扭矩平衡是機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究的經(jīng)典問(wèn)題�，F(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(dòng)平衡法和附加各種平衡構(gòu)件的主動(dòng)平衡法。這些方法中較為簡(jiǎn)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(dòng)慣量會(huì)給機(jī)器的起動(dòng)和制動(dòng)帶來(lái)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(wèn)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(lái)提出的主動(dòng)控制平衡法,是通過(guò)引入控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的扭矩平衡,其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(duì)已有平衡方法較難廣泛使用的考慮,通過(guò)繼承主動(dòng)控制思想的優(yōu)點(diǎn),提出將主動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)輪系主動(dòng)扭矩平衡裝置(OATBD)。此裝置由兩自由度的差動(dòng)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(jí),也即最低級(jí)。本文對(duì)此裝置的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了具體的描述；通過(guò)深入分析扭矩補(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(dòng)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(dòng)補(bǔ)償?shù)姆抡�；建立了相�?yīng)的設(shè)計(jì)步驟和流程,并通過(guò)算例對(duì)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(dòng)輪系主動(dòng)扭矩平衡裝置(IATBD)。此裝置也是由兩自由度的差動(dòng)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)上與減速器共用同一軸,故集成度為第二級(jí)。本文對(duì)此裝置設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了具體的描述；通過(guò)分析扭矩補(bǔ)償原理,提出了獨(dú)立設(shè)計(jì)差動(dòng)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(dòng)補(bǔ)償?shù)姆抡妫唤⒘讼鄳?yīng)的設(shè)計(jì)步驟和流程,并通過(guò)算例對(duì)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(tái)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(dòng)輪系減速平衡集成裝置(SDGT)。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(dòng)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(jí)行星齒輪傳動(dòng)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(jí)。本文對(duì)此裝置的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了具體的描述；通過(guò)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(dòng)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(dòng)補(bǔ)償?shù)姆抡�；建立了相�?yīng)的設(shè)計(jì)步驟和流程,通過(guò)算例對(duì)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(guò)利用兩對(duì)可產(chǎn)生變化傳動(dòng)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(jí),也即最高級(jí)。本文對(duì)此裝置的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了具體的描述；通過(guò)分析扭矩平衡原理,提出了獨(dú)立設(shè)計(jì)兩級(jí)非圓齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比函數(shù)和集成設(shè)計(jì)非圓齒輪傳動(dòng)比函數(shù)與變速軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)煞N優(yōu)化方法；建立了相應(yīng)的設(shè)計(jì)步驟和流程,通過(guò)算例對(duì)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(duì)非圓齒輪的設(shè)計(jì)加工和整個(gè)裝置的樣機(jī)研制,并進(jìn)行了初步的調(diào)試。 與減速器類(lèi)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(shí)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,可實(shí)現(xiàn)扭矩波動(dòng)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(shí),所提出裝置仍可主動(dòng)地平衡機(jī)器的扭矩波動(dòng)。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(shí),利用非圓齒輪傳動(dòng)所主動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速波動(dòng)效應(yīng)來(lái)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(dòng)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)用提供了一個(gè)新的技術(shù)途徑。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類(lèi)】：TH132.46
【文章目錄】：
ACKNOWLEDGMENTS
中文摘要
ABSTRACT
LIST OF FIGURES
LIST OF TABLES
NOMENCLATURES
LIST OF ABBREVIATIONS
1 INTRODUCT10N
    1.1 Literature Review
        1.1.1 Input Torque Balancing
