连杆凸轮减速器的运动仿真 毕业设计.doc

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1、连杆凸轮减速器的运动仿真作者：ee （ee）指导老师：ee 摘要：连杆凸轮减速器主要借助于一齿差原理、摆线针轮减速器和渐开线三环减速器的部分结构特点研制而成。此次毕业设计主要是熟悉连杆凸轮器的工作原理，分析该减速器的结构特点；推导实现定传动比、连续传动的条件和凸轮廓线的数学方程；对连杆凸轮减速器进行简单的结构设计，完成对给定参数下的减速器部分零部件建模及三维装配工作，并进行仿真。 关键词：连杆凸轮减速器；凸轮；摆线针轮；PRO/E 三维建模；运动 仿真。The virtual movement emulation of Cam-linkage ReducerAuthor: ee(ee)Inst

2、ructor:eeAbstract: The cam-linkage reducer is mainly through the principle of one tooth difference, cycloid gear reducer and three-ring reducer from the development of structural characteristics. The graduation project is familiar with the working principle of the cam-linkage reducer, analysis the s

3、tructural characteristics of the cam-linkage reducer; derivation the set transmission ratio to achieve and continuous transmission of the conditions and profile of cam the mathematical equation; cam-linkage reducer on the structure of simple design, completion to the given parameters of the reducer

4、part and three-dimensional modeling and motion simulation.Key words: cam-linkage reducer, cam, Cycloidal gear, pro/e three dimension model building, simulation.目 录1 绪 论11.1 选题的背景及研究的意义11.2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势21.2.1 国内、外机械传动科学与技术的研究现状21.2.2 国内、外机构学的研究现状41.2.3 国内、外减速器的研究现状111.2.4少齿差行星齿轮传动技术研究现状131.2.

5、5 国内三环传动减速器的研究现状142 连杆凸轮减速器的原理分析162.1 机构的传动原理分析162.1.1 机构的组成162.1.2 机构的传动原理分析172.2 机构的传动比计算172.2.1 运动输入构件与输出构件的转向关系172.2.2 传动比的计算182.3凸轮理论廓线方程及性质192.3.1凸轮理论廓线方程192.3.2 凸轮理论廓线的性质212.4 凸轮压力角与机构中构件的力关系232.4.1 凸轮理论廓线压力角232.4.2 机构中主从动构件的力矩关系式232.4.3由理论廓线方程推出实际廓线方程272.5 连杆凸轮减速器工作原理282.6摆线针轮的设计282.7摆线轮的建模方

6、程303连杆凸轮减速器结构设计313.1 连杆凸轮减速器的结构313.1.1 主动曲柄323.1.2 连杆推杆（带滚子的环板）323.1.3 从动曲柄333.1.4 凸轮333.1.5 输出轴343.1.6 箱壳343.1.7 惯性力的自平衡结构343.1.8 弹性均载环节343.2连杆凸轮减速器与渐开线三环式减速器相比的优点353.3连杆凸轮减速器和传统的摆线针轮行星传动相比的优点364 连杆凸轮减速器的建模374.1减速器基本零件建模374.1.1凸轮模型的建立374.1.2连板模型的建立394.1.3其他零部件建模405 连杆凸轮减速器的装配和仿真425.1减速器的装配425.1.1连板

7、装配425.1.2输入轴的装配435.1.3第三轴的装配445.1.4输出轴组件的装配455.1.5三连板的装配455.1.6减速器总装465.2 基本仿真过程475.2.1运动分析工作流程47致 谢：53参考文献541 绪 论1.1 选题的背景及研究的意义原动机、传动机和工作机（执行机）是机械系统的三大基本构成。原动机提供基本的运动和动力，常见的原动机有蒸汽机、内燃机、电动机等，风力、人力、水力、人畜动力机也属于原动机。工作机是机械具体功能的执行系统，随机械功能的不同，工作机的运动方式和结构形式千差万别。由于原动机运动的单一性、简单性与工作机运动的多样性、复杂性之间的矛盾，需用传动机将原动机

8、的运动和动力如速度、力或力矩的大小和方向等进行转换并传递给工作机，以适应工作机的需要。由此可见，只要原动机的运动和动力输出不能满足工作机的要求，传动机的存在就是必然的1。机械系统中的传动分为机械传动、流体传动和电传动，机械传动由于其恒功率输出，传递运动的精度高，速度响应快，传动效率高等优点，难于被其它传动完全替代，因而在多数机械系统中仍然是主要的传动形式。机械传动的类型也有多种，如各种齿轮传动、带传动、链传动、摩擦轮传动等。各种机构从广义上也属于机械传动，但机构由于自身的特点，在学科分类上已作为一独立分支学科机构学1-4。随着科学技术的迅猛发展，信息科学、材料科学、生命科学和现代控制科学不断交

