急回特性

第一章緒論.....................................................................................................................................2

1.1研究意義...........................................................................................................................2

1.2振動特性的研究現狀........................................................................................................2

第二章．四連桿機構介紹...............................................................................................................3

2.1基本概念.............................................................................................................................3

2.2平面四桿機構的基本特性................................................................................................4

2.2.1曲柄存在條件（格拉肖夫條件）........................................................................4

2.2.2急回特性及行程速比系數K..................................................................................5

2.2.3壓力角和傳動角......................................................................................................7

2.2.4死點.........................................................................................................................8

第三章四連桿機械振動的特性...................................................................................................10

3.1機械加工振動的表現和特點..........................................................................................10

3.1.1強迫振動...............................................................................................................11

3.1.2自激振動................................................................................................................11

3.2振動產生的原因分析.......................................................................................................12

3.2.1強迫振動產生的原因............................................................................................12

3.2.2自激振動產生的原因............................................................................................12

3.3預防措施...........................................................................................................................13

3.3.1預防強迫振動的途徑............................................................................................13

3.3.2預防自激振動的途徑............................................................................................13

第四章四連桿機械振動的控制策略...........................................................................................14

4.1研究現狀...........................................................................................................................14

4.1.1振動被動控制........................................................................................................14

4.1.2振動主動控制........................................................................................................15

4.1.3振動混合控制........................................................................................................18

4.2結論..................................................................................................................................18

第五章小結...................................................................................................................................18

致謝............................................................................................................................................20

參考文獻.........................................................................................................................................20

