:一是系統(tǒng)應(yīng)能以一定速度勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，二是系統(tǒng)受某種外部干擾(如電壓波動(dòng)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等)而使運(yùn)行速度稍有變化時(shí)，應(yīng)保證在干擾消除后系統(tǒng)能恢復(fù)到原來的運(yùn)行速度。
由分析可知，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要充分條件是：
⑴電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性曲線n=f(TM)和n= f(TL)有交點(diǎn)（即拖動(dòng)系統(tǒng)的平衡點(diǎn)）；
⑵當(dāng)轉(zhuǎn)速大于平衡點(diǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，TM﹤TL，即若干擾使轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)干擾消除后應(yīng)有TM －TL﹤0；而當(dāng)轉(zhuǎn)速小于平衡點(diǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，TM ﹥TL，即若干擾使轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)干擾消除后應(yīng)有TM －TL﹥0。
在機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中選擇一臺(tái)合適的電動(dòng)機(jī)是極為重要的，電動(dòng)機(jī)的選擇主要是容量的選擇。選擇電動(dòng)機(jī)容量應(yīng)根據(jù)以下三項(xiàng)基本原則進(jìn)行。
⑴發(fā)熱：電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，必須保證電動(dòng)機(jī)的實(shí)際最高工作溫度θmax等于或略小于電動(dòng)機(jī)絕緣的允許最高工作溫度θa，即θmax≤θa。
⑵過載能力：電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，必須具L有一定的過載能力，特別是在短期工作時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的熱慣性很大，電動(dòng)機(jī)在短期內(nèi)承受高于額定功率若干倍的負(fù)載功率時(shí)仍可保證θmax≤θa，故此時(shí)，決定電動(dòng)機(jī)容量的主要因素不是發(fā)熱而是電動(dòng)機(jī)的過載能力。即所選電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax（對于異步電動(dòng)機(jī)）或最大允許電流Imax（對于直流電動(dòng)機(jī)）必須大于運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLmax和最大負(fù)載電流ILmax。
⑶啟動(dòng)能力：由于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般較小，所以，為使電動(dòng)機(jī)能可靠啟動(dòng)，必須保證TL﹤λstTN，式中λst=Tst/TN。
[4]制動(dòng)能力
電機(jī)的三大機(jī)械特性
電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類，但凡是在速度調(diào)節(jié)要求較高、正反轉(zhuǎn)和啟制動(dòng)頻繁或多單元同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械上，仍廣泛采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。
電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)就是施電于電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來，達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速后正常運(yùn)轉(zhuǎn)。限制直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，一般有兩種方法：一是降壓啟動(dòng)，即在啟動(dòng)瞬間，降低供電電源電壓，隨著轉(zhuǎn)速n的升高，反電勢E增大，再逐步提高供電電壓，最后達(dá)到額定電壓UN時(shí)，電動(dòng)機(jī)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速；二是在電樞回路內(nèi)串接外加電阻啟動(dòng)，此時(shí)啟動(dòng)電流Ist=UN/（Ra+Rst）將受到外加啟動(dòng)電阻Rst的限制，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的升高，反電勢E增大，再逐步切除外加電阻一直到全部切除，電動(dòng)機(jī)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速。