9、叉融合，使传统的机械科学发生了深刻的变革，机械传动作为机械科学的基础“硬件”，一方面要适应学科交叉发展的变革，不断产生新的研究内涵，另一方面也要不断提高性能质量5-6。机械传动领域中国内外广泛采用的是渐开线齿轮传动、摆线针轮行星传动等，这些传统传动型式的理论与技术由于经历了较长的发展历史并进行了较为系统的研究，总体上已相对成熟7-11。但其存在以下缺点：在渐开线齿轮传动中，由于啮合原理与加工制造等方面的限制，普通渐开线齿轮传动的重合度有限，即使在渐开线少齿差齿轮传动中，重合度虽有所提高，但内齿轮只能作成软齿面，从而限制了其承载能力12。在摆线针轮传动中，需要制造精度要求较高的输出机构，结构复杂

10、，且输入、输出轴只能布置成悬臂式结构，支承刚性较差；转臂轴承的径向和轴向尺寸均受到严格的限制，成为该类传动的薄弱环节，使啮合副的承载能力不能充分发挥12。近年来国内部分研究单位相继研制成功了一些新型传动装置，如重庆钢铁设计研究院研制的三环减速器、西安重型机械研究所和重钢集团机械制造有限公司研制的RH二环减速器，已形成机械行业标准逐渐推广使用7。以渐开线作为齿形的二、三环减速器，因传动比大，比以前通用的渐开线少齿差减速器省去输出机构且输出轴刚性好，此外转臂轴承由在行星轮内尺寸受限制变为转臂轴承在行星轮外，尺寸不受限制，能显著提高传递的转矩，从而作为一种新型传动出现在机械传动领域。但遗憾的是，它仍

11、然保留着通用渐开线少齿差减速器的一些本质上的缺点。例如重合度过小，不仅限制了其承载能力，而且影响传动平稳性；啮合角过大，不仅使传动效率降低，而且使转臂轴承寿命显著缩短；内齿轮不能用硬齿面，使得整个减速器尺寸增大；绝大部分规格减速器的承载能力取决于热功率（机械功率大于热功率）等等。为了克服上述减速传动的缺点并保留其优点，进一步实现机械传动装置的高性能、低成本和小型轻量化，本研究从传动原理上创新地提出了一种新型的连杆凸轮减速器，这种减速器与近年来成功研制的高承载能力双曲柄环板针摆行星减速器类似12，不仅保留了环板式传动可省去输出机构而输出轴刚性好；转臂轴承由行星轮内移至行星轮外，尺寸不再受限制，从

12、而传递的转矩可以较现有的摆线针轮减速器更大等优点，而且又保留了原摆线针轮行星减速器同时啮合齿数多，总法向力与总圆周力间夹角小、摆线轮与针轮齿均为硬齿面等本质上的优点，可以克服现有以渐开线为齿形的诸种环板式减速器难以避免的缺点。因此，连杆凸轮减速器是一种体积小、重量轻、传动比范围大、传动效率高、传动平稳、输出轴刚性大、传动转矩范围更大、并具有很高实用价值的新型减速器。本论文主要对连杆凸轮减速器的关键技术进行研究与开发，制定其系列化设计参数，使该项技术成果尽快转化成系列化产品。1.2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势1.2.1 国内、外机械传动科学与技术的研究现状传统的机械传动科学与技术的

13、发展经历了较长的时期，在世界范围内已达到较高水平。但随着机械向高效、高速、精密、多功能方向发展、对传动机的功能和性能的要求也越来越高，而机械的工作性能、使用寿命、能源消耗、振动噪声等在很大程度上取决于传动系统的性能，因此世界各国都非常重视对传动系统的研究5-6。我国的实情仍和发达国家存在较大的差距，主要表现在传动系统的静态和动态性能（如使用寿命和振动噪声等）、制造技术（高精度硬齿面滚齿、轮齿数控三维修形、三维共轭曲面多坐标数控加工等）、材料及热处理（高强度新材料的使用、表面改性、复合表面处理及表面镀层等）、润滑及摩擦学设计（油品及添加剂、固体润滑技术）等方面。世界发达国家如欧美和日本等国尽管在