第一章緒論

1.1研究意義

四連桿機構在通用機械、紡織、食品、印刷等工業領域有著廣泛的應用，是機構運動彈

性動力學的一個主要研究對象。連桿機構高速運行時，在外力與慣性力作用下，構件會發生

不可忽略的振動。為提高軌跡精度，減小振動，使機構能夠準確、高效的工作，必須對這種

有害的振動響應加以控制。目前基于四連桿機構振動特性分析的機構運動彈性動力學研究正

日趨完善，但如何改善機構的動態特性，有效地抑制彈性機構的有害振動，是機構學界面臨

的一個重要的研究課題。

節約能源和原材料、提高效能是當前世界經濟、軍事和科技發展面臨的關鍵課題。目前，

從傳統的機械制造業到航空航天技術領域、建筑設計、機器人制造等精密機械，低剛度與柔

性化是這些領域內結構設計制造的一個重要發展趨勢。這些輕型結構可以增加有效承重載荷

的重量，提高運載工具的效率，消耗的能源減少，生產成本降低，運行精度提高。但是同時

這類結構的設計、制造和使用帶來了一系列新的問題，諸如:結構模態阻尼減小，柔性增大，

大振幅的振動響應持續時間長，結構疲勞問題嚴重影響系統的精度和使用壽命，甚至誘發相

關部件的損壞。特別對于高速機械和機器人領域，由于承載能力加大，造成設備整機剛度降

低，不平衡質量引起的自激振動加劇，振動引起的彈性變形不僅影響了機構的軌跡精度和定

位精度，延遲了機構穩定工作時間，破壞系統運行的穩定性和可靠性，同時降低了工作效率

和整機的使用壽命。對有害動態響應的消減是機械動力學研究的重要問題。

1.2振動特性的研究現狀

連桿機構可以實現復雜的運動規律，且加工簡便、強度高、可靠性大，所以廣泛地用

于農業、紡織、輕工、重型、冶金、精密等各機械行業中.但在在高速運行條件下，機構的

彈性動力響應不僅使機構的運動軌跡產生偏差，同時還會造成構件疲勞破壞。為獲得高速運

轉條件下，高精度的運動軌跡和較小的振動響應，機構學界先后采用被動控制和主動控制兩

種方式抑制連桿機構的彈性振動。被動控制具有成本低，易實現，無需外部能源，能夠較好

的抑制高頻模態響應等優點，但對外界環境變化的適應性差，對低頻模態的抑制效果有限，

然而研究發現:彈性連桿機構的低頻模態對機構彈性振動響應的貢獻較大。隨著材料科學的

發展，含機敏材料機構的振動主動控制技術因其設計靈活、對低頻和寬帶隨機振動響應抑制

效果顯著、能滿足特殊的控制要求等優越性而得到了廣泛重視。將振動主動控制思想引入彈

性連桿機構振動響應的控制研究中，給機構學界注入了極大的活力。彈性連桿振動主動控制

是基于一定的控制策略，根據對彈性連桿機構振動響應的測量信息，通過外界的能量輸入對

機構施加一定的控制力，使控制系統與機構本身構成同一整體，從而改變機構的動力學特性。

它涉及機構動力學、控制理論、材料科學以及作動傳感技術的交叉學科，有著誘人的發展

前景。目前該領域的研究還處于理論研究和仿真計算階段，開展實驗研究的很少。因此，根

據實際彈性機構(粘貼或埋入傳感材料和作動材料，包含阻尼材料、復合材料等)建立較為精

確的非線性動力學模型，提高控制方法的警棒性‘實時性和自適應性，增強機構的抗振特性，

已成為彈性連桿機構振動控制面臨的一個墮待解決的問題，也是機械、航空航天及軍事工業

等領域設計良好產品必須解決的關鍵問題之一。系統深入地開展這方面的研究，具有重要的

理論意義和實際應用價值。

第二章．四連桿機構介紹

2.1基本概念

平面四連桿結構是由四根桿件（圖2-1）1、2、3、4借助于轉動副（2-1中的A,B,C,D）

依次連接（鉸銷連接）而成，每個鉸銷的軸都互相平行，從而使活動桿件都在互相平行的平

面上運動。在四根桿件中，不論把那根桿件作為基架（固定桿或基桿），而把另一桿作為原

動桿，那么其余的活動桿都作一定的強制運動。因此平面四連桿運動鏈在選定了固定桿和原

動桿之后，就構成了平面四連桿機構。此外，又由于轉動副屬于V級的低副，所以平面四連

桿機構時屬于低副的平面機構。

圖2-1四連桿機構

1，3—連架桿2—連桿

2.2平面四桿機構的基本特性