生產(chǎn)機(jī)械對電動(dòng)機(jī)的要求是有差異的，例如，市內(nèi)無軌電車的直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)要求平穩(wěn)慢速啟動(dòng)，若啟動(dòng)過快會(huì)使乘客感到不舒服，而一般生產(chǎn)機(jī)械則要求有足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以縮短啟動(dòng)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。從技術(shù)上說，一般希望平均啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大些，以縮短啟動(dòng)時(shí)間，這樣啟動(dòng)電阻的段數(shù)就應(yīng)多些；而從經(jīng)濟(jì)上來看，則要求啟動(dòng)設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)和可靠，這樣啟動(dòng)電阻的段數(shù)就應(yīng)少些。
電動(dòng)機(jī)的調(diào)速就是在一定的負(fù)載條件下，人為地改變電動(dòng)機(jī)的電路參數(shù)，以改變電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是生產(chǎn)機(jī)械所要求的。例如，金屬切削機(jī)床，根據(jù)工件尺寸、材料性質(zhì)、切削用量、刀具特性、加工精度等不同，需要選用不同的切削速度，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率；電梯類或其他要求穩(wěn)速運(yùn)行或準(zhǔn)確停止的生產(chǎn)機(jī)械，要求在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)速度要慢或停車前降低運(yùn)轉(zhuǎn)速度以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停止。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速可以采用機(jī)械的、液壓的或電氣的方法。
電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)是與啟動(dòng)相對應(yīng)的一種工作狀態(tài)，啟動(dòng)是從靜止加速到某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，而制動(dòng)則是從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停止或是限制位能負(fù)載下降速度的一種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。就能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)而言，電動(dòng)機(jī)有兩種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，即電動(dòng)狀態(tài)和制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)狀態(tài)是電動(dòng)機(jī)最基本的工作狀態(tài)，其特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)所發(fā)出的轉(zhuǎn)矩T的方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同；但電動(dòng)機(jī)也可工作在其發(fā)出的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反的狀態(tài)，這就是電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)狀態(tài)。從上述分析可知，電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)狀態(tài)有兩種形式：一是在卷揚(yáng)機(jī)下放重物時(shí)為限制位能負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，以保證重物的勻速下降，這屬于穩(wěn)定的制動(dòng)狀態(tài)。二是降速或停車制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是變化的，則屬于過渡的制動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)的外部條件和能量傳遞情況，它的制動(dòng)狀態(tài)分為反饋制動(dòng)、反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)三種形式。
