滚珠丝杆传动机构的运动学优化[外文翻译].doc

滚珠丝杆传动机构的运动学优化
D. Mundo, H.S. Yan
摘要
本文提出了一种机械传动机构运动学优化方法，适用于使用非圆柱齿轮机械控制输出运动的传动机构。陈述的调查研究用于滚珠丝杠传动机构的运动控制。目标是通过设计一对变半径齿轮作为驱动机构，来降低丝杆的最大加速度。滚珠丝杆机构的运动学特性通过非三维运动方程的方法来分析，以把最优化问题方程化。用遗传演算法优化目标函数，并用惩罚函数法来约束设计条件。
最优机构的运动学分析显示，与在常速度运转的定螺距丝杆相比，最优机构丝杆的峰值加速度降低了37%。使用运动学仿真来验证这个方法。

关键词：滚珠丝杆传动；运动优化；遗传算法；非圆柱齿轮

1.引言
工业上高生产率和高品质的追求促使研究人员探讨有效的机构设计方法，以提高自动化机器的性能。改善输出运动特性的传统方法是建立在输入速度为常数的假设上，并且要求重新设计和制造具有更好运动学或动力学特性的不同机构。Mills[1]等人提出的弹性凸轮机构优化设计就是一个例子。
解决这个问题的一个不同方法是，通过设计了一个变输入/输出驱动系统来主动控制机构输入速度。1956年，Rothbart[2]提出了使用Withworth急回运动机构提供给凸轮一个可变输入速度，从而减小凸轮的尺寸和压力角。后来，Tesar 和Matthew[3]推断出分析可变输入凸轮-从动件机构的运动方程。
伺服电机及其控制系统的快速发展驱使研究者设计伺服-集成机构，其特征是输入速度由电脑控制。1994年，Chew 和 Plan[4]使用伺服电机使高速电热压焊机的剩余振动最小化,而Yan等人[5、6]证明从动件的动力学特性由凸轮的速度曲线决定。此外,他们提出通过设计最优化计算机控制的输入速度函数来主动控制凸轮机构[7]的理论。
1990年，Kochev[8]提出要主动平衡平面连杆机构中的振动力矩和扭矩波动。而最近，Yao等人[9]研究了变速平面机构的动力学特性。
尽管有很多文献研究将变速输入函数作为运动优化的方法，但是很少有研究者关注将这一技术应用于滚珠丝杆传动。滚珠丝杆传动机构，一般由一个滚珠连杆构成，并且由一个曲柄滑块系统驱动，主要应用于一些工业。一个例子就是丝杆传动机构在纺织机械中的应用[10]。由于其运动特性的改善，变螺距丝杆普遍应用于商业用途。1993年，Yan和Liu[11]提出一种利用圆柱啮合原理来设计和制造变导程丝杆。他们进一步提出了滑块线性位移和丝杆转速之间的三次多项式关系。最近，Liu等[12]利用伺服电机主动控制曲柄滑块机构的输入速度，从而降低丝杆的峰值加速度。