2.2.1曲柄存在條件（格拉肖夫條件）

①最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和；（桿長之和條件）

②連架桿與機架中必有一桿為最短桿。（最短構件條件）

圖2-2曲柄搖桿機構

圖2-2曲柄搖桿機構中，設各桿長度依次為l1、l2、l3、l4，且l1

柄，則曲柄AB回轉一周過程中，必有兩次與連桿BC處于共線。據三角形兩邊之和大于第三

邊的定理，由△AC2D有

l3+l4>l1+l2

1

A

4

2

3

C

B

D

由△AC1D有

l2-l1+l4>l3

l2-l1+l3>l4

將上列三式整理，并考慮到四個桿件同時共線的情況，可得

l1+l2≤l3+l4

l1+l3≤l2+l4

l1+l4≤l2+l3將上三式兩兩相加，化簡得l1≤l2

l1≤l3

l1≤l

在鉸鏈四桿機構中，能作整周回轉的連架桿稱為曲柄。而曲柄是否存在。則取決于機

構中各桿的長度關系，即要使連架桿能作整周轉動而成為曲柄，各桿長度必須滿足一定的條

件，這就是所謂的曲柄存在的條件。

2.2.2急回特性及行程速比系數K

①機構的急回運動特性：

曲柄等速轉動時，搖桿往復擺動的平均速度不相同，反行程的平均速度較快，這種運動

稱為曲柄搖桿機構的急回運動特性。如下圖2-3所示

圖2-3四連桿急回特性

曲柄搖杯機構中，當曲柄AB沿順時針方向以等角速度轉過φ1時，搖桿CD自左極限

位置C1D擺至右極位置C2D，設所需時間為t1，C點的明朗瞪為V1；而當曲柄AB再繼續轉

過φ2時，搖桿CD自C2D擺回至C1D，設所需的時間為t2，C點的平均速度為V2。由于

φ1＞φ2，所以t1＞t2,V2＞Vl。由此說明：曲柄AB雖作等速轉動，而搖桿CD空回行程

的平均速度卻大于工作行程的平均速度，這種性質稱為機構的急回特性。

搖桿CD的兩個極限位置間的夾角ψ稱為搖稈的最大擺角，主動曲柄在搖桿處于兩個極限

位置時所夾的銳角θ稱為極位夾角。他們之間的關系如表2-1所以

表2-1參數關系

②行程速度變化系數K

（1）機構有極位夾角，就有急回特性；

（2）θ越大，K值越大，急回性就越顯著；

（3）θ=0、K=1時，無急回特性。

急回特性的作用：可以縮短非生產時間，提高生產率。

2.2.3壓力角和傳動角

在工程應用中連桿機構除了要滿足運動要求外，還應具有良好的傳力性能，以減小結構

尺寸和提高機械效率。下面在不計重力、慣性力和摩擦作用的前提下，分析曲柄搖桿機構的

傳力特性。如圖2-18所示，主動曲柄的動力通過連桿作用于搖桿上的C點，驅動力F必然

沿BC方向，將F分解為切線方向和徑向方向兩個分力Ft和Fr，切向分力Ft與C點的運

動方向vc同向。由圖圖2-4知

Ft=F或Ft=F

Fr=F或Fr=F

α角是Ft與F的夾角，稱為機構的壓力角，即驅動力F與C點的運動方向的夾角。α

隨機構的不同位置有不同的值。它表明了在驅動力F不變時，推動搖桿擺動的有效分力Ft

的變化規律，α越小Ft就越大。

壓力角α的余角γ是連桿與搖桿所夾銳角，稱為傳動角。由于γ更便于觀察，所以

通常用來檢驗機構的傳力性能。傳動角γ隨機構的不斷運動而相應變化，為保證機構有較

好的傳力性能，應控制機構的最小傳動角γmin。一般可取γmin≥40°，重載高速場合取

γmin≥50°。曲柄搖桿機構的最小傳動角出現在曲柄與機架共線的

兩個位置之一，如圖所示的B1點或B2點位置。

圖2-4四連桿壓力角和傳動角

偏置曲柄滑塊機構，以曲柄為主動件，滑塊為工作件，傳動角γ為連桿與導路垂線所

夾銳角，如圖所示。最小傳動角γmin出現在曲柄垂直于導路時的位置，并且位于與偏距方

向相反一側。對于對心曲柄滑塊機構，即偏距e=0的情況，顯然其最小傳動角γmin出

現在曲柄垂直于導路時的位置。

對以曲柄為主動件的擺動導桿機構，因為滑塊對導桿的作用力始終垂直于導桿，其傳動

角γ恒為90°，即γ=γmin=γmax=90°,表明導桿機構具有最好的傳力性能。

