少齿差刚柔复合摆线减速器变形协调设计及自适应控制

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目前我国高端装备关键传动装置仍然不得不从国外进口,存在着关键技术受制于人的巨大风险,使用国产产品又使装备性能大打折扣,因此高可靠精密减速器的研究已成为社会发展迫切需要解决的关键瓶颈技术问题,对打破技术封锁和垄断,为促进技术进步具有重要科学意义和工程实用价值。本文以NN型少齿差行星减速器为研究对象,经过齿廓设计与优化,结合变形协调设计方法,建立了刚性和刚—柔复合传动模型,利用多体动力学分析软件对比分析刚性和柔性的动力学特性,并研制样机进行综合传动性能试验,针对刚—柔复合传动系统存在非线性问题进行自适应控制。论文主要工作如下:(1)使用四阶复合摆线曲线作为高可靠精密传动齿轮齿廓,对齿廓进行了详细分析,包括齿形特点、求解共轭方程、啮合线方程、齿廓修形、啮合特性分析与优化,接触应力影响规律分析与优化,以高承载、小侧隙、良好的齿面接触应力为目标,对齿廓参数和修形量进行合理选择。(2)对标CSD-17谐波减速器,进行刚性少齿差行星减速器结构设计,在此基础上结合变形协调设计方法,采用柔性金属橡胶构件与刚性构件复合的齿轮传动形式,设计刚—柔复合传动模型,考虑加工制造误差和温升变化计算齿圈间隙,并计算柔性构件的弹性模量。简化刚性和刚柔复合模型,建立虚拟样机进行动态特性仿真分析,分析结果表明刚柔复合结构在输出角速度、输出齿轮啮合力、输入扭矩的波动更小,输出更加平稳。(3)进行刚性和刚—柔复合少齿差摆线减速器样机研制,测试工装设计加工,开展减速器综合传动性能试验测试,测试减速器启动力矩、传动精度、刚度回差、效率性能,对测试结果进行了分析,得到刚—柔复合结构的综合传动性能优于刚性结构,重载时二者刚度相当,但在轻载时刚度呈非线性变化,相比刚性有待提升,最后对样机提出改进措施。(4)为实现高性能机电传动与智能控制,针对刚—柔复合结构在轻载时的非线性刚度,以及非线性摩擦、未知外部干扰力矩、建模误差和输入受限等问题,对刚—柔复合传动系统自适应控制策略分析,基于指令滤波反步法,引入饱和补偿机制,进行自适应输入受限控制器设计,采用线性扩张状态观测器观测系统未知项,构造系统的Lyapunov函数验证了闭环系统的收敛性和控制器的稳定性。仿真表明在给定参数条件下,控制算法能高精度跟踪目标轨迹,对外部干扰具有较强的服役能力。
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