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在充分研究可調整機構、混合驅動機器和變速輸入伺服系統(tǒng)的一些研究成果后，交叉融合了他們的一些優(yōu)勢特點，提出柔性速度補償?shù)母拍�，它是這樣一類機器：是針對執(zhí)行機構的負載引起的速度波動進行適度柔性補償?shù)囊活悪C器，它不是調節(jié)原動機和執(zhí)行機構，而是在兩者之間單獨設計一個調速單元，這一單元由機械部分和控制部分組成，機械部分為一多自由度機構，由常速電機和伺服電機分別驅動，控制部分包括信息處理系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)，當原執(zhí)行機構的輸出速度產生波動時，檢測系統(tǒng)和控制器檢測判斷波動的大小、位置等數(shù)據(jù)，如果超過允許范圍時，由控制器控制伺服電機動作，經控制系統(tǒng)和多自由度機構實時協(xié)調配合，以產生一個反向速度波，和原速度波正好疊加抵消，達到適度柔性的速度補償目的，最終為執(zhí)行機構提供一較平穩(wěn)的速度輸入。
該類機器特點是：
(l）基本不改變原系統(tǒng)結構組成。原系統(tǒng)的原動機、執(zhí)行機構都不變，只在兩者之間另設計一調速單元，這樣不影響原系統(tǒng)的各項參數(shù)和性能，滿足原機械設計時所提出的運動、動力、強度以及空間等各方面的要求和限制。
(2）適當?shù)娜嵝暂敵瞿芰�。由于適度柔性機器的特性比較適合這一概念，所以集成了可調整機構、混合動力機器和變速輸入伺服驅動機構的一些特性，設計的調速單元無須調整執(zhí)行機構的結構參數(shù)，通過控制器控制調速單元即可輸出不同的運動規(guī)律。
(3）自適應能力。機構難以適應自身參數(shù)的漂移或外部工況的變化，雖然可以利用優(yōu)化技術獲得最優(yōu)的結構參數(shù)，但是誤差、磨損、工藝調整等諸多因素都可能導致其性能偏離最佳狀態(tài)。柔性速度補償系統(tǒng)則可以通過傳感器進行實時監(jiān)測，反饋給計算機重新調整輸入速度函數(shù)，以變應變。

柔性速度補償單元由兩部分組成，包括機械運動子系統(tǒng)、信息處理及控制子系統(tǒng)，其中后者又包括信息處理與控制、傳感檢測兩部分。其邏輯組成如圖2-l所示。

 

§2.2柔性速度補償裝置的組成和設計

由上述柔性速度補償?shù)母拍�，可以針對不同應用有不同的設計，特別是多自度機構的類型有多種，因此可以設計出多種形式的速度補償機器。本文以沖壓機械為應用對象，針對沖壓機械載荷特點，設計一種柔性速度補償裝置。
該裝置是以上柔性速度補償概念的一種具體化，以驗證這一概念的可行性甚至優(yōu)越性。
在這里該柔性速度補償裝置的特點可以簡述為，實質是一個二自由度機構，用一個等速電機驅動一個輸入構件，而另用一個伺服電機對另一輸入構件進行控制與調整，控制器和檢測系統(tǒng)判斷原執(zhí)行機構速度波動的狀況，根據(jù)波動情況實時控制伺服電機對二自由度機構的輸入速度和結構參數(shù)進行調整，得到可控制的速度波，以和原執(zhí)行機構的速度波疊加抵消，得到理想的速度輸出。

2.2.1組成原理

該柔性速度補償裝置設計為二個獨立的單元，安裝在減速器和執(zhí)行機構之間。如圖2-2所示，簡單而言其組成包括：一個二自由度機構、一個伺服電機、一個控制器以及三套編碼器�？刂破魍ㄟ^編碼器監(jiān)控二自由度機構的輸出軸（即執(zhí)行機構的輸入軸）的速度，若速度波動超過預設的許用值，則控制伺服電機調整二自由度機構的一個輸入，從而實現(xiàn)速度波動的柔性補償。

2.2.2設計流程

該柔性速度補償裝置的設計思路是：基于對沖壓機械某一類運行工況的分析選擇合適類型的二自由度機構，選型原則是在伺服電機所控制的輸入構件保持固定不動的情況下，該機構作為一個單自由度變傳動比機構將產生一個反向的速度波動以最大限度的抵消原來的速度波動；在此基礎上，控制器通過伺服電機對二自由度機構的一個輸入進行微調，若機械自身的結構參數(shù)或外部的運行工況發(fā)生變化，則重新調整使速度波動的幅度始終保持在許可范圍內。
該柔性速度補償裝置的設計流程如圖2-3所示，包括以下步驟：

