面向空间机械臂大传动比传动装置的优化设计及仿真

摘要

机械臂在探测器执行任务中起着决定性的作用，机械臂的各个关节的减速器必须具有较轻的质量，以减轻关节驱动电机的负载，而且应该具有较大的传动比以提高机械臂机械手的控制品质。因此，小体积、大传动比、高转矩、高效率减速器的研制开发已成为减速器产品研究的新课题。本文通过方案设计、结构设计、优化设计、动力学分析设计出一种适合空间机械臂的传动装置。
　　根据空间机械臂传动装置要求，通过对各种大传动比减速器传动方案的比较，本文采用以渐开线双曲柄少齿差行星齿轮传动为第一级、谐波传动为第二级的组合式减速器，这样可以使两者的优势互补，既能满足大传动比和刚度要求又能满足小体积的要求。对减速器的结构方案进行设计，并基于转化机构法分析减速器的传动比和效率，并对第一级传动部分的齿轮强度进行校验。
　　本文引入优化设计思想以减小系统的总体积，保证系统的传动效率，高质量高效率的完成设计任务。建立第一级传动部分的优化数学模型，基于枚举法对其进行齿轮参数的多目标优化设计，用模糊算法确定各分目标的加权系数。用Fortran语言编写优化程序的。并用VB语言编写软件程序，开发出一个通用的双曲柄少齿差齿轮传动参数优化软件。
　　为了保证减速器具有良好的动态性能必须对减速器进行动力学分析。根据集中参数法建立减速器系统的动力学模型，该模型适合用传递矩阵法对其进行动力学分析。根据能量守恒定理进一步得到减速器系统的等效动力学模型。利用传递矩阵法建立减速器系统的动力学数学模型。利用所建立的动力学数学模型，通过MATLAB编程分析减速器的自由振动，得到了该系统的固有频率和各阶振型等动态特性参数。并根据分析结果对减速器结构进行调整以达到最优状态。最终基于优化结果确定减速系统结构参数并绘制全套工程图，完成该传动装置的设计。

目录

面向空间机械臂大传动比传动装置的优化设计及仿真

OPTIMIZATION DESIGN AND SIMULATION FOR THE BIG TRANSMISSION RATIO REDUCER OF SPACE MANIPULATOR

摘要

Abstract

目 录

绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 大传动比传动装置研究现状

1.2.2 优化设计现状

1.2.3 机械动力学分析现状

1.3 研究内容

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

第2章 大传动比减速器结构方案设计及分析

2.1 减速器方案确定

2.2 减速器传动系统结构方案设计

2.3 双曲柄少齿差齿轮传动方案设计

2.4 减速器的传动比分析

2.5 效率分析

2.6 齿轮传动部分齿轮强度分析

2.7 本章小结

第3章 双曲柄少齿差传动的多目标参数优化设计

3.1 多目标优化方法简介

3.2 参数优化设计过程

3.2.1 设计变量的确定

3.2.2 目标函数的确定

3.2.3 约束函数的确定

3.2.4 多目标优化设计

3.2.5 减速器的结构优化设计

3.3 通用优化软件的开发

3.4 本章小结

第4章 大传动比减速器动力学建模及分析

4.1 系统扭转动力学模型的建立

4.1.1 惯性元件转动惯量的确定

4.1.2 弹性元件扭转刚度的确定

4.1.3 轴类零件扭转阻尼的确定

4.1.4 减速器动力学模型

4.2 系统扭转振动数学模型的建立

4.2.1 扭转系统中惯性元件的数学模型

4.2.2 扭振系统中弹性元件的数学模型

4.2.3 系统扭振数学模型的建立

4.3 扭振动力学分析

4.4 本章小结

参考文献

附 录Ⅰ

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