第四章兩種推桿的介紹
4.1 電液推桿
電液推桿是一種集機(jī)、電、液為一體的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。它適用于需要往復(fù)推、拉直線（或往復(fù)旋轉(zhuǎn)一定角度）運(yùn)動(dòng)也可用于需上升、下降或夾緊工作物的場所，并可進(jìn)行遠(yuǎn)距離高空及危險(xiǎn)區(qū)的集中或程序控制。已廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、煤炭、電力、機(jī)械、糧食、水泥、化工、水利、運(yùn)輸、起重運(yùn)輸及港口機(jī)械中的閥門、閘門、換向、傾斜、擺動(dòng)等的驅(qū)動(dòng)和控制，是通用的動(dòng)力源。
電液推桿是以液壓缸為主體，電動(dòng)機(jī)、油箱、油泵、濾油器、液壓控制閥組合的總成。電動(dòng)機(jī)、油泵、液壓控制閥和液壓缸可裝在同一軸線上，也可按需要裝置在不同軸上，中間有油箱和安裝支座，只需接通電動(dòng)機(jī)的控制電源，即可使活塞桿位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊麠U的伸縮由電動(dòng)機(jī)的正反向旋轉(zhuǎn)控制。
液壓控制閥組合是：溢流閥、伺服閥、液控單向閥等組成；電液推桿可以根據(jù)不同的工況要求設(shè)計(jì)不同油路形式的組合閥滿足其工作要求。
電液推桿分為單推、單拉和推拉三種形式，調(diào)速形式有推拉調(diào)速型，推調(diào)速型，拉調(diào)速型，推拉均不調(diào)速型。鎖定形式有推拉鎖定型、推鎖定型、拉鎖定型，推拉均不鎖定型。
電液推桿具有如下優(yōu)點(diǎn)：
結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，占據(jù)空間小，維護(hù)簡單；回路中設(shè)有雙向液壓鎖，可停在規(guī)定行程范圍內(nèi)的任意位置并自鎖，且保持輸出力不變；可帶負(fù)荷起動(dòng)，具有過載保護(hù)裝置；拉力、速度無級可調(diào)，驅(qū)動(dòng)力范圍極廣；因故斷電，推桿自鎖．避免發(fā)生事故。
但電液推桿工作過程中常有較多的能量損失（摩擦損失、泄露損失等），長距離傳動(dòng)時(shí)更是如此；它對油溫變化比較敏感，它的工作穩(wěn)定性很容易受到溫度影響，因此不宜在很高或很低的溫度條件工作；它造價(jià)昂貴，而且對工作介質(zhì)的污染比較敏感；同時(shí)他出現(xiàn)故障時(shí)也不易找出。這些都對電液推桿的傳動(dòng)質(zhì)量和使用范圍造成一定影響。不符合本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。使用電動(dòng)推桿可以較好得解決以上問題。
4.2 電動(dòng)推桿
電動(dòng)推桿是一種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，其安裝不受地形、氣候、距離限制，并以其結(jié)構(gòu)緊湊、使用可靠、節(jié)約能源、安裝方便、維修簡單等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛用于電力、機(jī)械、化工、冶金、礦山、輕工、交通、船舶等部門?？赏瓿筛鞣N物體的升降、推拉、平移、旋轉(zhuǎn)、鎖定、門閥的開關(guān)等作業(yè)。同時(shí)，電動(dòng)推桿可通過微機(jī)控制，便捷實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。現(xiàn)已被越來越多的部門用它來代替機(jī)構(gòu)手、液墳閥、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)裝置中。
電動(dòng)推桿由電動(dòng)機(jī)、減速齒輪、絲桿、銅螺母、導(dǎo)向管、活塞桿、軸承座、彈簧、缸筒座、聯(lián)結(jié)叉及限位開關(guān)（選用）等部件所組成。
推桿以電機(jī)為動(dòng)力源，通過一對（或兩對）齒輪傳動(dòng)變速，帶動(dòng)一對絲桿螺母傳動(dòng)副組合，把電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，利用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推拉動(dòng)作。推力和拉力相等。如通過各種杠桿，搖桿或連桿等機(jī)構(gòu)可完成轉(zhuǎn)動(dòng)、搖動(dòng)等復(fù)雜動(dòng)作。通過改變杠桿力臂長度可以增長行程。
