考虑齿廓修形的行星齿轮传动系统动力学特性研究

基于对行星齿轮传动系统高传动效率和低噪音等要求,以行星齿轮传动系统为研究对象,采用集中参数法建立了考虑偏心误差和安装误差的斜齿行星齿轮传动系统的弯⁃扭⁃轴耦合动力学模型,利用四阶Runge⁃Kutta法求解动力学方程得到行星齿轮的动态啮合力、动态传动误差和动载系数等动态特性,并以此为评价指标展开行星齿轮的修形研究。建立了齿廓修形后的齿面方程和考虑齿面修形的动力学方程,研究不同修形量的行星齿轮传动系统动态特性变化。研究结果表明,随着修形量的增大,行星齿轮的动态啮合力、动态传动误差和动载系数都有不同程度的降低,降到最低值后又开始增大,最终确定齿轮的合理修形量。经过整机性能测试发现合理修形下的行星减速器振动噪声降低、传动性能提升,为行星齿轮传动系统的减振降噪、传动效率提升设计提供了理论支撑。

基于3-5-3多项式插补的六轴机器人轨迹优化

为了解决3次多项式轨迹规划仅能保证位移和速度保持连续,无法保证加速度保持连续,且各关节加速度轨迹在起始点存在跳变,在末端点均不为0,容易造成关节电机启停抖动的问题,提出了一种基于3-5-3多项式插补轨迹规划控制方法。在3次多项式轨迹规划的基础上,通过插入2个插值点时间t,将路径划分为3段,根据设置的插值点时间t计算得到插值函数的系数a和插值函数的表达式。实验结果表明,引入3-5-3多项式插值函数后,各关节的加速度运算能够保持连续,各关节加速度轨迹能够保证在起始点和末端点均为0且不存在跳变,可以避免启停时产生抖动的问题,保证多轴机器人启停时的稳定性。

谐波减速器中双圆弧柔轮的齿形修形及试验研究

针对实际工况中,谐波减速器双圆弧柔轮在啮合传动过程中存在齿轮干涉问题,基于柔轮与刚轮齿面接触分析的有限元法,对柔轮轮齿采用两段螺旋线修形方法进行修形,然后对样机进行了综合性能测试。结果表明,修形后的柔轮对刚轮齿面接触应力最大为72 MPa,相比修形前减小了368 MPa,且修形后的柔轮其他位置的齿面接触应力略高于修形前,不仅有效避免了齿轮干涉问题,还提高了谐波减速器的啮合传动性能;样机的对比测试也验证了柔轮修形后的谐波减速器各项传动性能均优于修形前。该项研究为谐波减速器系统的动态特性和啮合特性分析提供了有益参考。

无铁氧体同步磁阻电机的最大转矩电流比控制

针对同步磁阻电机控制中因电感变化带来的系统稳定性及可靠性问题,提出一种基于离线电感参数更新的同步磁阻电机最大转矩电流比控制方法。首先设计了无铁氧体同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法,其次通过实验获得全工况下d、q电感参数生成离线电感参数表,并将其引入控制算法中,实现d、q轴电感的实时更新。实验结果表明,传统的最大转矩电流比算法引入实时更新的电感值后,能够快速响应由电流变化所引起的电感变化,及时调整系统控制参数,相较于传统的最大转矩电流比控制方法具有更快的动态响应能力和更小的稳态误差,提高了系统的稳定性和可靠性。

时滞反馈下非正交面齿轮主共振特性的多尺度法研究

非正交面齿轮传动可以满足轴交角在0°到180°之间任意角的非正交传动形式,建立了含时滞反馈的非正交面齿轮传动系统的非线性动力学模型,考虑了时变啮合刚度、传动误差、齿侧间隙和输入扭矩波动等因素。此外,采用多尺度法对系统的主共振特性进行分析,判定了系统的主共振稳定性条件。用数值方法分析了时滞控制参数、啮合阻尼、时变啮合刚度波动幅值和载荷波动对系统幅频特性的影响。结果表明:在控制过程中应合理选择控制参数以避免主共振振幅过大和产生不稳定分支;适当的啮合阻尼有利于抑制系统主共振的振幅和缩减不稳定分支;过高的激励频率易产生主共振的不稳定分支;主共振的不稳定分支随着啮合刚度的波动的增加逐渐缩减,但是在激振频率接近主共振频率时,较小的啮合刚度波动也会导致系统失稳;载荷波动的增加会导致系统主共振幅值增加,对系统的稳定性造成损害。

