主動扭矩平衡裝置與減速器的集成設(shè)計(jì).pdf

1、扭矩平衡是機(jī)械動力學(xué)研究的經(jīng)典問題。現(xiàn)有的平衡方法主要為優(yōu)化機(jī)構(gòu)內(nèi)部參數(shù)的被動平衡法和附加各種平衡構(gòu)件的主動平衡法。這些方法中較為簡單的如附加飛輪法,雖已在工程中廣泛使用,但飛輪巨大的轉(zhuǎn)動慣量會給機(jī)器的起動和制動帶來額外的負(fù)擔(dān)。而其它的一些方法雖能適當(dāng)?shù)母纳七@一問題,但卻普遍不能根據(jù)工況的變化和工作機(jī)的改變進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,且在結(jié)構(gòu)上不方便實(shí)施,故較難在工業(yè)界推廣應(yīng)用。近年來提出的主動控制平衡法,是通過引入控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器的扭矩平衡,其

2、在增加平衡效果的可控性和提高平衡裝置的適應(yīng)性方面都具有良好的作用。本文基于對已有平衡方法較難廣泛使用的考慮,通過繼承主動控制思想的優(yōu)點(diǎn),提出將主動扭矩平衡裝置與機(jī)器必需部件減速器在結(jié)構(gòu)與功能上集成為一體的新設(shè)計(jì)理念。此新思想的提出以期推動扭矩平衡技術(shù)的工程應(yīng)用。
　　 本文首次提出將扭矩平衡功能與減速功能集成設(shè)計(jì)為一獨(dú)立整體的設(shè)計(jì)思路,構(gòu)建了相應(yīng)的研究框架,并進(jìn)行了深入的理論分析和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究。根據(jù)扭矩平衡部件與減速部件的

3、位置以及共用元件數(shù)量的不同,提出了四種集成度依次遞進(jìn)的新概念裝置。此系列新型裝置在結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)立性,能方便地安裝和拆卸,且可在不影響原機(jī)器運(yùn)動特性的前提下實(shí)現(xiàn)扭矩平衡和減速的目的。
　　 首先提出輸出軸式伺服差動輪系主動扭矩平衡裝置(OATBD)。此裝置由兩自由度的差動輪系和提供可控功能的伺服電機(jī)組成,安裝于工作機(jī)構(gòu)的輸出軸上。因其在結(jié)構(gòu)上獨(dú)立于減速器,故集成度為第一級,也即最低級。本文對此裝置的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了具體的描述；通過深

4、入分析扭矩補(bǔ)償原理,提出了獨(dú)立設(shè)計(jì)伺服電機(jī)輸入函數(shù)和集成設(shè)計(jì)差動輪系結(jié)構(gòu)參數(shù)與伺服電機(jī)輸入函數(shù)兩種優(yōu)化方法；采用學(xué)習(xí)控制算法進(jìn)行了控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)扭矩波動補(bǔ)償?shù)姆抡?；建立了相?yīng)的設(shè)計(jì)步驟和流程,并通過算例對設(shè)計(jì)方案的可行性和設(shè)計(jì)方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 然后提出輸入軸式伺服差動輪系主動扭矩平衡裝置(IATBD)。此裝置也是由兩自由度的差動輪系和提供可控功能的伺服電機(jī)組成,安裝于工作機(jī)構(gòu)的輸入軸上。因其在結(jié)構(gòu)上與減速器共用同

5、一軸,故集成度為第二級。本文對此裝置設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了具體的描述；通過分析扭矩補(bǔ)償原理,提出了獨(dú)立設(shè)計(jì)差動輪系結(jié)構(gòu)參數(shù)、獨(dú)立設(shè)計(jì)伺服電機(jī)輸入函數(shù)以及集成設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)與輸入函數(shù)三種優(yōu)化方法；采用學(xué)習(xí)控制算法進(jìn)行了控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)扭矩波動補(bǔ)償?shù)姆抡?；建立了相?yīng)的設(shè)計(jì)步驟和流程,并通過算例對設(shè)計(jì)方案的可行性和設(shè)計(jì)方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證；完成了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺硬件部分的搭建和軟件部分的初步調(diào)試。
　　 隨后提出伺服差動輪系減速平衡集成裝置(SD

6、GT)。此裝置由扭矩補(bǔ)償單元和減速單元組成。其中,扭矩補(bǔ)償單元是由差動輪系與伺服電機(jī)組成,用于實(shí)現(xiàn)扭矩平衡功能；減速單元是由兩級行星齒輪傳動組成,用于實(shí)現(xiàn)減速功能。因減速單元與扭矩補(bǔ)償單元集成于同一獨(dú)立整體中,故集成度為第三級。本文對此裝置的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了具體的描述；通過分析扭矩補(bǔ)償單元的平衡原理,提出了獨(dú)立設(shè)計(jì)差動輪系結(jié)構(gòu)參數(shù)、獨(dú)立設(shè)計(jì)伺服電機(jī)輸入函數(shù)以及集成設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)與輸入函數(shù)三種優(yōu)化方法；采用學(xué)習(xí)控制算法進(jìn)行了控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)扭

7、矩波動補(bǔ)償?shù)姆抡妫唤⒘讼鄳?yīng)的設(shè)計(jì)步驟和流程,通過算例對設(shè)計(jì)方案的可行性和設(shè)計(jì)方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 最后提出非圓齒輪減速平衡集成裝置(NGD)。此裝置通過利用兩對可產(chǎn)生變化傳動比函數(shù)的非圓齒輪,將減速功能與扭矩平衡功能融合為一體,故其集成度為第四級,也即最高級。本文對此裝置的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了具體的描述；通過分析扭矩平衡原理,提出了獨(dú)立設(shè)計(jì)兩級非圓齒輪傳動的傳動比函數(shù)和集成設(shè)計(jì)非圓齒輪傳動比函數(shù)與變速軸轉(zhuǎn)動慣量兩種優(yōu)化方法

8、；建立了相應(yīng)的設(shè)計(jì)步驟和流程,通過算例對設(shè)計(jì)方案的可行性和設(shè)計(jì)方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證；完成了兩對非圓齒輪的設(shè)計(jì)加工和整個裝置的樣機(jī)研制,并進(jìn)行了初步的調(diào)試。
　　 與減速器類似,本文所提出的新型裝置具有結(jié)構(gòu)獨(dú)立,安裝拆卸方便的特點(diǎn),且可在不影響機(jī)器正常工作的情況下平衡系統(tǒng)的扭矩,其中SDGT和NGD兩種方案還可同時滿足機(jī)器減速的需求。在此系列裝置中,OATBD、IATBD和SDGT三種方案均引入了伺服控制系統(tǒng),且都具有通用性,可

9、實(shí)現(xiàn)扭矩波動的柔性補(bǔ)償,當(dāng)工作機(jī)發(fā)生改變或機(jī)器外部工況和內(nèi)部參數(shù)發(fā)生變化時,所提出裝置仍可主動地平衡機(jī)器的扭矩波動。NGD方案則是純機(jī)械式的裝置,可在滿足機(jī)器減速比設(shè)計(jì)需求的同時,利用非圓齒輪傳動所主動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速波動效應(yīng)來平衡機(jī)器的輸入扭矩。
　　 綜合而言,本論文提出一種新概念的集扭矩平衡功能與減速功能于一體的設(shè)計(jì)思想,并據(jù)此進(jìn)行了系統(tǒng)的主動扭矩平衡裝置與減速器集成設(shè)計(jì)研究,所提出的新型裝置為推進(jìn)扭矩平衡方法的工程應(yīng)用提供了一