主动平衡减速器的设计理论及实验研究

在现代机械向精密化高速化发展的趋势下，本项目提出一种具有平衡功能的减速器（即主动平衡减速器）的设计理念，旨在使应用十分广泛的减速器兼有平衡装置的功能，为机械动力性能的改善提供一种可行的解决方案。本项目拟在结构和设计方法学两个层面对具有主动平衡功能的减速器进行设计理论和实验研究，具体研究内容包括：构型综合、动力平衡、振动控制；技术路线包括：方案设计、运动与动力分析、结构设计、控制系统设计、样机制造、实验研究等。本项目的研究目标是：提出主动平衡减速器指导性设计准则，发展系统化的分析与设计方法，以航天器用减速装置为应用载体，掌握从理论向应用转化所需关键技术，取得具有自主知识产权的创新成果，并建立主动平衡减速器及伺服控制系统的综合实验系统，研制原理样机，奠定可持续研究的支撑条件。

主动平衡减速器是一种集动力平衡和减速功能于一体的新型传动装置，通过主动平衡装置与减速器在结构和功能上的集成，使系统具有更佳的动力性能。本项目采用理论、仿真和实验相结合的方法对主动平衡减速器进行了系统的研究，提出一种既有减速功能，又能主动地调节和改善整个机器系统及减速器自身动力性能的新型减速器的设计方法。. 提出一种齿轮拓扑图表示方法和其邻接矩阵建立规则，建立了邻接矩阵与差动轮系构型之间的关系，通过研究不同驱动方案下的功率流、输出特性和效率之间，得出了主动平衡器的选型原则，由此得到基于两自由度差动轮系的主动平衡器新构型，进而提出该型主动平衡器的设计方法，并对其平衡效果进行了验证。. 提出主动平衡减速器的设计理念，探索了减速器和主动平衡装置之间的耦合性能，提出根据传动比分层次对二者进行组合式集成和融合式集成的思路；针对不同集成方案，提出基于各基本轮系子邻接矩阵构造总邻接矩阵和相应的矩阵表达规则。. 分别从刚体动力学和振动力学角度研究了主动平衡减速器和待平衡机构组成系统的运动学和动力学问题，得出了各结构参数和运动参数与机构震动力、震动力矩和输入扭矩等动力指标以及振动响应与激振力（激振力矩）之间的关系；建立了系统刚体动力学模型和三自由度强迫振动模型以及分别以机构震动力等指标和机座振动响应为目标的综合平衡模型，得到了满足设计要求的主动平衡减速器原理样机的设计参数，研究结果显示以机座振动响应为平衡目标可避免综合优化目标函数中权重系数难选取的问题。. 分析了主动平衡减速器机电耦合系统控制过程中可能出现的不确定因素，建立了系统动力学模型和控制模型，完成了控制策略及PD控制、迭代学习控制和滑膜变结构控制算法的仿真研究。. 完成了主动平衡减速器原理样机及其实验系统的设计、制造与调试，针对不同平衡目标设计了实验方案，进行了主动平衡减速器性能和控制策略的实验研究，实验结果验证了主动平衡减速器功能原理的有效性。. 本项目研究的意义主要体现在三个方面，一是提出了基于差动轮系的主动平衡器新构型，扩充了主动平衡原有的研究体系；二是首次提出主动平衡减速器的设计理念，在结构、功能和设计方法学上实现减速器和平衡器机械参数和控制参数的有机融合；三是集减速和柔性平衡功能于一体的主动平衡减速器，为改善机器的动力性能，实现现代机械高速高精度的设计目标，提供了一种有潜力的解决方案。