電動(dòng)推桿內(nèi)過載自動(dòng)保護(hù)裝置，當(dāng)推桿行程到極限位置或負(fù)載超過額定推力一定數(shù)值時(shí)，推桿將自動(dòng)切斷電源，起保護(hù)作用，使電動(dòng)機(jī)及其它構(gòu)件不致?lián)p壞，但不得以此作為正常運(yùn)行時(shí)的限位開關(guān)使用。因此要在推桿上另行配置外行程限位開關(guān)裝置，以控制推桿正常起停。
電動(dòng)推桿按電機(jī)安裝形式分I型、II 型兩種基本形式，同一種形式又分若干個(gè)電機(jī)機(jī)座號。在此基礎(chǔ)上增加了III型、IV 型和防爆型，III 型、IV 型的主要技術(shù)參數(shù)及外形安裝尺寸與II 型相同。在III 型的居套外加裝了行程調(diào)節(jié)裝置，使推桿行程從0至最大行程范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，IV 型的中間傳動(dòng)端加裝手輪，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場操作。
電動(dòng)推桿的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又可分為滑動(dòng)絲桿副螺旋傳動(dòng)和滾珠絲桿副螺旋傳動(dòng)兩種。
采用滾動(dòng)絲桿副螺旋機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，它的摩擦系數(shù)小,摩擦損失減少,傳動(dòng)效率高,低速時(shí)不產(chǎn)生爬行現(xiàn)象;同時(shí)滾珠絲桿副不存在軸向間隙,這樣就提高了它的傳動(dòng)質(zhì)量和精度, 滾珠絲桿副螺旋傳動(dòng)還具有壽命長、精度高、軸向剛度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較難；運(yùn)動(dòng)具有可逆性，需要設(shè)置防止逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
采用滑動(dòng)絲桿副螺旋進(jìn)行傳動(dòng)與滾珠絲桿副螺旋傳動(dòng)相比它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、減速傳動(dòng)比大、具有自鎖性、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。在本電動(dòng)推桿設(shè)計(jì)中，由于對絲桿自鎖性要求較高，傳動(dòng)速度適中，且要求結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易。所以選擇滑動(dòng)絲桿副進(jìn)行傳動(dòng)比較合適。
第5章 彈簧
5.1 彈簧的基本作用和功能
彈簧的基本作用就是利用材料的彈性和彈簧本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在產(chǎn)生及恢復(fù)變形時(shí)，可以把機(jī)械功或動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫兡?；或者把形變能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能或機(jī)械功，即彈簧內(nèi)部儲(chǔ)存能量的大小是變形（位移）的函數(shù)。從某種意義上來講，每一個(gè)機(jī)械零件都可看作是一個(gè)彈簧，因?yàn)?，所有材料都有一定的彈性。在適當(dāng)外力的作用下，通常它都可以產(chǎn)生一定程度的彈性變形甚至扭曲，這就是彈性體的共同特點(diǎn)。
彈簧又許多寶貴的功能，用它可以達(dá)到下列目的：1．外力去除后能自動(dòng)恢復(fù)到原來位置。例如，凸輪從動(dòng)裝置、閥門頂桿、壓縮機(jī)氣閥以及一些執(zhí)行元件中使用的彈簧；2．儲(chǔ)存和釋放能量，對一些機(jī)構(gòu)提供動(dòng)能。這是最早使用的彈簧、且目前仍在廣泛使用彈簧的一種方法。例如，各種鐘表、電影攝像機(jī)及各種玩具等使用的彈簧；3．測量力或物種。例如，彈簧秤、測力計(jì)及各種校準(zhǔn)裝置中使用的彈簧；4．吸收沖擊或振動(dòng)。例如，汽車、火車及各種振動(dòng)裝置中使用的緩沖或減震彈簧；5．功率轉(zhuǎn)換。例如，彈簧帶、離合器及法蘭盤內(nèi)使用的彈簧；6．提供或保證常壓。例如，制動(dòng)閘及摩擦離合器中的彈簧等。
5.2 彈簧的分類
彈簧的種類很多，可按彈簧形狀、承載特點(diǎn)、制造方法及所用材料等方面進(jìn)行分類。如按形狀分：則有螺旋彈簧、板（片）簧、桿簧、蝶形彈簧、環(huán)形彈簧、平面蝸卷彈簧、截錐蝸卷螺旋彈簧以及其它特殊形狀的彈簧；如按承載特點(diǎn)分：則有壓縮彈簧、拉伸彈簧及扭轉(zhuǎn)彈簧等；在壓縮螺旋彈簧中，又可分為圓柱狀和變徑兩大類，前者有圓形截面、矩形截面及多股壓縮彈簧；后者有圓錐形、腰鼓形（中凹型、中凸型及組合型等）及蝸卷型；由于螺距不同，它又可分為等螺距和變螺距兩類壓縮螺旋彈簧；如按成型方法分：則有冷成型彈簧和熱成型彈簧兩大類；如按材質(zhì)分：則有碳素鋼彈簧、合金鋼彈簧、不銹鋼彈簧，磷青銅彈簧、鈹青銅彈簧以及各種特殊合金彈簧等。在非金屬材料方面：則有塑料彈簧、橡膠彈簧及陶瓷彈簧。此外，還有液體彈簧及空氣彈簧等。