14、上述领域已达到相当先进的水平，但仍在不断深入的研究。其目的是为了进一步实现传动装置的高性能、低成本，一方面适应机械系统性能水平不断提高的新要求，另一方面是确保在日益激烈的市场竞争中立于不败之地。1997年日本机械学会在全国范围内组织的以“传动装置现实技术发展境界及其境界的超越”为题目的大规模系统调研所形成的报告中，明确把传动装置的小型轻量、高性能、低成本作为研究努力的方向，并制定了相应的目标1，5-6。随着科学技术的发展和进步，为了适应机械系统性能水平不断提高的新要求,保证其产品的竞争能力，国内外仍在不断的研究和发展各种新型机械传动。目前机械传动学科研究领域主要集中在1,5-6：（1）新型传动

15、方式的研究。为实现传动系统小型轻量化，有必要探索传动装置的新型式、新种类，从传动原理和结构上进行创新，创造体积小、重量轻、承载能力大的新型传动。（2）传动副的新材料及表面处理研究。材料科学与技术是21世纪重点发展的科学与技术领域之一，各种新材料在机械传动中的应用已经推动并继续推动机械传动科学技术的发展和性能的提高。梯度材料、陶瓷材料、高分子聚合材料、纳米材料及智能材料等由于其独特的性能特点，将对机械传动的性能甚至功能都会产生重要影响。采用这些材料可大幅度提高传动系统的承载能力和使用寿命，从而减小传动装置的体积和重量，降低成本。机械传动中的材料表面工程技术对传动零件的表面疲劳强度、摩擦磨损性能和

16、使用寿命至关重要，因而也一直是机械传动研究的重要领域之一。它是通过在传动零件表面涂层、表面改性等，使零件表面获得特殊的材料成分、组织结构以提高传动副的服役性能。进行表面涂层或表面改进性能同样可以提高传动元件及系统的承载能力，从而减小传动体积、重量和降低成本。已用于传动零件的表面工程技术有：挤压、轧制、喷丸等机械强化技术，电镀、气相沉积等表面涂层技术，堆焊、热喷涂等表面缺陷修复和表面性能增强技术。（3）传动副的破坏机理及强度设计研究。传动副元件表面显微缺陷诱发的微点蚀及其在交变应力下的三维裂纹扩展，新材料和热处理对微点蚀及裂纹扩展的影响；传动副受载条件下的啮合分析、齿间载荷分配及应力分析，齿面修

17、形与齿间载荷分配和应力强度的关系；传动系统中各元件等强度、等寿命设计等，是提高传动系统承载能力和使用寿命、减小传动系统质量和体积所需研究的课题。（4）传动系统动力学特性及减振降噪的研究。包括传动系统动力学因子的准确计算和评价；摩擦、薄壁效应等对振动特性的影响；载荷波动及传动误差对振动特性的影响；传动副、轴、轴承和箱体耦合作用下传动系统的动力学特性和振动控制；传动系统噪声传递建模及噪声控制；传动副啮合齿面三维修形设计和动态特性及减振降噪、齿间载荷分配及承载能力的关系等。通过上述研究，可有效提高传动系统的动态性能和承载能力。（5）传动装置全寿命周期设计及绿色设计的研究。对传动系统中各传动元件如齿轮

18、、轴、轴承、箱体等进行全性能全寿命周期设计，在保证传动系统性能和预定寿命周期的前提下，尽可能减小各零部件的尺寸，从而实现传动装置体积小、重量轻、成本低的要求。（6）传动装置制造技术的研究。制造技术与传动装置的静动态性能及成本密切相关。对于齿轮传动而言，要提高传动系统的静动态性能，应采用高精度、硬齿面的加工技术，如采用热处理后的磨削加工，以提高传动系统的承载能力，降低振动和噪声。但一般来说，磨削加工的效率低，从而导致传动装置的高成本。解决这一矛盾的方法是采用硬齿面高精度滚齿，这样既可获得高精度硬齿面的齿轮，也可大大提高加工效率。硬齿面高精度滚齿要解决的问题是，滚齿机的刚性和硬质合金滚刀（或陶瓷滚

19、刀）的制造，这两项技术问题我国尚未解决。又如，为适应制造误差和受载变形对齿面啮合性能的影响，使传动副运行时振动低噪声小，应对齿面进行齿形齿向两个方向的修形，或对齿面进行任意三维可控修形，这就要求采用数控滚齿修形技术。同样，为使三维复杂共轭曲面如弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮等实现高阶可控修形以提高啮合性能，也必须采用多自由度（目前为六轴五联动）数控加工技术。国际上共轭齿面的数控修形和多自由度数控加工已逐渐成熟，但我国尚处于起步阶段，有大量的研究工作要做。可有效降低传动零件制造成本的一类成型加工技术是传动零件近终成型加工技术。这类加工技术的特点是少切削或无切削，因而节省材料、减少工时、节约能源，从而降

