平面兩自由度七桿機(jī)構(gòu)混合驅(qū)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理論及實(shí)驗(yàn)研究

《平面兩自由度七桿機(jī)構(gòu)混合驅(qū)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理論及實(shí)驗(yàn)研究》（Research on the theory and experiment of hybrid actuator with the 2-DOF planar seven-bar mechanism）是2003年上海交通大學(xué)授予方新國(guó)學(xué)位的論文，指導(dǎo)教師鄒慧君。

學(xué)科專業(yè)

機(jī)械設(shè)計(jì)與理論

學(xué)位級(jí)別

d 2003n

關(guān)鍵詞

可控機(jī)構(gòu) 機(jī)構(gòu)學(xué) 七桿機(jī)構(gòu) 混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

館藏號(hào)

TH112

唯一標(biāo)識(shí)符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.002643201

館藏目錄

2005\TH112\1 2100433B

兩自由度直驅(qū)電機(jī)可以代替兩個(gè)或更多用于產(chǎn)生復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)及與其連接的繁瑣而又效率低下的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以有效節(jié)省空間，提高效率。 分析了兩自由度電機(jī)電磁設(shè)計(jì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)探索及其機(jī)理分析、磁場(chǎng)分析計(jì)算、有限元建模及特性分析、運(yùn)動(dòng)控制等一系列問題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展概況。針對(duì)現(xiàn)有兩自由度電機(jī)技術(shù)，介紹了新型的兩自由度直驅(qū)感應(yīng)電機(jī)(2-DOF DAIM)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，闡述其工作原理及優(yōu)點(diǎn)，討論了未來兩自由度直驅(qū)電機(jī)的發(fā)展方向。兩自由度電機(jī)的研究不僅具有實(shí)際意義，而且還具有很高的理論意義，已成為電機(jī)學(xué)科的發(fā)展前沿。但是，該類電機(jī)研究還處于初級(jí)階段，開發(fā)和制造新型電機(jī)的技術(shù)仍有待提高 。2100433B

兩自由度直驅(qū)電機(jī)具有直接驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，即不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)即直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載作直線、旋轉(zhuǎn)或螺旋運(yùn)動(dòng)，大大減小設(shè)備體積，顯著提高效率。兩自由度直驅(qū)電機(jī)在需要復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雕刻機(jī)、汽車生產(chǎn)線、攪拌機(jī)、球形閥等設(shè)備中，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前典型的兩自由度直驅(qū)電機(jī)大都屬于感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)或磁阻電機(jī)類型。設(shè)計(jì)理論采用“場(chǎng)化路”的解析法或有限元法，建立數(shù)學(xué)模型以及求解電磁場(chǎng)方程分析。 通過參考國(guó)內(nèi)外最新 ，分析了兩自由度直驅(qū)電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、控制方法和應(yīng)用技術(shù)等方而的研究現(xiàn)狀及發(fā)展概況，針對(duì)現(xiàn)有兩自由度電機(jī)技術(shù)，介紹了一種新型的兩自由度直驅(qū)感應(yīng)電機(jī)(2-DOF DAIM)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，闡述其工作原理及優(yōu)點(diǎn)，討論了未來兩自由度直驅(qū)電機(jī)的發(fā)展方向 。

兩自由度直驅(qū)電機(jī)是一種無中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的新型電機(jī)，這種電機(jī)可以分別做直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及兩者合成的螺旋運(yùn)動(dòng)。它具有機(jī)械集成度高，電機(jī)結(jié)構(gòu)材料和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)元件利用率高等優(yōu)點(diǎn)，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。目前兩自由度的驅(qū)動(dòng)技術(shù)多采用兩個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及中間傳動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)。但是由于中間機(jī)構(gòu)的存在，使得系統(tǒng)控制方式復(fù)雜，系統(tǒng)體積大零部件多維護(hù)量大、價(jià)格昂貴，而且中間傳動(dòng)裝置需要承受較大的軸向力，易出現(xiàn)磨損嚴(yán)重使系統(tǒng)可靠性降低的問題。在兩自由度機(jī)械系統(tǒng)中，采用一臺(tái)兩自由度電機(jī)來代替兩個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)及傳動(dòng)裝置，可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小體積及重量，從而提高系統(tǒng)的精度和動(dòng)靜態(tài)性能。因此兩自由度直驅(qū)電機(jī)可廣泛用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、攝像操作臺(tái)、雕刻機(jī)、汽車生產(chǎn)線、攪拌機(jī)、球形閥等設(shè)備上，具有廣泛的應(yīng)用前景。