壓縮彈簧:
A、YI型：兩端面圈并緊磨平
B、YⅢ型：兩端面圈并緊不磨平。
磨平部分不少于圓周長的3/4，端頭厚度一般不少于d/8。
(a)YⅠ型 (b)YⅡ型
彈簧指數(shù)C：彈簧中徑D2和簧絲直徑d的比值即：C=D2/d。彈簧絲直徑 d 相同時(shí)，C 值小則彈簧中徑D2也小，其剛度較大。反之則剛度較小。通常C值在4～16范圍內(nèi)，可按表12-2選取。
表12-2 圓柱螺旋彈簧常用彈簧指數(shù)C
彈簧直徑d/mm
0.2～0.4
0.5～1
1.1～2.2
2.5～6
7～16
18～42
C
7～14
5～12
5～10
4～10
4～8
4～6
在外力作用下，不論哪一種類型的彈簧，在其材料中所產(chǎn)生的應(yīng)力往往是彎曲應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。根據(jù)材料中產(chǎn)生的主要應(yīng)力類型來分，則彈簧的類型可歸納如表1-1所示。
表1-1
應(yīng)力類型
彈簧類型
彎曲應(yīng)力
多板彈簧、薄板彈簧、扭轉(zhuǎn)螺旋彈簧、蝸卷彈簧（包括發(fā)條彈簧）、蝶形彈簧
扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
壓縮螺旋彈簧、拉伸螺旋彈簧、扭桿、截距蝸卷螺旋彈簧（即筍形彈簧）
拉壓應(yīng)力
環(huán)形彈簧
復(fù)合應(yīng)力
箍簧、Z字型（鋸齒形）彈簧
5.3 彈簧的材料選用
彈簧材料的選用，應(yīng)根據(jù)彈簧所受載荷性質(zhì)、使用要求、工作條件、尺寸規(guī)格、工作應(yīng)力大小和使用壽命高低以及價(jià)格等因素進(jìn)行選擇。在確定彈簧材料截面尺寸和形狀的時(shí)候，應(yīng)優(yōu)先選用國家標(biāo)準(zhǔn)或部頒標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸規(guī)格，盡量避免選用非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的材料。
冷拉（軋）材料不但強(qiáng)度高，表面質(zhì)量比較好，而且制造工藝簡單。因此，對中、小型彈簧，或疲勞壽命要求高的彈簧，應(yīng)盡量選用冷拉（軋）或冷拉（軋）后磨光的彈簧鋼絲或鋼帶。鉛淬冷拉碳素彈簧鋼絲表面質(zhì)量好，強(qiáng)度高，并具有較好的塑性。缺點(diǎn)是在成材過程中，由于冷拉加工所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較大，經(jīng)低溫回火后尺寸變化較大，因而影響彈簧的尺寸精度。油淬火回火鋼絲沒有殘余應(yīng)力，冷成形彈簧尺寸精度容易控制，低溫回火后尺寸變化很小，特別是因?yàn)闆]有殘余應(yīng)力，抗松弛性能比鉛淬冷拉鋼絲好。因此，對于彎曲半徑較小的拉、扭螺旋彈簧以及鋼絲直徑較小的壓縮彈簧，應(yīng)優(yōu)先選用鉛淬冷拉碳素彈簧鋼絲，而對冷成形尺寸要求較高的彈簧和鋼絲直徑較粗并要求抗松弛性能好的彈簧，則應(yīng)選用油淬火回火鋼絲。
正方形或矩形截面材料的螺旋彈簧，彈性變形能比較高，可使彈簧體積小型化，使用于空間位置小或受沖擊載荷作用的彈簧，但正方形或矩形材料來源短缺、價(jià)格比較高，且彈簧成形比較困難，所以一般較少采用。
在正常條件下使用的彈簧材料主要是彈簧鋼，選材時(shí)主要是根據(jù)彈簧的載荷性質(zhì)、應(yīng)力大小、壽命高低等條件確定。在低應(yīng)力下使用的彈簧，一般選用碳素彈簧鋼；而在中等應(yīng)力下工作的彈簧，一般選用硅錳彈簧鋼；在高應(yīng)力下或有沖擊載荷條件下使用的彈簧，一般選用硅鉻和硅鎢彈簧鋼；要求疲勞壽命較高的彈簧，一般選用鉻釩、鉻錳、硅錳鉬釩鈮等并表面質(zhì)量好的鋼材。
選擇材料時(shí)，還應(yīng)注意材料的淬透性，完全淬透的彈簧比沒有淬透的彈簧的疲勞強(qiáng)度、儒變極限和沖擊韌性要好得多。選材時(shí)應(yīng)在滿足彈簧性能的條件下，盡可能選用價(jià)格低、來源方便的材料，以減低成本。
5.4 在設(shè)計(jì)彈簧時(shí)，應(yīng)該考慮的基本工作性能
在設(shè)計(jì)彈簧時(shí)，應(yīng)該考慮的基本工作性能有以下幾個(gè)方面：1）彈簧的特性線，即載荷和變形的關(guān)系；2）彈簧的變形能；3）彈簧的自振頻率；4）彈簧受迫振動(dòng)時(shí)的振幅。
設(shè)計(jì)和使用彈簧時(shí)，不僅要根據(jù)要求選擇彈簧的類型和材料，而且要求出彈簧的具體尺寸，使它與所占空間的大小及許用應(yīng)力的高低相適應(yīng)。為了解決這些問題，經(jīng)常要應(yīng)用下列三個(gè)關(guān)系：1．彈簧的變形（位移）是載荷的函數(shù)，反之亦然；2．材料中的最大應(yīng)力是載荷或變形的函數(shù)；3．形變能（應(yīng)變能）是載荷和變形的函數(shù)。
彈簧的特性線對于其設(shè)計(jì)和選擇具有重要作用。直線型特性的彈簧，剛度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，故應(yīng)用最廣泛。具有漸增型特性的彈簧，當(dāng)載荷達(dá)到一定值后，剛度急劇增大，從而起到保護(hù)彈簧的作用。多板彈簧，環(huán)形及蝶形彈簧等，由于摩擦損失，加載與卸載的特性線不重合，因而具有特別好的減震或緩沖功能。
對彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注意以下一些事項(xiàng)：
1． 彈簧材料的選擇：要根據(jù)彈簧的工作條件、負(fù)荷種類等來選擇彈簧的材料。
2． 許用應(yīng)力〔ｔ〕值的確定：主要是根據(jù)各種材料來確定，見表。
3． 彈簧鋼絲材料的需用切應(yīng)力〔ｔ〕，不能從表中直接查出，需要用其材料本身的抗拉極限強(qiáng)度δｂ值換算。
4． 工作極限切應(yīng)力ｔｊ的選取如下：Ⅰ類負(fù)荷彈簧ｔｊ≤1﹒67〔ｔ〕；Ⅱ類負(fù)荷彈簧ｔｊ≤1﹒26〔ｔ〕；Ⅲ類負(fù)荷彈簧ｔｊ≤1﹒12〔ｔ〕。
5． 拉伸彈簧需用應(yīng)力為壓縮彈簧許用應(yīng)力的80%。
6． 對重要的、其損壞會(huì)引起整個(gè)機(jī)械損壞的彈簧許用切應(yīng)力〔ｔ〕應(yīng)適當(dāng)降低。
7． 經(jīng)強(qiáng)壓（拉）處理的彈簧，產(chǎn)生塑性變形層和反向應(yīng)力。塑性變形層愈深，反向應(yīng)力也愈大，因而可提高彈簧工作的許用切應(yīng)力〔ｔ〕，最高達(dá)25%左右。
8． 壓縮、拉伸彈簧再高溫下使用時(shí)，材料的強(qiáng)度極限δｂ隨溫度的升高而下降。此時(shí)，許用應(yīng)力應(yīng)按使用溫度時(shí)材料的強(qiáng)度極限選取。
9． 設(shè)計(jì)要點(diǎn)：⑴設(shè)計(jì)和制作壓縮彈簧時(shí)，必須知道以下五個(gè)條件，缺一不可。①ｄ②Ｄ2（或Ｄ1、Ｄ）③ｎ（或ｎ1、或Ｈｂ或ｔ）④Ｈ0⑤選向（左旋或右旋）⑵根據(jù)工作條件，正確選擇材料，確定許用切應(yīng)力〔ｔ〕值的大小，是設(shè)計(jì)和制作壓縮彈簧的關(guān)鍵問題之一，必須按表切實(shí)掌握。⑶旋繞比（Ｃ=Ｄ2/ｄ）的范圍，要選擇得合理，一般取4～12。如選得太小，彈簧承受負(fù)荷時(shí)，其截面的內(nèi)層與外層產(chǎn)生的切應(yīng)力〔ｔ〕值的差別很大，使用中容易折斷。另外往往容易在大截面、和承受重負(fù)荷的彈簧制作工藝中帶來了困難。如可能會(huì)出現(xiàn)在熱卷大截面彈簧時(shí)，卷簧機(jī)帶不動(dòng)而被迫停產(chǎn)的嚴(yán)重現(xiàn)象。旋繞比如選得太大，又會(huì)造成浪費(fèi)材料或使立放小截面彈簧產(chǎn)生顫動(dòng)等現(xiàn)象，甚至?xí)チ藦椈傻淖饔?。⑷彈簧的?xì)長比ｂ（=Ｈ0/Ｄ2）值應(yīng)在1～5．3范圍內(nèi)選取。⑸掌握好彈簧的承受負(fù)荷P、變形量F和切應(yīng)力ｔ三者之間的關(guān)系。任何一個(gè)壓縮彈簧當(dāng)承受一定的負(fù)荷P1時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形量F1和在彈簧內(nèi)部產(chǎn)生了相應(yīng)的切應(yīng)力ｔ1，在不斷承受負(fù)荷的過程中，在每一個(gè)瞬間，這三個(gè)數(shù)值都同時(shí)出現(xiàn)，并按一定的關(guān)系在變化著。（6）壓縮彈簧工作區(qū)間的選取。壓縮彈簧工作變形量應(yīng)在全變形量的20～80%范圍內(nèi)選取。要求剛度時(shí)，工作變形量應(yīng)在全變形量的30～70%范圍內(nèi)選取。（8）根據(jù)彈簧的工作溫度條件來看，大部分彈簧都是在室溫條件下使用，也有在低溫（零下幾十度）下使用和在高溫（幾百度）下以及在高溫高壓下使用的，這些彈簧都要合理地選擇不同的材料和不同的方法來進(jìn)行熱處理。（9）根據(jù)工作條件的需要，有的彈簧需要耐腐蝕，有的彈簧要有恒彈性等。為此，都要分別選擇合適的材料來制作。（10）疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)算。（11）靜強(qiáng)度驗(yàn)算。靜強(qiáng)度的安全系數(shù)計(jì)算公式ｎ=ｔｓ/ｔｍａｘ≥〔ｎ〕，式中ｔｓ為彈簧材料的屈服極限。許用安全系數(shù)〔ｎ〕的選取同疲勞強(qiáng)度核驗(yàn)。（12）彈簧的共振驗(yàn)算。承受變負(fù)荷的Ⅰ類彈簧，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，還須進(jìn)行共振驗(yàn)算。①對于減震彈簧，按下式驗(yàn)算：ｆ=，式中ｇ=9800毫米/秒2，Ｗ－負(fù)重（公斤），Ｐ′=（公斤力/毫米），ｆｒ－強(qiáng)迫機(jī)械振動(dòng)頻率（1/秒）。②對于類似氣門彈簧機(jī)構(gòu)，按下式驗(yàn)算：（1/秒），式中ｇ=9800毫米/秒2；ｒ=7．85*10-6公斤/毫米3。當(dāng)G=8000公斤力/毫米2時(shí)，f=3．56*105*（1/秒）。自振頻率f與強(qiáng)迫振動(dòng)頻率fr之比應(yīng)大于10，即：﹥10。