2.2.4死點

曲柄搖桿機構中，若以搖桿為原動件，當連桿與從動件（曲柄）共線時的位置稱死點位

置。這時機構的傳動角γ=0，壓力角α=900，即連桿對從動曲柄的作用力恰好通過其回轉中

心A，不能推動曲柄轉動。機構的這種位置稱為死點。機構在死點位置時由于偶然外力的影

響，也可能使曲柄轉向不定。死點對于轉動機構是不利的，常利用慣性來通過死點，也可采

用機構錯排的方法避開死點。

圖2-5四連桿死點位置

出現死點的利弊

利：工程上利用死點進行工作如快速夾具、飛機起落架等。

圖2-6死點的利用

弊：機構有死點，從動件將出現卡死或運動方向不確定現象，對機構傳動不利。

圖2-7死點的弊端

第三章四連桿機械振動的特性

在利用四連桿的機械設備進行加工過程中的振動會惡化加工表面質量，損壞切削刀具，

降低生產率。本文著重介紹振動的兩種類型，振動產生的原因及消除方法。

機械加工中的振動對加工表面品質和生產率有很大的影響，是一種十分有害的物理現

象。若加工中產生了振動，刀具與工件間將產生相對位移，會使加工表面產生振痕，嚴重影

響零件的表面品質和性能；振動使刀具受到附加動載荷，加速刀具磨損，有時甚至崩刃；同

時振動使機床、夾具等的連接部分松動，從而增大間隙，降低剛度和精度，縮短使用壽命，

嚴重時甚至使切削加工無法繼續進行；振動中產生的噪聲還將危害操作者的身體健康。為減

小振動，有時不得不降低切削量，使機床加工的生產效率降低。因此，研究分析機械加工中

的振動原因和特性，尋求控制振動的有效途徑是很有必要的。

3.1機械加工振動的表現和特點

振動分強迫振動和自激振動兩種類型。具體表現和特點如下。

3.1.1強迫振動

強迫振動是物體受到一個周期變化的外力作用而產生的振動。如在磨削過程中，由于電動機、

高速旋轉的砂輪及皮帶輪等不平衡，三角皮帶的厚薄或長短不一致，油泵工作不平穩等，都

會引起機床的強迫振動，它將激起機床各部件之間的相對振動幅值，影響機床加工工件的精

度，如粗糙度和圓度。對于刀具或做回轉運動的機床，振動還會影響回轉精度。

強迫振動的特點是：

①強迫振動本身不能改變干擾力，干擾力一般與切削過程無關(除由切削過程

本身所引起的強迫振動外)。干擾力消除，振動停止。如外界振源產生的干

擾力，只要振源消除，導致振動的干擾力自然就不存在了。

②強迫振動的頻率與外界周期干擾力的頻率相同，或是它的整倍數。

③干擾力的頻率與系統的固有頻率的比值等于或接近與1時，產生共振，振幅

達到最大值。此時對機床9O_T_過程的影響最大。

④強迫振動的振幅與干擾力，系統的剛度及阻尼大小有關。干擾力越大、剛度

及阻尼越小，則振幅越大，對機床的加工過程影響也就越大。

3.1.2自激振動

自激振動是由振動系統本身在振動過程中激發產生的交變力所引起的不衰減的振動，就

是0激振動。即使不受到任何外界周期性干擾力的作用，振動也會發生。如在磨削過程中砂

輪對工件產生的摩擦會引起自激振動。工件、機床系統剛性差，或砂輪特性選擇不當，都會

使摩擦力加大，從而使自激振動加劇。或由于刀具剛性差、刀具幾何角度不正確引起的振動，

都屬于自激振動。

自激振動的特點是：

①自激振動是一種不衰減的振動。振動過程本身能引起周期性變化的力，此力可從非交

變特性的能源中周期性地獲得能量的補充，以維持這個振動。

②自激振動頻率等于或接近系統的固有頻率，即由系統本身的參數決定。

③自激振動振幅大小取決于每一振動周期內系統獲得的能量與消耗能量的比值。當獲

得的能量大于消耗的能量時，則振幅將不斷增加，一直到兩者能量相等為止。反之振幅將不

斷減小。當獲得的能量小于消耗的能量時，自激振動也隨之消失。

3.2振動產生的原因分析

產生振動的原因復雜多變，根據機加工行業出現的振動現象及兩種不同類型振動的表現

形式，分析原因，大致如下：

3.2.1強迫振動產生的原因

①機床上回轉件不平衡所引起的周期性變化的離心力。如由于電機或卡盤、皮帶輪回轉