裂纹齿轮时变啮合刚度与传动系统振动机理

研究齿轮裂纹对时变啮合刚度和振动特性的影响机理。首先,将齿轮齿廓分为过渡曲线、渐开线非啮合区和渐开线啮合区3个部分建立精确的齿廓模型,再结合势能法改进时变啮合刚度计算方法。其次,建立齿轮裂纹分析模型,将裂纹扩展路径和有效厚度的限制线分别假设为直线和抛物线,根据几何法和裂纹终止点的位置,改进有效截面积和截面惯性矩的计算方法,求解不同裂纹状态下的时变啮合刚度曲线。最后,建立六自由度裂纹齿轮故障动力学模型,采用龙格-库塔法求解不同裂纹下齿轮传动系统的振动特性和幅频特性,通过小波变换对振动特征进行时频分析。同时,采用统计指标的方法,研究齿轮裂纹对传动系统振动响应的敏感度。研究结果表明:裂纹齿轮在啮合过程中会产生冲击特征,随着裂纹情况的加剧,冲击加剧;峭度对振动响应最为敏感。

绿色制造 电机行业发展之路

绿色制造涉及数字化设计、绿色制造、产品生命周期评价、绿色供应链管理等。国内外制造业已形成共识,21世纪全球工业强国的制造业都在朝着绿色制造方向发展。电机制造行业如何贯彻绿色制造,成为行业相关人士共同思考问题,本文提出了电机行业推广绿色制造框架及措施,对于国内同行业具有一定的指导参考价值。

双输入面齿轮分流-并车传动系统固有特性分析

以双输入面齿轮分流-并车传动系统为研究对象,基于集中参数法建立包含传动误差、啮合阻尼和支撑刚度等参数的平移-扭转耦合动力学模型,通过分析各齿轮副间的相对位移关系及其受力情况,依据牛顿第二定律建立各齿轮运动微分方程,利用动力学方程的特征值计算得到系统的固有频率和模态振型,并研究啮合刚度和支撑刚度对固有频率的影响规律。通过求解系统模态应变能和动能,揭示各齿轮模态能较大时所对应的频率阶次。研究结果表明:在7种重根对应的固有频率中,1重根对应的固有频率个数最多,多包含高阶频率;系统包含多个振型,每一传动级齿轮均存在独特的平移振动模式和扭转振动模式,在重根数相同的固有频率对应的振型矢量中,多种振动模式并存;对于总的系统模态能,第46阶频率下的总应变能最大,此时系统整体变形最大,第60阶频率下的总动能最大,此时系统振动最剧烈;高阶固有频率对啮合刚度和支撑刚度的变化更敏感,且敏感性随刚度的增大而依次增加;同时,系统刚度的变化会使固有频率在遇到相近频率时产生模态跃迁现象,振动模式发生交换,之后维持不变,直至再次遇到频率接近的情况才会再次发生模态跃迁,故在系统动态设计中尽可能避开模态跃迁点。

机器人关节伺服器传动系统机电耦合动态特性研究

目前,机器人关节伺服器向着微型化、集成化发展,针对智能机器人操作精度要求高,对机器人关节伺服器典型的电机拖动齿轮机电耦合系统,进行不同工况下的动态特性研究十分有必要。为此,根据多级齿轮系统时变啮合特性及无刷电机动态特性,建立了多级齿轮系统动力学模型和无刷电机动态模型,搭建了机器人关节伺服器传动系统机电耦合动力学模型;分析了该系统的自由扭振特性和系统模态能,并进一步研究了在稳态工况和冲击载荷工况下机器人关节伺服器传动系统的动态响应特性。结果表明,多级齿轮系统和电机之间存在机电耦合效应,在该系统遭受冲击后,齿轮副啮合力以及齿轮扭振波动变得剧烈后趋于稳定。

机器人关节无刷电机驱动与控制系统

为满足机器人高性能、低成本、易操作等要求,采用STM32F103芯片作为主控芯片,DRV8323为无刷电机驱动芯片,结合CAN总线、WPF上位机开发,以及磁编码器等传感器,设计了机器人关节无刷电机驱动及控制系统。详细阐述了磁场定向控制(FOC)无刷电机驱动的原理,从硬件和软件两方面完成驱动与控制系统设计。运用PID算法对机器人关节进行转速闭环测试,实验表明所设计的机器人关节与控制系统运行平稳可靠,具有模块化、小型化的特点,适用于微型服务机器人和机械手的控制。

