基于局部输出小波特征参数的连杆机构开区间尺度综合研究

The study of methods for dimensional synthesis of linkage mechanisms is one of the key issues in mechanism research. As a branch of the atlas method, the numerical atlas method has several special advantages in solving the dimensional synthesis problems. But this method can only deal with the dimensional synthesis problems of integral period design requirements at present. In order to solve the problem, wavelet series theory and wavelet analysis method are introduced in the present study. Firstly, the characteristics of the arbitrary interval function output and path output of linkage mechanisms are described by the wavelet characteristic parameters. Then, the corresponding numerical atlas databases and the formulas which can compute the actual dimensions and arrangement parameters of the linkage mechanisms can be set up and deduced. Thus, based on the numerical atlas method and the formulas, the dimensional synthesis problems with arbitrary prescribed design interval can be solved. Subsequently, a unified approach for the dimensional synthesis problems, which applies to multi-position and arbitrary prescribed design interval (including the integral period and non-integral period), are obtained by combing the Wavelet series method and the Fourier series method. Based on the unified method, a computer aided design system can be developed. Finally, a roller feed mechanism for roller hemming and a position adjusting mechanism for adjustable seat are designed and manufactured to verify the validity and practicality of this approach. The research results will provide a theoretical guidance and technical support for the design and application of the linkage mechanisms.

连杆机构尺度综合方法研究是机构学研究热点问题之一。数值图谱法作为图谱法的一个分支，在尺度综合问题的求解中有其独特的优势。但对于开区间尺度综合问题，该方法很难保证指定区间的设计精度，这极大限制了其在工程中的应用。对此问题，本项目拟应用小波级数理论和小波分析方法，探索连杆机构开区间（非整周期区间）函数和轨迹输出特征参数提取方法、连杆机构开区间输出特征参数数值图谱建立方法以及机构尺寸参数理论计算方法。利用数值图谱和理论计算方法实现对连杆机构开区间尺度综合问题的求解。进而结合傅里叶级数进行连杆机构尺度综合的研究成果，给出一个完整的适用于多位置、任意给定设计区间（包括整周期区间和开区间）的连杆机构尺度综合方法。在理论研究基础上，开发相应的计算机辅助设计系统，并对轿车轮罩滚压包边设备的滚轮进给机构及可调座椅的位姿调整机构进行设计、加工及测试。项目的研究将为连杆机构的设计及应用提供理论指导和技术支撑。

连杆机构在重型机械、航空机械、农业机械、机器人等诸多领域有着广泛应用。在连杆机构尺度综合问题的求解中数值图谱法作为图谱法的一个分支有其独特的优势。但对于开区间尺度综合问题，该方法很难保证指定区间的设计精度，这极大限制了其在工程中的应用。对此问题，本项目基于Haar小波分析理论，提出了利用一维小波系数和二维小波系数描述连杆机构输出曲线（包括输出函数曲线和连杆轨迹曲线）的方法，并给出了连杆机构输出曲线小波系数的几何意义。通过分析连杆机构输出曲线与对应小波系数的关系，提出了连杆机构输出小波特征参数的级数选取机制。通过对机构输出曲线小波系数的分析，阐明了机构输出曲线小波细节系数和机构基本尺寸型之间的内在联系。在此基础上，分别为典型平面连杆机构、球面连杆机构和空间连杆机构的函数输出和连杆曲线输出建立了可调整开窗区间的动态输出特征数值图谱。通过给出目标机构基本尺寸型的匹配识别算法以及机构实际参数的理论计算方法，建立了一套常用连杆机构多位置、非整周期设计要求尺度综合问题的求解方法。该方法突破了精确点法存在的给定精确位置个数限制的制约；避免了近似综合方法涉及的非线性方程组求解、优化初值选取和迭代收敛性等问题；克服了曲线图谱法检索效率低和图谱中包含尺寸型数量有限的缺点；弥补了现有数值图谱法无法对特定给定设计区间进行尺度综合的不足。提出的输出小波特征参数法进行非整周期设计要求连杆机构尺度综合，平均综合用时约为370秒（包括连杆机构输出区间确定、特定区间输出特征数值图谱建立时间和匹配识别），平均相对综合精度达到0.1%。在理论研究的基础上，开发了界面友好、实用性强的连杆机构尺度综合计算机辅助设计系统。利用该系统设计了基于连杆机构的滚压包边滚轮进给机构、发泡件柔性伺服送料机构、工件传送放置机构等机构，并已应用于具有自主知识产权的汽车自动化生产线辅助设备，提升了自动化生产线的生产效率和自动化水平。