不平衡引起的。

②機床傳動零件缺陷所引起的周期性變化的傳動力。如因刀架、主軸軸承、拖板塞鐵等

機床部件松動或齒輪、軸承等傳動零件的制作

誤差而引起的周期性振動。

③切削過程本身不均勻性所引起的周期性變化的切削力。如車削多邊形或表面不平的工

件及在車床上加工外形不規則的毛坯工件。

④往復運動部件運動方向改變時產生的慣性沖擊。如平面磨削過程的方向改變或瞬時改

變機床的回轉方向。

⑤由外界其他振源傳來的干擾力。在鍛造車間附近，因空氣錘的振動引起其他機床的強

迫振動，甚至共振。

3.2.2自激振動產生的原因

①切削過程中，切屑與刀具、刀具與工件之間摩擦力的變化。

②切削層金屬內部的硬度不均勻。在車削補焊后的外圃或端面而出現的硬度不均現象，

常常引起刀具崩刀及車床自振現象。

③刀具的安裝剛性差，如刀桿尺寸太小或伸出過長，會引起刀桿顫動。

④工件剛性差。如加工細長軸等剛性較差工件，會導致工件表面出現波紋或錐度。

⑤積屑瘤的時生時滅，時切削過程中刀具前角及切削層橫截面積不時改變。

⑥切削量不合適引起的振動，切削寬而薄的切削易振動。

3.3預防措施

3.3.1預防強迫振動的途徑

強迫振動是由于外界周期性干擾力引起的，因此為了消除受迫振動，應先找出振源，然

后采取適應的措施加以控制。

①減小或消除振源的激振力。

對轉速在600r／min以上的零件如砂輪、卡盤、電動機轉子等必須經過平衡，特別是高

速旋轉的零件，如砂輪，因其本身砂粒的分布不均勻和工作時表面磨損不均勻等原因，容易

造成主軸的振動，因此對于新換的砂輪必須進行修整前和修整后的兩次平衡。提高齒輪的制

造精度和裝配精度，特別是提高齒輪的工作平穩性精度，從而減少因周期性的沖擊而引起的

振動，并可減少噪聲；提高滾動軸承的制造和裝配精度，以減少因滾動軸承的缺陷而引起的

振動：選用長短一致、厚薄均勻的傳動帶等。

②調整振源頻率。

避免激振力的頻率與系統的固有頻率接近，以防止共振。采取更換電動機的轉速或改變

主軸的轉速來避開共振區；用提高接觸面精度、降低結合面的粗糙度、消除間隙、提高接觸

剛度等方法，來提高系統的剛度和固有頻率。

③采用隔振措施。

機床的電機與床身采用柔性聯接以隔離電機本身的振動；把液壓部分與機床分開；采用

液壓緩沖裝置以減少部件

換向時的沖擊；采用厚橡皮、木材將機床地基隔離，用防振溝隔開設備的基礎和地面的聯系，

以防止周圍的振源通過地面和基礎傳給機床等。

3.3.2預防自激振動的途徑

①合理選用刀具的幾何參數

試驗和理論研究表明，刀具的幾何參數中，對振動影響最大的是主偏角Kr和前角γ0。

由于切屑越寬越容易產生振動，而Kr越小，切削寬度越寬，因此越易產生振動，前角γ0

越大，切削力越小，振幅也越小。

②提高工藝系統的抗振性工藝系統本身的抗振性能是影

響顫振的主要因素之一。應設法提高工藝系統的接觸剛度，如對接觸面進行刮研，減小

主軸系統的軸承間隙，對滾動軸承施加一定的

預緊力，提高頂尖孔的研磨質量等。加工細長軸時，使用中心架或跟

刀架，盡量縮短鏜桿和刀具的懸伸量，用死頂尖代活頂尖，采用彈性

刀桿等都能收到較好的減振效果。

③采用減振裝置

當采用上述措施仍然達不到消振的目的時，可考慮使用減振裝置。減振裝置通常都是附

加在工藝系統中，用來吸收或消耗振動時的能量，達到減振的目的。它對抑制強迫振動和顫

振同樣有效，是提高工藝系統抗振性的一個重要途徑，但它并不能提高工藝系統的剛度。

④調整振型的剛度比

根據振型耦合原理，工藝系統的振動還受到各振型的剛度比以及其組合的影響。合理

調整它們之問的關系，就可以有效地提高系統的抗振性，抑制自激振動。

機械加工過程產生的振動非常復雜，是需要日常的不斷分析和總結，根據不同情況分析

原因，采取措施加以消除和控制，以保證加工工件的質量要求，提高生產率，創造良好工作

環境。

第四章四連桿機械振動的控制策略

彈性連桿機構動態響應的消減始終是機器動力學的研究熱點之一。機構運動彈性動力學