20、低制造成本。1.2.2 国内、外机构学的研究现状广义机构学又称机构和机器理论（简称机械原理）。18世纪下半叶第一次工业革命促使了机械工程学科的发展，结果机构学在原来机械力学的基础上发展而成的一门分支学科，在对机械的结构学、运动学和动力学的研究过程中形成了独立的体系和独特的内容。从19到20世纪，机构学对机械结构的完善和性能提高，对社会经济的发展起了极大的推动作用。机构学和计算机信息学、控制技术等现代学科的融合，使机构学发生了广泛而深刻的变化。近年来机构学一度被误认为是“夕阳”学科，这是片面的。科学是人类认识自然界规律的总结，只有新旧、早晚之分，不可以朝阳、夕阳或高低谓之。当然，与其他传统学科一

21、样，随着时代的进步，机构学的内容、手段、方法已经逐步更新和拓展。近20余年机构学发展的轨迹印证了这一点，机构学已经由研究机构的结构学、运动学、动力学的理论和方法，发展成为一门研究机构功能、原理、类型、设计方法、机器运行状态和特性、控制方法以及系统设计原理的技术基础和应用学科。机构学正向学科交叉、传统技术和高新技术融合、设计方法与工具的现代化等方面发展1。现代机构发展的特征可以归纳为三化：可控化、机电一体化和智能化。高精度、高加速度、重载、轻质、微型等要求，除促进机构学新分支的诞生外，还要求设计阶段将原本属于不同学科的机械和控制综合考虑，注重动态分析和动态设计，借助控制使系统得到更佳的性能；现代

22、数学、力学与计算机技术成为机构设计与分析的基础与工具。随着有限元、边界元等非线性的结构分析与优化方法的应用，计算机辅助设计与分析软件功能的强化，以及专家系统的完善，机构设计与分析方法发生了根本性的变化；机构与微电子学、传感技术、材料科学和计算机技术等相互交叉、渗透、融合，使机构学的系统概念向广义拓展，形成微机械学、仿生机械学、光机电集成的广义机构以及智能机构等新一代机构；注重建立完整的系统设计方法和评价体系1。机构学是机械设计所依据的最重要的基础理论学科之一。机构设计是机械设计的基础，发明、创新、改革和应用机构是机构设计的主要任务，当然这是一个不断进行综合、分析与决策的过程。机构学研究的基本问

23、题划分为分析与综合两大类。机构分析着重机构结构学、运动学与动力学特性研究，揭示机构结构组成、运动学与动力学规律及其相互联系，以便了解已有机械系统的性能并予以改进，还可以为机构综合提供理论依据；机构综合主要研究构思、创新、发明新机构的理论与方法13。机构学研究范围由三部分内容组成：机构结构学、机构运动学和机构动力学。机构结构学研究的对象主要是考虑拓扑约束的多体机械系统，主要内容是：揭示机构的组成规律、机构的拓扑结构特征以及它们与机构运动学、动力学特性之间的内在联系；为建立机构结构学、运动学及动力学的系统理论提供基本依据；机构结构类型的优选，即构思、发明新机构，这是机构结构学中最有意义而且在当前又

24、最薄弱的一环。机构运动学研究的对象主要是考虑拓扑约束和尺度约束的多体机械系统，主要内容是：已知机构的输入，各构件的尺度与装配构型，确定从动构件的运动规律，如位移、速度、加速度、奇异位形、运动误差等，或已知构件的输入和各个构件的尺度，确定装配构型并优化其结构，从而获得从动构件的运动规律，即机构的运动分析；对机构提出运动学、动力学等方面的设计要求，确定进而优化相关的构件尺寸，即机构的运动尺寸综合；研究机构尺度类型与性能之间的关系。机构动力学研究的对象主要是拓扑约束、尺度约束和惯性约束的多体机械系统，具体包括变质量机构动力学、振动机构动力学、刚性与挠性转子动力学、弹性构件动力学、柔性机构动力学等，主

25、要内容是：给定机构的运动和约束，求解输入力和运动副反力等，即机构动力学分析；给定机构输入力和约束，求解机构实际运动规律问题，即机构的动力学响应；合理分布构件内部质量及转动惯量，减少动载荷、改善工作条件等，即机构动平衡3。20世纪60年代诞生的机器人学是由机械电子学、计算机科学、信息科学等多学科综合而成的前沿学科。它研究如何使机器具有部分人体动作功能、感知和思维能力。近年来机械学一项引人注目的进展就是产生了一门特定的机械学科机器人机械学，它是分析、设计机器人机械系统的科学，机器人机械系统与传统机械有类同也有明显的区别，它成为现代机械学中最活跃、最引人注目的分支之一。机器人机械学的主要研究领域有：