纺织装备行星齿轮传动系统修形研究

为达到纺织装备用行星减速器高传动效率和低噪音等要求,构建行星减速器三维数字化样机,并以此基础对该减速器第二级行星齿轮传动系统进行接触分析和齿面修形研究。以齿轮传动误差、啮合刚度、齿面法向力为评价指标对行星齿轮进行修形分析,通过改变不同修形参数分析其对修形指标参数的影响,最终确定行星齿轮传动系统的最佳修形方案。研究表明:行星齿轮传动系统的传动误差峰峰值由未修形时的0.68μm降为修形后的0.25μm,降低了约63%;齿面法向力和轮齿啮合刚度不同程度减小,改善了行星齿轮啮入、啮出冲击,有效提高了行星齿轮传动系统的传动效率,对行星齿轮传动系统的减振降噪提供了参考。

考虑对流换热系数的非对称斜齿轮喷油润滑分析研究

针对非对称斜齿轮喷油润滑啮入侧喷油和啮出侧喷油两种喷油方式,运用计算流体动力学方法进行了研究。基于有限元方法得到了喷油润滑仿真模型的热边界条件;在CFX流体仿真软件中对非对称斜齿轮喷油润滑进行仿真计算,得到了喷油参数在不同喷油方法下对齿面对流换热系数的影响规律。啮入侧喷油润滑方法下,润滑油黏度增大,齿面平均对流换热系数将随着减小,但减小的趋势变缓;啮出侧喷油润滑方法下,随着润滑油黏度的增大,齿面平均对流换热系数逐渐减小,但减小的程度越来越缓慢,说明齿面平均对流换热系数受到润滑油黏度的影响越来越小。啮入侧喷油方法和啮出侧喷油方法下的齿面对流换热系数均随着喷油速度的增大而增大,线性变化明显。说明喷油速度对齿面平均对流换热系数的影响较明显。啮入侧喷油润滑方法和啮出侧喷油润滑方法在相同润滑油黏度和相同喷油速度条件下,啮入侧喷油方法时的齿面对流换热系数较大。

非正交非对称面齿轮啮合原理与齿面设计

为了增加面齿轮的有效齿宽,研究一种任意轴交角传动且齿廓双侧压力角不等的非正交非对称面齿轮副。首先,设计出非对称齿条形刀具,根据齿条和插齿刀的运动关系,推导出非对称插齿刀的齿面方程;其次,基于啮合原理,建立非正交非对称面齿轮的插齿加工坐标系,并借助数据可视化软件对非正交非对称面齿轮的工作曲面和过渡曲面进行离散求解,建立了完整齿面的数学模型;第三,确定了非正交非对称面齿轮齿宽的限制条件,并分析了轴交角和压力角对齿宽的影响,得到不同压力角组合的面齿轮的齿面接触路径;最后,将求解得到的点云导入三维软件,曲面拟合得到非正交非对称面齿轮的复杂曲面模型。研究结果表明:非正交非对称面齿轮的根切界限与从动侧齿面相关,从动侧齿面压力角越大,产生根切的内径越小;增大轴交角或者减小从动侧的齿面压力角能有效避免齿顶变尖,增加有效齿宽;面齿轮采用非对称齿形能获得较长的接触路径,拥有更好的传动性能,但更容易发生边缘接触。

双圆弧谐波刚轮刮齿加工原理及刀具设计

为提高谐波齿轮的加工精度和效率,提出一种适应双圆弧谐波刚轮的刮齿加工原理和刀具设计方法.根据包络理论求解谐波刚轮共轭齿廓,并采用最小二乘法拟合;通过构建刮齿加工坐标系和前刀面坐标系求解刮齿刀具共轭面和前刀面模型,并用NURBS曲面拟合;根据牛顿迭代法求解前刀面与共轭面交点获取切削刃数据,导入CAD软件建立刮齿刀具数学模型.在此基础上,分析不同前角和后角对刮齿刀具齿廓误差的影响,结果表明:由于前角和后角,刮齿刀具切削刃实际齿廓和理论齿廓产生一定偏差,该齿廓偏差从齿顶到齿根逐渐增大,并随着前角和后角的增大而增大.