(Kinetoelastodynamies，KED)理論提出后，學術界先后采取了以下幾種方法，以抑制連桿

機構的彈性振動:①優化構件的截面參數及幾何參數，即KED綜合。②利用復合材料取代常

規金屬材料。③對構件進行阻尼處理，即阻尼減振。④設計具有傳感器與作動器的機敏機構，

構造控制系統。⑤設計具有多個可控原動件的受控機構，構造控制系統。⑥基于完全動力分

析的運動規劃。其中，方法①一③屬于被動控制，方法④一⑥屬于主動控制。此外，綜合運

用主動、被動控制的混合控制方法，目前已成為振動工程一個新興的研究方向，并已在柔性

結構及柔性開鏈機構的振動控制中得到了應用。

4.1研究現狀

4.1.1振動被動控制

4.1.1.1KED綜合

KED綜合是最早出現的一種彈性連桿機構減振方法。70年代初，率先提出以機構最小重

量為設計目標的思想，并提出將動態運動誤差限定在許用范圍內的設計準則，把機構的截面

參數作為優化變量，利用非線性規劃的方法進行綜合。接著研究者借用結構設計領域的最佳

性準則法，減少了優化的迭代次數，提高了KED綜合的效率。有研究者將結構分析的靈敏度

矩陣方法引人機構分析，對最佳性準則法進行了改進。另一種KED綜合方法是

提出的以機構的彈性變形補償動態軌跡誤差的運動改善法，研究者FtnabashiH對該方法做

了不同程度的改進。對于同時存在應力約束與運動誤差約束的機構綜合問題，研究者

GrandinHT提出了一種優化設計方法，即利用最佳性準則法確定機構的截面參數以控制動

應力;以運動改善法對機構的幾何參數進行微小調整，使機構的真實運動逼近期望運動，從

而減小動態運動誤差。為避免共振，又有人提出了具有頻率約束的彈性連桿機構優化設計方

法。應該指出采用KED綜合方法，機構的低階諧振現象難以根除。

4.1.1.2復合材料的應用

復合材料的應用為高速彈性機構的設計提供了新的途徑。研究了由高分子復合材料構件

組成的彈性連桿機構的動態響應，利用復合材料高的比強度、比剛度與大的阻尼比有效地降

低了機構的彈性振動。可以預見，隨著材料科學的發展與制造技術的不斷完善，復合材料必

將得到日益廣泛的工程應用。但就目前而言，由于碳纖維等復合材料的價格比較昂貴，一般

工業領域還難以接受。

4.1.1.3阻尼減振

由于應用粘彈性大阻尼材料對系統進行阻尼處理具有簡單、可靠、價廉等優點，阻尼減

振技術已引起國內外學者的普遍關注。阻尼處理通常有自由阻尼、約束阻尼兩種辦法，后者

應用更為廣泛。對一高速曲柄搖桿機構的彈性連桿進行了約束阻尼處理，并對系統的動態響

應進行了數值分析。結果表明，該方法可有效抑制彈性構件的高頻振動。但是，對于一般彈

性機構，阻尼材料的結構形式、人方案、配置位置等還有待于進一步的研究。

4.1.2振動主動控制

近年，機構學界也借鑒了結構振動主動控制的思想，通過構造控制系統，為機構提供控

制輸人，最終使彈性構件的動態響應受到抑制。振動主動控制方法具有修正設計方便、抑制

低頻振動效果顯著、可適應未知擾動與參數不確定系統等優點，目前已在許多工程領域得到

了成功的應用。

4.1.2.1機敏機構

機敏機構(Smartmeehanisms)是基于仿生思想的一種新型機構，是機構智能化發展的一

個過渡階段。機敏機構可創成復雜的運動規律或運動軌跡，亦可用以改善機構的動力學品質。

學者SungCK以壓電元件為作動器與傳感器，對具有彈性搖桿的曲柄搖桿機構進行了振動主

動控制。學者ChenYC在搖桿中點的上下表面安裝一對壓電傳感器，并在搖桿另外兩點的上

下表面對稱安裝兩對壓電作動器。利用傳感器的壓電效應測定搖桿的動態應變，并由狀態觀

測器估計系統的狀態變量。采用LQR理論設計狀態反饋控制器，獲得系統所需的控制電壓，

即狀態反饋電壓與平衡剛體慣性力的前饋電壓。利用作動器的逆壓電效應產生控制力矩，最

終抑制搖桿的彈性振動。用兩片相同的壓電陶瓷安裝在彈性搖桿中點的上下表面，上片為作

動器，下片為傳感器，有限元分析時計人了壓電元件的影響。上述兩文獻皆以降低彈性搖桿

