FA型针摆转动齿廓修形原理研究

论文摘要

FA型摆线针轮行星传动减速器是在传统的普通摆线减速器的基础上进行结构和技术改进的一种高精度传动减速器,具有体积小、高传动效率、高回转精度、高可靠性、承载能力强等诸多优点,因而其在工程领域具有十分广泛的应用前景。当FA型针摆行星传动应用于机器人传动时,对回转误差要求比较高,而摆线轮的齿廓修形是影响回转误差的关键因素,同时也影响着整机承载能力的高低。本论文就是对能同时保证高承载能力和高回转精度要求的FA型传动摆线轮修形的关键技术进行研究。论文的研究内容是国家自然科学基金项目“基于最佳齿廓设计理论的FA传动系列研究（No.50875029）”的一部分,本文对该传动系统通过采用理论分析与实验验证相结合的方法完成了FA型传动的关键技术研究。本文通过研究理论摆线生成原理,研究并设计了反求摆线轮修形量系统,并通过反求日本某机型样机,获得了该机型的摆线轮修形方式,比较生成的摆线曲线和测量的齿廓点坐标,基本一致,证明了反求系统的正确性。根据反求日本某样机的摆线轮修形结果,确定日本采用的为标准齿廓。但考虑到我国加工、安装精度限制,摆线轮必须修形。因此需要深入研究摆线轮的修形方法,寻求既符合我国实际加工、安装水平,又能满足高回转精度和高承载能力要求的摆线修形齿廓。本文在分别对各种单修形以及组合修形方式进行分析比较的基础上,建立了移距修形和等距修形时摆线轮与针齿的最先接触区间计算的数学模型,推导了最先接触区间左右边界点φTm、φTn的计算公式。深入研究了“负等距+正移距”组合修形方式形成的“弓背齿廓”组合修形,以同时满足高回转精度和高承载能力要求。建立了考虑针齿与针齿壳之间存在间隙时的针摆传动几何回转误差的数学模型,并进行了实例计算与分析,优化出满足预定设置的最小几何回转角要求下的“弓背齿廓”最佳修形量,并对针齿和摆线轮进行了齿面动态受力分析。“弓背齿廓”虽满足高精度传动但承载能力相对较低,因此本文提出了在大传动比传动中采用二齿差结构,通过增加啮合齿对改善啮合状态以在保证高精度的同时还能具有较好的承载能力,并对此进行了理论分析,同时对实例理论计算分析与ANSYS有限元分析结果进行了对比验证,结果表明二齿差结构的“弓背齿廓”比一齿差结构的“弓背齿廓”具备更高的回转精度和承载能力。同时创新性提出了可以适用于二齿差结构的偏心距修形法,并进行了该种修形齿廓的回差及齿面受力等理论分析的研究,验证了该修形方式的可行性和应用优点,该修形方式可同时提高回转精度并提高承载能力。按照优化的二齿差“弓背齿廓”,本文完成了FA45-29样机的研制,并对样机进行了回差、机械效率、温升、噪声和振动的综合试验方案的设计和试验分析,试验结果均满足日本FA型传动的性能要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 摆线针轮行星传动
• 1.2.2 RV型针摆行星传动
• 1.2.3 FT型针摆行星传动
• 1.2.4 FA型针摆行星传动
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 对日本FA传动样机的反求分析
• 2.1 应用遗传算法反求修形方式
• 2.1.1 运行遗传优化算法
• 2.1.2 变量设置
• 2.1.3 适应度函数
• 2.1.4 控制参数的选择
• 2.1.5 FA45-59机型摆线轮实例验证
• 2.2 日本摆线轮修形参数的反求
• 2.2.1 日本FA45-29样机
• 2.2.2 日本FA45-29样机的基本参数
• 2.2.3 日本FA45-29样机摆线轮齿廓的测量
• 2.2.4 摆线轮齿廓扫描数据的处理
• 2.2.5 日本FA45-29样机反求结果
• 本章小结
• 第三章 针摆传动中的弓背齿廓及其齿廓修形优化
• 3.1 引言
• 3.2 修形产生的几何回转误差计算
• 3.2.1 单修形方式产生的几何相对回转角计算
• 3.2.2 不同组合修形方式所产生的几何相对回转角比较
• 3.3 弓背齿廓的提出
• 3.4 “弓背齿廓”修形优化
• 3.5 初始间隙
• 3.5.1 最先接触区间
• 3.5.2 移距修形最先接触区间求解
• 3.5.3 等距修形最先接触区间求解
• 3.6 “弓背齿廓”受力分析
• 3.6.1 摆线轮齿与针齿之间的变形
• 3.6.2 摆线轮与针齿的同时接触齿数
• 3.6.3 受力分析
• 3.6.4 弓背齿廓齿形优化
• 3.6.5 受力分析流程
• 3.7 计算实例及分析
• 3.8 二齿差结构的“弓背齿廓”最佳修形量
• 3.8.1 二齿差针摆行星传动齿廓
• 3.8.2 二齿差齿廓的受力分析
• 3.8.3 二齿差齿廓修形量计算
• 3.8.4 有限元分析
• 本章小结
• 第四章 二齿差针摆传动中偏心距修形及其修形优化
• 4.1 偏心距修形的提出
• 4.2 最佳偏心距修形量寻优
• 4.2.1 选用机型参数
• 4.2.2 修形量的优化求解
• 4.2.3 计算初始间隙
• 4.3 偏心距修形的回转误差
• 4.3.1 行星传动内啮合的坐标转换
• 4.3.2 回转误差
• 4.4 齿廓受力分析
• 本章小结
• 第五章 FA45机型样机研制及试验研究
• 5.1 FA45型样机的设计
• 5.2 棒量法检测
• 5.2.1 双棒检测量法
• 5.2.2 双棒量法检测
• 5.3 摆线轮的加工方案
• 5.4 回差测量的实验方案
• 5.4.1 几何回差
• 5.4.2 回差测量的试验方案
• 5.5 综合试验方案设计
• 5.6 试验台设计
• 5.7 “弓背齿廓”几何回差测试
• 5.8 “弓背齿廓”传动效率、噪音以及振动测试
• 5.8.1 “弓背齿廓”传动效率测试
• 5.8.2 “弓背齿廓”噪音和振动测试
• 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 附图及附表
• 符号表
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 博士期间参加的科研项目
• 致谢