一種直驅(qū)的機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被應(yīng)用于具有 AMT和DCT的汽車變速裝置以更利于齒輪切換;將一種旋轉(zhuǎn)一直線驅(qū)動(dòng)器用于雙功能輪驅(qū)裝置;介紹了交流伺服電機(jī)和直線感應(yīng)伺服電機(jī)在混合質(zhì)量阻尼器中的應(yīng)用;提出了一種旋轉(zhuǎn)一直線及直線一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器;多自由度機(jī)器人在摩天大樓護(hù)墻上的應(yīng)用;在機(jī)器人領(lǐng)域，使用柔順連接可以顯著提高系統(tǒng)性能。以上都是多自由度驅(qū)動(dòng)裝置的典型應(yīng)用。

兩自由度電機(jī)電磁設(shè)計(jì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)探索及其機(jī)理分析、磁場(chǎng)分析、有限元建模及特性分析、運(yùn)動(dòng)控制等一系列新問題都會(huì)形成新的研究方向，進(jìn)一步拓展電機(jī)學(xué)科的研究范圍，因此兩自由度電機(jī)的研究既具有實(shí)際意義，又還具有很高的理論意義，已成為電機(jī)學(xué)科發(fā)展的新前沿。

由于兩自由度電機(jī)是將兩種不同運(yùn)動(dòng)形式和兩套運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生源集成到一套系統(tǒng)中，因此兩自由度電機(jī)和通常單自由度電機(jī)相比有許多不同的特征，因此可以預(yù)見以下這些方而將成為兩自由度電機(jī)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。

1)就是開發(fā)新結(jié)構(gòu)新原理的兩自由度電機(jī)。由于工業(yè)應(yīng)用方而的拓展，使用環(huán)境和應(yīng)用要求不斷變化，現(xiàn)有的兩自由度電機(jī)結(jié)構(gòu)可能不能滿足要求，因此需要根據(jù)環(huán)境性能需要，繼續(xù)研發(fā)具有新結(jié)構(gòu)和新原理的兩自由度電機(jī) 。

2)就是要對(duì)已有的電機(jī)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。和傳統(tǒng)電機(jī)一樣，對(duì)兩自由度電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以使電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，提高電機(jī)的機(jī)械集成度及材料的利用率，擴(kuò)大動(dòng)子的偏轉(zhuǎn)范圍，簡(jiǎn)化支撐結(jié)構(gòu)，減輕重量，減小體積。另外，還可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來簡(jiǎn)化各自由度之間的電磁及力學(xué)耦合關(guān)系，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

3)兩自由度電機(jī)電磁場(chǎng)的計(jì)算問題。電磁場(chǎng)的計(jì)算問題是兩自由度電機(jī)控制的理論基礎(chǔ)。由于兩自由度電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，其磁場(chǎng)具有邊界條件復(fù)雜、各向異性、非線性、端部效應(yīng)的問題，而且兩自由度電機(jī)的電磁場(chǎng)大都是典型的三維場(chǎng)，很難使用二維場(chǎng)來進(jìn)行簡(jiǎn)化，因此兩自由度電機(jī)電磁場(chǎng)的分析計(jì)算問題是此種電機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)部分。

4)耦合問題。由于兩自由度電機(jī)是將兩種不同的電機(jī)系統(tǒng)融合到一個(gè)系統(tǒng)中，因此其電磁和運(yùn)動(dòng)都有耦合的可能。如何定量地分析這些耦合關(guān)系及其對(duì)電機(jī)性能的影響，以及如何消除這些不良影響，是多自由度電動(dòng)機(jī)研究中待解決的關(guān)鍵問題。

5)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制問題。由于多自由度電動(dòng)機(jī)自身的特點(diǎn)，各自由度之間除了存在電磁耦合之外還存在著十分復(fù)雜的力學(xué)耦合關(guān)系，這是多自由度電動(dòng)機(jī)難以控制的重要原因之一，因此必須根據(jù)電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，建立準(zhǔn)確的力學(xué)模型，深入分析各自由度之間的耦合關(guān)系，研究力學(xué)解禍控制策略，以提高電機(jī)的動(dòng)靜態(tài)性能及穩(wěn)定性。因此需要根據(jù)電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，確立其輸出軸的運(yùn)動(dòng)軌跡控制策略。

6)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。多自由度電動(dòng)機(jī)是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)不僅要對(duì)各自由度的角位移、速度、加速度及輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行檢測(cè)，還要進(jìn)行各自由度之間的解禍計(jì)算、軌跡規(guī)劃，因此有必要研制適合于多自由度電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的專用控制元器件并開發(fā)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

由于看到了兩自由度電機(jī)的優(yōu)越性，各國(guó)研究人員加大了對(duì)多自由度電機(jī)的研究力度。隨著多自由電機(jī)理論的不斷完善，制約多自由電機(jī)發(fā)展的以上技術(shù)瓶頸正不斷被打破?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，兩自由度電機(jī)一定能夠得到廣泛應(yīng)用。