的一階振動模態為目標，因此作動器安裝位置較為合適。控制規律上，將慣性力對系統狀態

的影響作為高斯白噪聲處理，從而近似處理成LQG問題。將壓電薄膜貼于彈性構件的上下表

面分別作為作動器與傳感器，采用與類似的方法對具有彈性連桿的曲柄滑塊機構進

行了振動主動控制。由于選用的壓電薄膜壓電系數較低，仿真中求得的控制電壓峰值在千伏

以上，給實際應用帶來了困難。上述文獻的研究對象只含有一個彈性構件，故相當于對一個

具有周期性載荷的簡支梁進行了振動控制。北京航空航天大學的張憲民應用獨立模態空間控

制理論，對含有多個彈性構件的開鏈、閉鏈機構的振動控制進行了研究，取得了較好的仿真

效果，但試驗研究沒有開展。天津大學的唐力偉基于LQR一LQG理論，深人研究了具有多個

彈性構件的曲柄搖桿機構的振動主動控制問題，并在試驗研究方面取得了可喜的進展，曲柄

轉速為90r/nlin時，施控后機構輸出點的動態響應降低了50%一70%。天津大學的宋軼民以

具有壓電作動器與應變傳感器的平面彈性連桿機構為研究對象，系統地開展了基于神經網絡

的彈性連桿機構振動主動控制的理論、方法與試驗研究。根據試驗數據離線設計了神經網絡

辨識器與神經網絡開環、閉環控制器，采用基于神經網絡的直接自校正控制與間接自適應控

制策略實現了機敏機構的在線控制，機構的動力學品質得到了顯著改善。此外，YuanSQ和

Zhang.L研究了基于內模控制的彈性機構振動主動控制問題，將機構視為5150線性系統，

視慣性力為結構已知的周期性擾動，將擾動信號的拉氏變換包含于閉環系統的傳遞函數之

中，設計反饋控制器以抑制擾動引起的系統輸出。在試驗研究方面，率先以

壓電陶瓷為作動器，以電阻應變計為傳感器，采用輸出比例反饋控制策略，對具有彈性連桿

的曲柄滑塊機構在曲柄轉速為60、90及120r/min時進行了振動控制。試驗結果雖然沒有仿

真效果理想，但彈性構件的動態響應確實得到了一定控制，振幅降低了近20%。OliverJH

基于多變量最優控制理論，以壓電晶體作為作動器與傳感器，對具有彈性連桿的曲柄搖桿機

構進行了振動控制，取得了一定的試驗效果。目前，彈性連桿機構振動主動控制研究大多停

留于理論分析與計算機仿真，開展的試驗研究很少，僅有的幾例試驗研究控制效果都不理想。

試驗研究中，彈性機構的原動件轉速都比較低，和實際要求還相差較遠。

4.1.2.2受控機構

近年，受控機構學方面的研究日益增多。所謂受控機構，是指具有一個或多個可控原動

件的閉鏈機構。利用受控機構改善彈性連桿機構動力學品質的研究始于80年代后期，

OliverJH率先提出了“翻新設計”(Retrofitment)被控機構的思想。該文對具有彈性連桿

的四桿機構振動控制問題進行了研究，將搖桿處的固定鉸鏈改為沿機架運動的受控滑塊，由

微處理器輸出控制信號通過作動器作用于滑塊，而微處理器的輸出又與彈性構件上拾取的動

態響應相聯系，從而構成閉環反饋控制系統。研究以抑制連桿中點的準靜態響應為目標，進

行了系統的理論分析。結果表明，該方法基本消除了彈性構件的準靜態響應，但振動的幅值

并沒有多大改善，因此還需以復合材料構件取代金屬構件，使機構的動態響應變為小幅值的

等幅振動。利用這種設計思想，SoongK，研究了具有彈性搖桿的四桿機構的振動控制問題，

以降低搖桿中點的動態響應為目標，進行了相應的理論與試驗研究。這種“翻新設計”方法

改變了機構的形式，使原來的單自由度機構變成了具有一個可控原動件的雙自由度受控機

構。當然，該受控機構亦可稱為具有變長度機架的彈性連桿機構。此后，BorrnannJ研究了

具有變長度搖桿的彈性連桿機構振動主動控制問題，將搖桿處的固定鉸鏈改為垂直于機架運

動的受控滑塊，利用電阻應變計測量彈性連桿的動態響應，設計PD控制器抑制機構的彈性

振動，最終實現閉環反饋控制。類似地，天津大學的劉建琴研究了具有變長度曲柄的彈性連

桿機構的軌跡精度控制問題，建立了受控機構的非線性動力學模型，利用DFP優化方法離線