26、机器人运动学、动力学；机器人新机型、新机构、新结构；微型机器人；机器人CAD、仿真以及机器人图形学3。（1）国外研究进展。现代机构学研究的进展相当快。总体上看，研究对象从原动机和工作机扩大到整个多自由度、多环机械系统。研究范围涵盖了对象的全工作历程（稳态、动态历程）。研究内容涉及到高速、重载、高精度下的运动学和动力学特性，包括控制性能，以及影响实际系统运行状态的诸多因素，甚至间隙冲击、摩擦、润滑以及构件柔弹性等。研究的层次则贯通机构结构类型综合和优选、尺度型优选、尺度综合方案优选、惯性参数优选以及新型构件和新型运动副等13,。机构学设计理论仍在不断完善与发展。1964年在机构结构学方面首次将数

27、学中的图论引入机构学，解决了机构的结构组成长期借助于机构运动简图和文字的描述，而与数学无缘的问题。以点表示构件、以边表示运动副的拓扑图与机构的结构简图之间具有对应关系。拓扑关系可以用矩阵（如关联矩阵、邻接矩阵、割级矩阵、通路矩阵等）表示，而且既便于运算又便于计算机生成。故图论为机构结构学研究提供了有力的数学工具。机器人的手与手臂丰富了机构结构学，如按动作形态机器人手臂可以分为直角坐标、圆柱坐标、极坐标、多关节型等。随着机器人功能的需要又出现了平面SCARA、空间连杆型球面SCARA、机构手臂和RCC、VRCC手腕、多指多关节手等。与传统机构的一个明显区别是机器人手与手臂有意识地采用串联、并联机

28、构或混合机构的结构形式。相应于机构拓扑结构的数学描述及其结构单元的划分，分别采用回路约束法、杆-副约束法或单开链约束法来建立易于自动生成的运动学、动力学方程。众多文献论及运动分析方程的降维问题，在如何利用同一性条件减少方程变量数目、简化求解方面取得进展。单开链约束法可以使联立方程的维数最少，即等于机构的耦合度k，此方法可以推广至空间多回路机构分析。完成运动方程的求解，便可知晓运动过程，进而实现运动特性的图形显示等。处理机构全部装配构形包括机器人机构装配构形，一般有消元法、区间分析法和连续法。借助运动特性（如奇异位形）和符号系统减少复杂机构装配构形计算量的方法颇受关注。机构运动尺度综合涉及的仍是

29、基本运动分析的尺度优化、精确点运动尺度综合、近似运动尺度综合等研究内容。有人进而探讨处理运动尺度综合问题的统一理论，在方法上则注重解析法与优化法结合。动力学方面，摆动力完全平衡的一般理论已经相当深入，如线性独立向量法、摆动力完全平衡的直接法和有限位置法（数值法）。已经证明，对于完成位置分析的机构，摆动力的平衡条件可以转化为一组线性方程的求解问题，摆动力与摆动力矩完全平衡的一般理论在近几年也有突破，但是实际应用效果有待验证。优化平衡可能更接近实用，而机电技术的结合也许是解决该问题的有效途径。近年来有关间隙机构动力学的实验有重要进展，内容涉及到用混沌现象解释间隙运动副脱离接触时的动力学行为等。广义

30、速率的概念是取适当构件或构件上适当点的速度视为主动输入速度（即广义速率），并用于建立动力学响应方程，结果动力学方程的耦合性可以明显降低。选取树状机械系统广义速率的一般方法也已经给出1,13,52-56。新型机构的研究。由于概念范围的交叉，功能的拓展，材料和加工工艺的变化，目前机构正向微型化、集成化、智能化、高精度型发展，在传统以及某些新领域得到应用。在并联机构方面，1965年英国工程师Stewart发明了6自由度并联机构平台，1978年著名教授Hunt提出Stewart机构可以做并联机器人，其理论基础涉及空间多自由度多环机构学的范畴。20世纪90年代后并联机构成为机构学的热点之一，在理论方面重

31、点研究各类并联机构如欠秩机构、串并联机构、蛇形机构等的设计理论，运动学、动力学及性能评价指标体系等。主要用在飞行模拟器、虚拟轴机床、微动机构、传感器框架、误差补偿器、步行机器人等。在柔性机构方面，柔性机构发端于20世纪70年代，1986年普渡大学的Her对柔性机构的概念体系做出了开创性的贡献，近10年来有“伪刚体” 模型、“运动放大法”、“分布柔性”等概念的问世。柔性机构的研究重点为：全柔性机构理论体系及研究方法；柔性机构的物理实现方法（集成设计与成形加工）；简捷和足够精确的柔性构件大变形运动模型；柔性机构标准结构的优化算法。在广义机构方面，光机电一体化技术的发展促进了液压、电气、气动、磁性和