步驟1、就某一類工況，對其中典型的負載特征，測出機械的實際運行速度和加速度，采集數(shù)據(jù)進行分析與處理。
步驟2、針對該運行工況選擇合適類型的二自由度機構，進行結構設計。

步矛3、控制伺服電機 對二自由度機構的一個輸入進行微調，補償速度波動。

步驟4、傳感器檢測的實際運行速度，若不超過速度波動許用范圍，則當前運動周期結束，進入下一個周期；否則，繼續(xù)控制伺服電機進行速度補償。

本論文在設計該柔性速度補償裝置的整個過程中，各個環(huán)節(jié)都是嚴格按這一程序推進的。

§2.3機構選型

該柔性速度補償裝置可分為機械部分和控制部分，機械運動系統(tǒng)的選擇適當，才能為機器功能的柔性化提供可能，它是柔性化得以實現(xiàn)的物質基礎，因此機構的選型設計是整個機械設計中的重要一環(huán)。作為一部機器，其機械運動是功能實現(xiàn)的核心手段，而機構是機械運動的載體�，F(xiàn)代機器很多時候需要在功能上增強柔性，計算機技術和伺服驅動技術的進步為機器的柔性化功能提供了更多的可能，而同時，機械運動系統(tǒng)和機構學自身的發(fā)展是機器功能柔性化的重要依托。由此可見，機構選型是該柔性速度補償裝置整體設計中很關鍵的部分。

2.3.1機構的創(chuàng)新設計方法

通常一些有經驗的工程師可以通過自己的經驗來設計機械，當工程師面對一項計劃時，經驗是產生設計概念的最佳方法。
沒有經驗的工程師可以從傳統(tǒng)的理性化方法出發(fā)來解決問題，通過分析現(xiàn)有設計、資料收集和檢核表方法，以及通過閱讀、思索、觀察修理裝置，研究眾多產品的工作原理等途徑來獲取經驗。
此外，還可以應用創(chuàng)造性設計法，如屬性列舉法、型態(tài)表分析法和腦力激蕩術，來輔助在概念設計階段產生構想。
本文則采用顏鴻森與黃以文提出的一套程序化的創(chuàng)造性設計法來完成設計，它可用于系統(tǒng)地構想出符合特定設計要求與約束，并與可行的現(xiàn)有設計完成相同或相似任務的機械裝置全部可能的拓撲構造。
設計流程如圖2-4所示，主要的步驟如下：
(1）一般化，是指將具有機件和運動副的原始機械裝置，轉化為只有一般化連桿和一般化（運動）副的機構，這樣形成的閉環(huán)鏈稱為一般化（運動）鏈。
(2）數(shù)綜合，是綜合出與原始一般化鏈的桿數(shù)及運動副數(shù)相同的全部可能的一般化鏈，歸納出它的拓撲構造，組成圖譜。
(3）特定化，是分配類型的機件和運動副至每個可行的一般化鏈，以找出符合特定設計要求的特定化鏈。
(4）具體化，將每種可行的特殊化運動鏈轉換成所對應的機構簡圖，以獲得可行的機構。
總之，依據(jù)這一設計流程，一按照設計要求和約束，確定出來的機構就是一種具有創(chuàng)造性的機構。

2.3.2選型方案

根據(jù)柔性速度補償裝置的設計特點和沖壓機械的載荷特征，認為選型原則是，在伺服電機所控制的輸入構件保持固定不動的情況下，該機構作為一個單自由度變傳動比機構就可產生一個反向的速度波動，以最大限度的抵消原來的速度波動，只在參數(shù)或工況變化時，伺服電機才動作，提供補償運動，驅動第二輸入進行微調。
按照設計要求，首先選擇二自由度機構。
對于二自由度的裝置：
簡單（5,5）運動鏈有l(wèi)個；((5,5）表示5桿5副，下同）

簡單（7,8）運動鏈有3個；
簡單（9,11）運動鏈有40個……
對于（5,5）來說，只有一種連接方式，作為一種混合動力驅動系統(tǒng)已有人做過研究，在本論文中，不能滿足設計要求，因此不可�。欢�（9,11）及以上又有40個（或更多）運動鏈之多，且構件多結構復雜，研究起來非常困難，暫不考慮；先考慮（7,8）七桿八副機構，其構建數(shù)量不是太多，結構不是太復雜，共有3個運動鏈（如圖2-5),特定化后又有11種（排除同構的機構）特定化導出機構，可以從中選擇可能適合的方案，因此以下將對（7，8）來詳細分析研究。