設計了曲柄長度的變化規律。計算機仿真與在線控制的結果表明，彈性連桿機構創成軌跡的

精度顯著提高。

4.1.2.3基于完全動力分析的運動規劃

歷來的KED分析大多孤立地研究彈性連桿機構本身的動力學，一般假定機構的原動件等

速回轉。DadoM提出的完全動力分析方法則計入了驅動力矩的特性，從而研究了電機一機構

系統的動力學。LiouFW和ErdmanAG分別對曲柄滑塊機構與曲柄搖桿機構開展了類似的綜合

性研究工作。為改善機構的動力學品質，有必要拋棄原動件等速回轉的假定，從而設計伺服

電機驅動的彈性連桿機構。基于完全動力分析的運動規劃方法在柔性機器人控制中應用較為

廣泛，但對于彈性連桿機構振動控制而言，這方面的研究才剛剛起步。岳士崗、白師賢等人

采用特定的輸人轉速函數，以改善彈性連桿機構的振動與平衡。在此基礎上，文獻利用最優

化方法設計了伺服電機的控制規律，以降低彈性連桿機構的振動響應。

4.1.3振動混合控制

NagarajanS指出，機構的彈性動力響應無法通過設計完全消除，因此必須進行主動控制。

主動控制方法雖然具有抑制低頻振動效果顯著等優點，但高頻響應的存在往往導致控制溢出

與觀測溢出，從而削弱了控制系統的穩定性。由于阻尼減振等被動控制方法能夠有效抑制系

統的高頻響應，可以在一定程度上緩解主動作動器的負擔，因此主、被動混合控制方法已成

為振動工程一個新的研究方向，并已在柔性結構與柔性機器人的振動控制中得到了成功應

用。目前，對于彈性連桿機構等閉鏈機構而言，這方面的理論與試驗研究還有待于進一步開

展。

科，交叉性極強，屬機械科學的前沿課題。目前，該領域尚有許多問題巫待解決，如:

(1)積極開展相應的試驗研究，增加控制效果的可信度。

(2)阻尼減振中，阻尼材料的位置、形狀及數目的優化設計。

(3)機敏機構傳感器與作動器的結構形式、配置位置及數目的確定。

(4)受控機構可控原動件的選擇及其運動規律的設計。

(5)混合控制建模與求解方法的進一步研究。

4.2結論

綜述了彈性連桿機構振動控制的研究現狀，對被動控制、主動控制及混合控制等減振方法進

行了深入分析，指出了研究中巫待解決的關鍵問題，對該領域今后的發展方向進行了展望。

第五章小結

本文簡要介紹了四連桿機構的基本感念，了解了四連桿機構的發展現狀，振動控制的研

究現狀，概述了四連桿機構的振動的分類，產生的原因以及預防方法，最后對被動控制、主

動控制及混合控制等減振方法進行了簡要分析，指出了研究中亟待解決的關鍵問題，對該領

域今后的發展方向進行了展望。

通過這次課程設計，我進一步理解了所學過的理論知識及具體運用了這些知識。通過這

次課程設計，自己對于設計人員所從事的工作有了親身的體驗，學會了查表資料手冊等

工具書。

總之，通過這次課程設計使我受益匪淺，為我今后的學習和工作打下了一個堅實而良好

的基礎。

致謝

本文工作是在導師邱老師的悉心指導下完成的，感謝邱老師在繁忙的工作中抽出時

間對學生進行教誨，邱老師淵博的知識、對科學事業的執著追求、嚴謹的治學態度和忘我的

工作精神給我留下了非常深刻的印象，在以后的工作和學習中將永遠鞭策著我。另外，邱老

師在學習和生活上對學生的關心、愛護使我深受感動。在此，向邱老師表示崇高的敬意和衷

心的感謝!

在課題的研究過程中，教研組的其他老師也給予了不少寶貴的建議，老師百忙之后

抽出時間幫助我解答了許多重要問題，在此特別向他們表示感謝，謝謝他們對我的指導。

感謝我的同門們，感謝他們在學習上對我的指導、幫助和關心!在論文完成過程中，給

予了很大的幫助和鼓勵，真的非常感謝。

借此機會，還要向我同窗三年的同學們和班主任荊老師表示衷心的感謝，謝謝他們

對我的關心和鼓勵，那是我成長道路上最大的一筆財富，真的非常感謝你們!

最后要感謝我的家人，謝謝他們的支持和鼓勵，特別感謝我的爸爸媽媽，感謝我的哥哥

和姐姐，這么多年來他們辛苦了!

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