32、光电等元件与机构的融合，广义机构的概念已经被广泛采用，广义机构类型及组成原理、设计方法大大丰富了传统机构学的内容。在微机构方面，微机器和微机器人是21世纪的前沿技术之一，所有发达国家无一例外地都在大力开展相关研究。作为系统，已经开发出微加工系统、微装配系统。日本微机器计划开发出由5mm5mm1.5mm模块组成的模块化微机器样机，用于高密度细径管线的表面检查作业；作为器件，已经开发出微连杆、微转子、微关节、微弹簧、微齿轮、微夹钳、微驱动器等，微驱动器是微机器人的关键技术之一。医用微机器人的进展也很快，它们的任务是在血管内或胃肠道内检查、诊断和最小损伤治疗。在仿生机构方面，仿生机构愈来愈崭露头角，

33、赋予机构创新广阔天地。蛇蠕动机理启发了沿人体肠道内移动的仿蛇机器人，模仿鱼摆尾和鸟扑翼产生“半转机构”，被称为“小东西”的机器蟹已经用于扫雷实验。拟人机器人是仿生机械中最富有挑战性的项目之一，日本早稻田大学I.Kato在1973年试制的WABOT-1揭开了相关研究的序幕。目前代表作品是本田公司的双足步行机器人ASIMO，它能以变步速和变步幅在平地行走、转弯、上下楼梯和跨越障碍。在变胞机构方面，变胞机构是空间多自由度多环机构学理论的新分支，在卫星天线、太阳能阵列接收板、发射架、折叠臂等，特别是空间运载工具载荷舱的受限几何空间中大有用武之地。1998年变胞机构的概念被提出后，已经讨论了变胞机构的结

34、构模型、自由度、构形变换以及相关的矩阵运算。其研究与分析的数学工具主要为拓扑学、图论、李代数、矩阵、旋量等。在正交平面机构方面，正交平面机构的构件都位于同一平面，但能产生不在同一平面的运动，它的突出优点是结构紧凑。柔性正交平面机构甚至能制作在同一块基片上。由于MEMS工艺上的特点，微机构经常被制作在若干平面层上，因此正交平面微型机构也已经问世了，如曲柄滑块机构（长300mm，宽125mm，厚2mm）、四连杆机构等。在受控机构方面，受控机构指结构尺寸可调节且输入可控的单自由度机构，以及输入可由恒速电机和伺服电机驱动的多自由度机构。随精确实现任意给定运动和机构智能化的要求，受控机构学应运而生，其研

35、究对象包括可调机构（adjustable mechanism）、伺服输入机构（variable input mechanism）、混合输入机构（hybrid mechanism），研究内容除受控连杆机构的分析和综合外，还涉及控制方法、系统和应用。在齿轮连杆机构方面，概括现有文献中齿轮连杆机构的运动分析方法有三种：复数矢量法、分组运动分析法和一般解析式法。只有通过综合才能设计出满足要求的机构。但是组成原理方面的研究尚比较薄弱，还未能提出系统的理论，这在一定程度上影响到齿轮连杆机构的应用。在冗余度机构方面，冗余度机构或者超冗余度机构在机器人学中有广泛的用途，目前有人在如何通过局部优化或全局优化解决

36、冗余度运动逆解问题、冗余度机构的设计准则、由于伪逆控制导致非保守解以及非保守解漂移的几何性态问题等方面取得进展1,3-6,13, 52-56。（2）国外发展趋势。机构的类型由传统的纯刚性构件扩展为包含多种类型元件的广义机构。机构学的新概念、新理论与新方法日趋体系化，与系统整体特性和新机构发明相关的新理论体系正在逐步完善。贯穿理论体系的基本思想之一是机械系统不同层次结构单元、单元间的约束特性、单元所组成的系统的整体特性之间具有内在的联系和规律性。这样就促使了机构结构学、运动学和动力学相互融合一体，柔性机构学、微机构学、机器人机械学以及广义机构学更显著地体现这个基本发展趋势。用于信息处理和控制的计