10． 設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟。根據(jù)題中所給條件可確定如下：⑴首先根據(jù)彈簧的使用情況，按表選用合理地材料。（2）材料選好后，根據(jù)彈簧承受負(fù)荷的種類，確定為Ⅰ類、Ⅱ類或Ⅲ類彈簧，在表中可以查出許用切應(yīng)力〔ｔ〕值和切變模量Ｇ值。（3）根據(jù)Ⅰ類、Ⅱ類或Ⅲ類負(fù)荷彈簧和選定的〔ｔ〕可從公式中得到該彈簧的工作極限應(yīng)力ｔｊ。（4）如題中已知ｄ、Ｄ2值，可求出Ｃ=Ｄ2/ｄ值代入公式后求出Ｋ值并根據(jù)上述ｔｊ值一起代入公式，求出Ｐｊ值。（5）如題中已知ｎ值，可由公式中求出Ｆｊ值。（6）可以設(shè)Ｆｊ=Ｆｂ、Ｈｊ=Ｈｂ。（7）由公式Ｈｂ=（ｎ+1）d（熱卷）或公式Ｈｂ=（ｎ1－0．5）d（冷卷）中，以ｎ、ｄ代入求出Ｈｂ。（8）由公式Ｈｊ=Ｈ0－Ｆｊ移項(xiàng)后，Ｈ0=Ｆｊ+Ｈｊ=Ｆｂ+Ｈｂ求出Ｈ0值。（9）其他如有未知數(shù)時(shí)，可由有關(guān)公式來求出。
5.5 影響彈簧疲勞強(qiáng)度的因素
1． 屈服強(qiáng)度--一般來說，材料的屈服強(qiáng)度愈高，疲勞強(qiáng)度也愈高，因此，為了提高彈簧的疲勞強(qiáng)度應(yīng)設(shè)法提高彈簧的屈服強(qiáng)度，或采用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比值高的材料。
2． 表面狀態(tài)--最大應(yīng)力多發(fā)生在彈簧材料的表層，所以，彈簧的表面質(zhì)量對疲勞強(qiáng)度的影響很大。彈簧材料在軋制、拉拔和卷制過程中造成的裂紋、疵點(diǎn)和傷痕等缺陷往往是造成彈簧疲勞斷裂的原因。材料表面光潔度愈高，應(yīng)力集中愈小，疲勞強(qiáng)度也愈高。
3． 尺寸效應(yīng)--材料的尺寸愈大，由于各種冷加工和熱加工工藝所造成的缺陷可能性愈高，產(chǎn)生缺陷的可能性也越大，這些原因都會(huì)導(dǎo)致疲勞性能下降。
4． 冶金缺陷--冶金缺陷是指材料中的非金屬夾雜物、氣泡、元素的偏析等等。存在于表面的夾雜物時(shí)應(yīng)力集中源，會(huì)導(dǎo)致夾雜物與基體界面之間過早地產(chǎn)生疲勞裂紋。采用真空冶煉、真空澆注等措施，可以大大提高鋼材的冶金質(zhì)量。
5． 腐蝕介質(zhì)--彈簧在腐蝕介質(zhì)中工作時(shí)，由于表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕或表面晶界被腐蝕而成為疲勞源，在變應(yīng)力作用下就會(huì)逐步擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。腐蝕對彈簧疲勞強(qiáng)度的影響，不僅與彈簧受變載荷的作用次數(shù)有關(guān)，而且與工作壽命有關(guān)。在腐蝕條件下工作的彈簧，為了保證其疲勞強(qiáng)度，可采用抗腐蝕性能高的材料，如不銹鋼、非鐵金屬，或者表面加保護(hù)層，如鍍金屬、法蘭、涂亮漆等。實(shí)踐表明鍍鎘可以大大提高彈簧的疲勞強(qiáng)度。
6． 溫度--碳鋼的疲勞強(qiáng)度，從室溫到120°C時(shí)下降，從120°C到350°C又上升，溫度高于350°C以后又下降，在高溫時(shí)沒有疲勞極限。在高溫條件下工作的彈簧，要考慮采用耐熱鋼。在低于室溫的條件下，鋼的疲勞極限有所增加。
第六章 平衡力的計(jì)算
1. 上平臺(tái)加載1.4t,從中間位置上升150㎜，平衡機(jī)抵消70％的載荷。
假設(shè)平橫狀態(tài)下桿AE、BD、CF的長度為1m，上、下平臺(tái)(圓盤)的半徑:=0.51m；=0.86m，AE與豎直方向的夾角為15度，EF=ED=DF=0.75×m=750×mm，AB=BC=AC=0.35×m=350×mm，∠AˊED=80°。
由幾何關(guān)系知，AE=
AG=AEcos15°=1292.9mm(AG為Aˊ到地面的距離)
取PQ=1125mm, AˊG=AG+150=1442.9mm
tg∠PHQ= ∠PHQ=37.9°,所以∠NHQ=90°-37.9°=52.1°
9800=2FQHSin52.1°FQH=6202.5N
tg∠PMQ= = ∠PMQ=41°
Sin∠PMQ=QM==1714.8mm
Sin∠PHQ=
所以△X=1831.4-1714.8=116.6mm
FQH=6K1△X K1=
FPN= FQH=5K2 K2=
2. 上平臺(tái)加載1.4t,從中間位置下降150㎜，平衡機(jī)抵消100％的載荷。
A"G=
∠PMˊQ=∠PMˊQ=49.8°
Sin∠PMˊQ=
△X=QM-Q Mˊ=1714.8-1472.9=241.9mm
14000=2 QMˊSin(90°-49.8°) FQMˊ=10769.2N
K3=
K4=
3. 平衡機(jī)上平臺(tái)處于中間位置加載1.4t，右端上仰20°，抵消85％的載荷。
14000%=11900N
11900=FQM"∠QM"J+FPN"Sin∠M"N"P
FQM"Cos∠QM"J= FPN"Cos∠M"N"P
因?yàn)椤螾MQ=41°，所以∠QMN=49°
取∠QM"J=40°，∠M"N"P=60°，代入上面兩個(gè)式子得：
FQM"=6040.6N，F(xiàn)PN"=9302.5N
M"O= （M"O為M"到底平面的距離）
∠M"QO=35°，所以M"Q=
MQ=