        1.1.2 Non一Circu1ar Gears
    1.2 Motivation，Objeetive and Contribution
        1.2.1 Motivation
        1.2.2 Objective
        1.2.3 Contributi0n
    1.3 Outiine and Organization
        1.3.1 Outiine
        1.3.2 Organization
2 OUTPUT SHAFT TYPE ACTIVE TORQUE BALANCING DEVICE USNG SERVO一CONTROLLED DIFFER衛(wèi)NTIAL GEARTRA1N
    2.1 Configurati0n
    2.2 Analytical P10cess
        2.2.1 Input TorqueofthesystemwithoutOAI，BD
        2.2.2 InPut Torque 0fthe System With OAT，BD
    2.3 optimization Process
        2.3.1 Input Function Design
        2.3.2 Iniegrated Designof Structure Parametersand InPutFunetion
    2.4 Leaming Cont10l
    2.5 Design Examples
        2.5.1 Example 1
        2.5.2 Example 2
        2.5.3 Example 3
    2.6 Summary
3 NIPUT SHAFT TYPE ACTIVE TORQUE BALANCNIG DEVICE USNIG SERVO一CONTROLLED DIFFER五NTIAL GEAR TRAIN
    3.1 Configuration
    3.2 Analytical Process
        3.2.1 InPut Torque of the System Without IATBD
        3.2.2 InPut Torque 0fthe System With IATBD
    3.3 Optimization P10cess
eters Design'>        3.3.1 StrUcture P^eters Design
        3.3.2 InPut Function Design
        3.3.3 Iniegrated Designof StructUxe Parametersand InPut Funetion
    3.4 Learning Control
    3.5 Design Exam Ples
        3.5.1 Exam Ple1
        3.5.2 Example2
        3.5.3 Example3
        3.5.4 Exam Ple4
    3.6 Comparison of the OATBD and the IATBD
    3.7 Stlnlrnary
4 SERVO一CONTORLLED DIFFERENTIAL GEAR TRAING TORQUE BALANCIN G AND SPEED REDUCTION
    4.1 Configuration
    4.2 Analytical Process
        4.2.1 The SDGTWithoutthe Torque C0mpensation Unit
        4.2.2 The SDGT With the Torque Com Pensation Unit
    4.3 Optimization P10cess
        4.3.1 Structure Parameters Design
        4.3.2 InPut Function Design
        4.3.3 Integrated Designof StructUre Parametersand InPut Funetion
    4.4 Learlling Control
    4.5 Design Examples
        4.5.1 Example 1
        4.5.2 Example2
        4.5.3 Example3
    4.6 Comparison of Differeni hitegrated StructUIes
    4.7 Summary
5 NON-CIRCULAR GEAR DEVICE INTEGRATEING TORQUE BALANCINE AND SPEED REDUCTION
    5.1 Configuration
    5.2 Analytical Process
        5.2.1 InPutTorqueofthesystemwithordinary Cireular Gear Redueer
        5.2.2 Input Torque 0fthe System With NGD
    5.3 Optimization Process
        5.3.1 Transmission Function Design
        5.3.2 Integrated Design of Transmission Funetion and Momeni of Inertia of the variable一sPeedshaft
    5.4 Design Exaxnples
        5.4.1 Example 1
        5.4.2 Example 2
        5.4.3 Example 3
        5.4.4 Example 4
        5.4.5 Example 5
        5.4.6 Example 6
    5.5 Comparisonofthe NGDandthe F1yWheel
        5.5.1 Speed F1uctuation Parameter
        5.5.2 Moment oflnertia0f F1ywheel
        5.5.3 Comparative Example
    5.6 Summary
6 PROTOTYPE
    6.1 Prototype of NGD
        6.1.1 Design Process 0fthe Tooth Profile
        6.1.2 Design and MallufactUre 0fthe Non一Circular Gears
        6.1.3 Manufacture 0fthe Prototype
    6.2 Prototype of IATBD
        6.2.1 Setup of the Hardware
        6.2.2 Setup of the Software
    6.3 Summary
7 CONCLUSIONS AND SUGGESTIONS
    7.1 Conclusions and Diseussions
    7.2 Suggestions and Future Work
REFERENCES
APPENDIX:EXTENDED ABSTRACT（in Chinese）
CUIUUCULUM VITAE
作者簡(jiǎn)歷
學(xué)位論文數(shù)據(jù)集

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2890453