37、算机演化为机械系统的一个组成部分。机电集成和融合成为新一带机器的重要标志。如数字凸轮，就是机构与计算机的结合。在机构和机器的设计方面更加系统化和智能化。计算机辅助机构设计系统及专家系统成为现代化机构设计与分析的主要手段。机构学概念、知识、理论、方法和专家经验与计算机系统的逻辑推理、分析判断、数优处理、图形显示等功能密切结合，以简单、直观、快速、最优的形式完成设计任务，逐步生成用于产品设计的通用程序库和软件包。在这一背景下，一些用于复杂机构分析的功能强大的软件相继问世，如数学处理软件Matlab、Mathematica、Mathcad，非线性复杂分析与设计的专用软件UG、ADAMS、 ANSYS

38、，机器人分析和仿真软件ROBCAD、IGRIP、CimStation等。计算机技术改变了机构学传统的研究方法，并与现代试验技术紧密结合。使原来不可能求解的机构变为可能，数学也成为机构学理论不断完善的基础。现代机构学更注重考虑多因素的动态设计和动态分析，力求提高机器的实际工作效能。在机构性能试验、测试方法及装置上注重机构学理论研究与试验研究相结合，促进理论课题与改进产品性能的结合1 ,13。（3）国内研究现状。在平面与空间连杆机构的结构研究方面，我国在世界上占有一席之地，借助软件，在分析和设计平面连杆机构运动链以及自动生成结构类型方面取得颇丰的成果，如机构结构单元及拓扑结构特征研究、主动副存在的

39、准则、活动度类型及其判定、拓扑结构的同构判定、消极子运动链判定等。在满足拓扑结构要求的机构结构类型综合及其自动生成、机构创新设计方法学、结构类型优选等方面也有建树。在连杆机构的结构理论研究方面，我国已居世界前列，我国提出的新方法有：解析法与优化法结合的机构尺度综合法、机构装配构形与尺度综合的同伦法、图谱法、以及采用数值化图谱替代传统的连杆曲线图谱实现机构综合等等。在连杆机构运动分析方面提出单开链法、区间分析法、网络分析法和吴文俊消元法等新方法。空间7R机构位移方程式的完美形式也是我国学者提出的。在高速凸轮从动件运动规律的选定、基于模糊数学设计凸轮机构的方法、摆动从动件盘形凸轮机构优化设计等方面

40、我国学者取得好的结果，摆动从动件圆柱凸轮机构凸轮曲面的设计方法也有明显的进展。此外，高速分度机构的设计和各种组合机构（凸轮连杆、齿轮连杆、齿轮凸轮）的设计方法均取得了一些高水平的研究成果。在机构动力学方面，我国在凸轮机构动力学、从动件运动规律选择、动力学建模、动力响应求解和动力综合方法方面取得的进展。平面与空间连杆机构振动力的完全平衡法和振动力与振动力矩完全平衡法在理论上得到较圆满的解决，弹性连杆机构动力分析和运动稳定性研究也取得进展，同时考虑弹性和运动副间隙甚至弹流状态的动力分析已有初步成果。在机器人机构学方面，我国的机器人学研究早期是从机器人机构学即多刚体运动学、动力学和仿真起步的，我国机

41、器人学的研究始终关注和跟踪世界潮流的进展。20世纪80年代末期进行了焊接、喷涂、装配机器人以及谐波减速器、十字交叉滚子轴承、伺服电机与驱动器等的技术攻关。20世纪90年代机器人研发扩展到特种机器人、步行机器人、微机器人、柔性手爪、变位机、多机器人系统等等。工业机器人设计软件包和机器人应用工程取得了一些可喜的成绩。在并联机器人机构学研究方法上建树颇多，如运动影响系数法、少自由度并联机器人机构运动的螺旋法、主螺旋的识别和表示问题、一般线性奇异的研究等。我国几乎与国外同时发表了一般66型平台并联机器人机构输入输出位移方程为20次形式的结论，1997年我国第一台大型镗铣类虚拟轴机床的原型样机问世。在冗

42、余度机器人的逆运动学、关节轨迹规划，以及考虑关节弹性的多机器人协调操作、变几何桁架机器人工作空间和灵巧性的理论和应用等方面我国学者的成绩也相当引人注目。在新机构的研究方面，特种机器人为机构的创新提供了广阔的天地，我国有关单位正在研究开发水下自主机器人、步行机器人、壁面爬行机器人、主从遥控移动作业机械手、管道机器人、伐树根机器人、外科手术机器人系统等。航空航天事业对变胞机构提出需要，大型卫星天线的研究在我国由来已久，桁架结构的研究也有基础。折叠式伸缩臂、冗余度变几何桁架机器人也引起我国学者的兴趣。（4）国内存在的差距。我国在该领域的多个方面与国际先进水平比较还存在差距，特别是在应用层面上有较大差