冲击载荷下机器人关节系统动态特性研究

为了研究微型机器人关节在非稳定工作状态下的机电耦合作用机理,考虑误差以及齿轮啮合时变刚度,采用集中参数法,建立了电机拖动二级串联行星齿轮传动系统的机电耦合模型,计算求解得到了系统的固有频率以及质量参数对系统固有频率的影响、模态能的分布规律,分析了在冲击载荷下齿轮系统的扭振特性。结果表明,零件质量增加将使系统固有频率降低;系统模态能主要表现为低阶扭转振动应变能和高阶动能;在冲击过程中,系统表现为1阶固有频率与1倍啮合频率主导的振动模式。

机器人智能关节机电耦合系统瞬态动力学研究

为分析机器人关节在不同工况下的动态特性,建立了机电耦合动力学方程,利用集中参数法构建了机器人关节机电耦合动力学模型,模型方程考虑了传动系统的时变啮合刚度、驱动电机的电磁特性、齿侧间隙等因素.电机采用转速、电流双闭环比例积分(PI)控制,分析该模型在启动、遭受冲击和机器人关节正反转等非稳态过程下的动态特性.结果表明:机器人关节在启动过程中电机和齿轮传动系统受到冲击载荷,特别是当转速第一次达到设定转速时出现明显反冲现象,在第一级齿轮中啮合力变化最明显,电机按照指令正反转时表现出类似特性;在外部冲击载荷作用下,啮合力在低速级受到冲击影响最大,对于经常遭受冲击的部件应增大其使用安全系数.

内齿轮剐齿刀具设计及齿形优化

为突破内齿轮加工受限于插齿等工艺,实现内齿轮的高精高效加工,提出内齿轮剐齿刀具设计及修形优化方法.根据渐开线齿面展成原理求解内齿轮齿面方程;建立剐齿刀具前刀面坐标系和加工运动坐标系,根据啮合原理求解剐齿刀具前刀面和共轭面模型,并用双三次NURBS曲面拟合;利用牛顿迭代法求解共轭面与前刀面交点并拟合获取切削刃数据,导入CAD软件建立剐齿刀具三维模型.分析剐齿刀具齿廓误差来源并利用抛物线齿条对剐齿刀具两侧齿廓分别进行修正,结果表明:剐齿刀具两侧齿廓误差从齿顶到齿根逐渐增大,根据齿条法修形后的刀具齿廓误差明显降低.

考虑齿根裂纹的传动系统动力学特性研究

用能量法分析裂纹沿齿厚深度、裂纹倾斜角度和沿齿宽方向扩展长度三个方面对齿轮时变啮合刚度、载荷分配、传递误差的影响,用集中参数法建立圆柱齿轮平移-扭转动力学模型,模拟不同类型裂纹在齿轮系统中的动态响应,并用时频分析研究裂纹状态下齿轮传动系统的动力学特性,结果表明:随着裂纹沿齿厚深度、沿齿宽长度和裂纹倾斜角度的增大,齿轮的时变啮合刚度降低、传递误差增大,并对齿轮载荷分配造成影响;将时变啮合刚度作为齿轮系统的动态激励,发现主动轮在y轴方向振动位移的动力学响应增大且与故障下时变啮合刚度一致,呈现出周期性变化;用均方根、峭度等统计指标可诊断出齿轮传动系统中出现的裂纹故障,其中峭度对裂纹故障最为敏感.

机器人关节无刷电机驱动与控制系统研究

针对目前机器人关节成本高、控制系统复杂、集成度较低等问题,设计了模块化机器人关节及控制系统.根据关节设计需求,采用STM32F103芯片作为主控芯片,DRV8313作为无刷电机驱动芯片,对机器人关节的无刷电机驱动电路进行设计;结合控制器局域网络(CAN)、Windows呈现基础(WPF)上位机开发,设计了操作简便的多关节控制系统;为满足机器人关节尺寸微型化设计,减速组结构选择为二级串联行星结构.介绍了无刷电机驱动原理,从硬件和软件上介绍了控制系统的实现方法,并搭建实验平台对该设计进行验证.实验结果表明:设计的机器人关节及控制系统具有模块化、微型化等特点,运行平稳可靠,适用于微小型服务机器人与机器手控制使用.

机器人关节裂纹传动系统机电耦合动态特性研究

服务机器人关节采用驱控一体化集成设计,并且传动系统采用小模数变位齿轮。关节频繁运动容易导致齿轮传动系统产生裂纹,裂纹引起刚度变化从而影响整个系统的动态特性。根据变位齿廓建立变位齿轮裂纹刚度计算模型,分别研究变位系数、多种裂纹形式对时变啮合刚度的影响;其次利用集中参数法构建了机器人关节机电耦合平移—扭转动力学模型,并将驱动电机的电磁特性、齿侧间隙等因素考虑入方程中;最后通过统计学分析裂纹对传动系统的影响。研究结果表明:正变位使刚度增大,负变位反之;双侧裂纹对刚度的影响明显大于单侧;随着裂纹加深,时变啮合刚度加速降低;随着传动系统级数的增加,裂纹对传动系统的影响逐渐减弱。研究结果为变位齿轮传动系统裂纹故障诊断提供理论基础。