所以△X1=1918.7-1712.1=206.6mm
FQM"=6K5△X1 K5=
N"P=
△X2= N"P-PN=1961.4-1712.1=249.3mm
所以FPN"=5K6△X2 K6=
4. 平衡機(jī)上平臺(tái)處于中間位置加載1.4t，右端向上傾側(cè)20°，抵消80％的載荷。
算法同上述第三種情況，計(jì)算得：
F1=5686N，F(xiàn)2=8756N
，
6FCosθ=947.7，θ=10°
所以F=160.4N=K7△X ，又因?yàn)椤鱔=
所以K7= ；
5FˊCosθ=1751.2，θ=10°
所以Fˊ=355.6N=K8△X , 又因?yàn)椤鱔=
K8=
6.1 彈簧的選取
由以上四種情況分析，決定選用硅錳彈簧鋼（60硅2錳），這種材料彈性好，回火穩(wěn)定性好，易脫碳，用于制造受大載荷彈簧。作為Ⅱ類載荷（受作用次數(shù)在103～105次范圍內(nèi)的變載荷，以及沖擊載荷等），查［1］知，這種材料的許用剪應(yīng)力［t］=680N/mm2，許用彎曲應(yīng)力[σ]=850 N/mm2，剪切彈性模數(shù)G=80000 N/mm2，拉伸彈性模數(shù)E=200000 N/mm2，推薦硬度45～50HRC，推薦使用溫度-40o～＋200o。
6.1.1 計(jì)算彈簧鋼絲直徑
旋轉(zhuǎn)比Ｃ= ，為了使彈簧本身較為穩(wěn)定，不致顫動(dòng)或過軟，Ｃ值不能太大；但為避免卷繞時(shí)彈簧絲受到強(qiáng)烈彎曲，Ｃ值又不應(yīng)太小，通常取Ｃ=4～16。由表2-1[2]，取C1=6，C2=8，由此得，。
再由公式知，，。
6.1.2 計(jì)算簧圈直徑
彈簧圈內(nèi)徑D11=D1-d1=C1d1-d1=（6-1）﹡6.4=32mm，D12=D2-d2=C2d2-d2=（8-1）﹡7.1=49.7mm。彈簧圈外徑D21=D1+d1=C1d1+d1=（6+1）﹡6.4=44.8， D22=D2+d2=C2d2+d2=（8+1）﹡7.1=63.9mm。
6.1.3 計(jì)算彈簧圈數(shù)
選取K1ˊ=9N/mm，K2ˊ=11N/mm，則（梳狀六根），（梳狀五根）。
6.2 驗(yàn)算平衡力
1．上平臺(tái)加載1.4t,從中間位置上升150㎜。
△X1=
△X2△X2△X2
實(shí)際抵消
2．上平臺(tái)加載1.4t,從中間位置下降150㎜。
△X1‘=
△X2‘△X2‘=
實(shí)際抵消
3．平衡機(jī)上平臺(tái)處于中間位置加載1.4t，右端上仰20°。
△X1‘’=
△X2‘’=
實(shí)際抵消
4．平衡機(jī)上平臺(tái)處于中間位置加載1.4t，右端向上傾側(cè)20°。
△X1‘‘’=
實(shí)際抵消
結(jié) 論
本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)歷時(shí)3個(gè)月左右。在這一段時(shí)間里，作者所做的具體工作如下：
1 對并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)，對前人所研究的成果有所了解；
2 對已有的3-RPS并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行分析，并據(jù)此找到一種特別的帶平衡裝置的3-RPS并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)；
3 對此種并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行自由度計(jì)算，結(jié)構(gòu)分析；
4 對此種并聯(lián)機(jī)器人裝置的升降、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算，確定具體尺寸；
5 研究此種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的平衡機(jī)，探討其選擇、計(jì)算方案、安裝位置，得出具體的尺寸數(shù)值；
6 選擇合適的彈簧，驗(yàn)證平衡曲線。
當(dāng)然，作者在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中所研究，所探討的都是一些很淺顯得問題，存在很多錯(cuò)誤和不足，希望在以后的學(xué)習(xí)中能得到更深刻的理解。
致 謝
在論文完成之際，我要對關(guān)心、支持和鼓勵(lì)我的老師、同學(xué)、朋友和親人表示最誠摯的感謝。
首先，衷心感謝我的指導(dǎo)老師侯海云，本文是在侯老師的悉心指導(dǎo)和關(guān)懷下完成的。侯老師淵博的知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和忘我的工作精神對我產(chǎn)生了深刻的影響。
其次，我還要感謝鄒建榮，石劍峰，顧蓉蓉，許麗嬌等老師在論文書寫的過程中給予我的支持和幫助。
最后，感謝支持我的父母，他們吃苦耐勞的品質(zhì)是我取之不竭的精神動(dòng)力。特別是我的家人多年來給予我的關(guān)心和幫助，是他們的支持才能讓我順利的走完大學(xué)之路。
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