43、距。具体体现在：机构设计方法学的研究不够系统，从总体上影响了对机构的创新设计；我国尚无体现设计方法学的、自有知识产权的大型商用软件棉世。在标准化、模块化、系列化设计方面的工作进展也较为缓慢。缺乏必要的样机或原型以验证理论的正确性、可靠性。即便有样机，研究的连续性也不够，急于求成，浅尝辄止。如步行机机构学的研究，由于20世纪90年代中期阶段性停顿，目前与日本、美国相比有一定的差距。复杂机构研究的成功还受到传感器、控制等系统集成技术的制约。例如多指多关节灵巧手、双足步行机器人的研究，关键在传感器及其融合技术。发表的论文所提出的理论难以得到精心设计的实验和令人信服的实验数据的有力支持，更多的验证手段

44、仅是依赖仿真。总体上基础工业薄弱，单元开发的技术支持软弱，样机的产业化转化进程缓慢。新颖机构的发明创新不多，原始创新成果较少1。1.2.3 国内、外减速器的研究现状减速器是机械系统的重要组成部分，它直接影响机械系统的性能。齿轮减速器是把机械传动中的原动机和工作机或执行机构联接起来，通过不同齿形和齿数的齿轮以不同级数传动，实现定传动比减速（或增速）和起匹配转速和传递扭矩的作用，减速时称减速器（增速时称为增速器）。齿轮减速器由齿轮、轴、轴承及箱体等零部件组成。由于计算机技术、信息技术和自动化技术的广泛应用，改变了制造业的传统观念和生产组织方式。一些先进的齿轮生产厂家已经采用精益生产、敏捷制造、智能

45、制造等先进技术，形成了高精度、高效率的智能化齿轮生产线和计算机网络化管理，使得齿轮减速器技术的发展将不断跃上新的台阶7，10。当前齿轮减速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问题。当今世界各国齿轮和齿轮减速器向着高承载能力、高齿面硬度、高转速、高精度、高可靠性、高效率、低成本、低噪声、标准化和多样化方向发展，即六高、二低、二化发展的总趋势。减速器和齿轮的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的工业水平21。国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题

46、，也未解决好。日本住友重工研制的FA型高精度减速器，美国Alan-Newton公司研制的X-Y式减速器，在传动原理和结构上与连杆凸轮减速器类似或相近，都为目前先进的减速器。 当今国外的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。因此，除了不断改进材料品质、提高工艺水平外，还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新。减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式，并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品。但目前超小型的减速器的研究成果尚不明显，仅在医疗、生物工程、机器人等领域中，微型发动机基本研制成功，美国和荷兰近期研制的分子发动机的尺寸在纳米级范围，如能辅以纳米级的减速

47、器，则应用前景远大5。自20世纪60年代以来，我国先后制订了JB1130-70圆柱齿轮减速器等一批通用减速器标准，除主机厂自制配套使用外，还形成了一批减速器生产厂家。我国现有齿轮生产企业613家（其中国有与集体所有的大中型企业110家，国有、集体所有的小企业435家，私有企业48家，三资企业25家）。生产减速器的厂家有数百家，年产通用减速器近百万台，年生产总值约300亿元，这些企业和厂家对发展我国的机械产品作出了贡献13。但我国在这方面和世界先进水平还有一定的差距，主要表现在以下三方面：首先，20世纪60年代的减速器大多数是参照苏联20世纪4050年代的技术制造的，后来虽有所发展，但限于对当时

48、的设计、工艺及装备条件，其总体水平与国际水平有较大差距；其次，国内的减速器，多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题；第三，我国材料品质和工艺水平上还有许多弱点，特别是大型的减速器问题更突出，使用寿命不长。因此我国总体水平与国际水平有较大差距21。改革开放以来，我国引进了一批先进的加工装备。通过不断引进、消化和吸收国外先进技术以及科研攻关，开始掌握了各种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术。材料和热处理质量及齿轮加工精度都有较大的提高，通用圆柱齿轮的制造精度可从JB179-60的89级提高到GB10095-88的6级，高速齿轮的制造精度可稳定在45级。部分减速器采用硬齿面后，体积和重量明显减小，承载能力、使用寿命、传动效率有了大幅度的提高，对节能和提高主机的总体水平起到明显的作用。国内使用的大型减速器（500kw以上），多从国外（如丹麦、德国等）进口，花去不少的外汇。20世纪60年代开始生产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器具有传动比大，体积小、机械效率高等优点。但受其传动的理论的限制，不能传递过大的功率，功率一般都要小于40KW。由于在传动的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本上解决传