由（1）圖，取不同的構件為機架，經過特定化后，可轉化為三種導出機構，如圖2-6。

由（2）圖，取不同的構件為機架，經過特定化后，可轉化為四種導出機構，如圖2-7。

由（3）圖，取不同的構件為機架，經過特定化后，也可轉化為四種導出機構，如圖2-8。

經過對以上11種機構的分析比較，并參考一些實際設計結構，認為可以有以下三種備選方案。

方案一：將（3）-（a）一般化鏈的所有連桿標號，再分配其中三副桿1作為機架，哪圖2-9（a）所示，這樣特定化后，再進一步轉化為（b）圖所示的裝置，連桿5改為滑塊，桿2作為第一輸入，第二輸入可以設定是滑塊5在桿4上的移動，可由伺服電機驅動，桿7作為輸出桿，可以滿足設計的初步要求。

經查閱資料，發(fā)現(xiàn)類似于該機構，L.C.Dulger等人已經做過一些研究，而且也以沖壓機械為應用對象，在他們的一篇文章里有比較詳細的介紹，模型結構如圖2-10，但因為應用情況不同，本文不宜采用這種機構。

方案二：同樣，將圖（1）-（b）的一般化運動鏈，如圖2-11所示，特定化后，轉化為右邊（b）圖的平行機構結構簡圖，桿1為輸入桿，三副桿設計為一螺旋桿，和固定于地面的螺旋滑塊連接，由伺服電機驅動，這樣桿3的長度可調，從而作為輸出的桿6輸出速度可調。

這種平行桿機構理論上正確，但是實際上運行時會產生奇異，不能實際采用，因此轉化為如圖2-12所示的這種中心對稱的連桿機構。并在adams軟件下建立了模型如圖2-13，經分析認為該機構完全對稱的結構特征，更適合于一般情況下的速度等速傳遞，不適合在沖壓工況下應用，所以這種結構也決定不采用。

方案三：在眾多已有機構類型篩選當中，發(fā)現(xiàn)機構式脈動無級變速器中的一種：三相并列連桿式（GUSA）脈動無級變速器采用的機構可以供鑒。這咱變速器設計原理為：采用三相并列結構，作為輸入機構的是相位差為120度的三曲拐曲軸，每個曲拐帶動一套Ⅲ級七桿機構，如圖所示是（7,8）圖譜中（1）的一種同構機構，圖2-14顯示了它的轉化和各桿件的標號，可以與圖2-15結構簡圖——對應。

圖2-15顯示是其中一套傳動機構的機構簡圖，該機構有兩自由度，動力機驅動曲柄l，作為“輸入1”,“輸入2”是一螺旋機構，將輸入的旋轉運動轉化為桿7的往復運動，改變滑塊3在水平方向的位置，從而改變機構的桿長比例，使得桿5的輸出速度發(fā)生變化，達到變速的目的。桿5是擺動桿，且輸出速度并不平穩(wěn)，所以變速器是由三套連桿機構以相位差120度三相組成，桿5又兼做超越離合器的外環(huán)，經超越離合器濾波后產生一較平穩(wěn)單向脈動轉動輸出，輸出軸的瞬時轉速等于三相七桿機構中與輸出軸的相對轉才最大的搖桿擺動角速度，如圖2-16所示。

受此啟發(fā)，并基于可調整機構的原理，經過適當?shù)恼{整，如圖2-17所示，認為圖2-18所示的連桿機構可以滿足設計需求。
“輸入1”不變，“輸入2”改為伺服馬達驅動，并修改結構將桿1和桿5均設計為曲柄，將滑塊6調整到桿5上，保證雙曲柄存在，這樣單相即可，也不需離合器；又因柔性速度補償裝置僅作速度補償，不承擔減速的任務，故采用對稱結構，這樣桿5的輸出速度和桿1的輸入速度相差不大，保證速度基本是等速傳遞的。工作時，根據(jù)分析設定滑塊3的初始位置，使桿5輸出一個反向的速度波，可選擇性地抵消原機械產生的速度波。若機械參數(shù)或運行工況發(fā)生變化，則控制伺服馬達調整輸入2，滑塊3左右移動，進行微調。從而，通過兩臺電機的耦合作用及與機構的恰當配合產生一理想的速度波動，與原速度波相互抵消，使輸出速度保持在許用的波動幅度范圍內。