摆线针轮减速器运动仿真

摆线针轮减速器运动仿真摘要摆线针轮减速器是一种应用在机械领域的关键传动构件，具传动效率高、体积小、重量轻等特点。本设计在给定工况参数(输入功率、输入转速和传动比)的条件下，基于可靠性、使用寿命、承载力和传递效率等设计准则，优化设计出了符合要求的摆线针轮减速器。本论文涉及三个工作来完成摆线针轮减速器设计并进行装配仿真，基于第二步得到的二维零件图，用三维软件SolidWorks绘制各个零件的三维零件图，最后装配成摆线针轮减速器。通过本论文的完成，掌握了对一般摆线轮行星减速器的设计和仿真相关的理论知识和软件操作，为以后工作学习中设计其他相关减速器提供了技术支持。关键词：摆线针轮减速器；尺寸设计；SolidWorks目录119491.1研究的背景和依据 I1绪论1.1研究的背景和依据减速器作为一种公认的传动设备，在连接动力和工作设备之间被大范围的应用，齿轮减速器作为其中的一类，保证恒定不变的瞬时传动比是关键。为了达到这一标准，当下通常会选用渐开线和摆线这两种齿形。摆线针轮减速器第一次露面是在上世纪二十年代末的德国，L.Braren率先参考变幅外摆线的内侧等距曲线得到行星轮廓，随即用圆弧确定圆心位置，最终得到齿差尽可能小的行星传动装置。其轮廓曲线和渐开线非常相像，主要是按照Z-X-F型N型行星齿轮形式运行。被设计出台十二年之后到被日本住友商事公司买下专利。当时的日本方面实施的是“买青苗”战略，换言之先行买进技术最后在此基础上研究创新。较先前的渐开线齿轮以及蜗杆传动，摆线针轮能明显地具备包含运行高效，齿轮比小等在内的多个优势。并且整个的运行过程还实现了同轴式作业，并且基本实现了无噪音作业；因为较之前的常规齿轮而言能够同一时间实现啮合的齿数更多，所以其在承载性能和工作效率上均更胜一筹。1.2国内外研究现状及发展趋势当前我们国家对于摆线针轮减速器投入了大量的精力。在日本住友重工“80系列”有着绝对的份量，并且在日渐提升高度。从上世纪的九十年代开始型号大幅度更新，在型号和种数上都得到了不同程度的提升，并且已由先前型号逐渐过渡到了最新款“90样品”摆线针轮减速机。我们国家在对全方位地细致研究过日本摆线针轮减速方面的最新技术的基础上，创新性地获得相关的科技成果，这一成果被用于多个项目上，并且已经奋起直追国际前沿。我们国家对于摆线针轮行星传动在结构方面的研究从未停歇过，并且取得了如下所示的成就：①针对摆线行星传动减速器的有限元和虚拟样机方面，中国农业大学就做出了非常好的成绩。②哈尔滨工业大学在前人基础上对其展开了进一步的更新升级。③在摆线轮和针轮齿面的啮合方向，大连铁道学院做出了许多成绩，并且还建立了相关的运算模型。④在摆线轮减速器的结构的运算方面，四川大学多次研究得到了它的通用计算包，这在该领域实属首例，彻底地代替了先前的陈旧计算方式。⑤大连铁道学院先前在针摆行星传动方面也做了大量的研究，现在的目标已经上升到如何将该减速器做到运行更加精准，传动效率更高的高度来。从上世纪九十年代开始，工作的重心就已经落在了工业自动化机器人旋转设施的选取上，其中摆线传动一度被认为是最优选择。随着住友重工相继研发出B型机器人的FA及FT系列，它们都是利用最新的原理所制造的传动设备，整个构造非常科学，并且运转功率明显提升。近几年，能够用在高精密运动方向的发挥传动作用的多个摆线针轮行星的传动设备早已问世，譬如在机器人的雷达天线，精密机床等领域得到了广泛的使用和研究，取得了非常不错的成绩。如下是几类最为常见的问世不久的精密摆线针轮减速机设施：①TWINSPFN减速器由斯洛伐克的一家公司所制造，作为一款轴承式的减速器，在轴向和径向的承受度是非常高的，并且使用周期也是非常长的。②RV减速器是一款来由日本帝人公司所制造的涵盖了普通渐开线的直齿轮或斜齿轮减速器和摆线针轮减速器在内的两级组合式的传动机构。③日本住友机械株式会社研发制造的三片摆线轮减速器，引进了全新的结构模式使得整体的传动效率全速提升。④美国Mectrol公司研发制造的Dojen减速器，源于其自身独特的针齿悬臂方式和机芯设计。机芯方面的设计，使得够在一定程度上除去空间间隙，同时还能够满足自主定心。⑤双摆线球齿减速器，在针轮和摆线上做出了部分调整，用钢球齿轮取代了针轮，二个摆线轮则变成摆线沟槽，这样的形式在减速器制造过程中可以说是一个非常新鲜的成就。1.3研究意义减速器在各种各样的机械设备中非常常见，其发挥的作用是将驱动电机的转速增加或者减小到设备所需的速度。在大多数情形下均可替代一般的二、三级圆柱齿轮或者蜗轮蜗杆减速器。在其被广泛使用的前提下各个国家也越来越重视其摆线针轮减速器的发展。摆线针轮减速器是一种广泛应用在机械领域的机械传动件，同时具传动效率高、体积小、重量轻等特点。本设计在给定工况参数(输入功率、输入转速和传动比)的条件下，基于可靠性、使用寿命、承载力和传递效率等设计准则，优化设计出了符合要求的摆线针轮减速器。通过本论文的完成，掌握了对一般摆线轮行星减速器的设计和仿真相关的理论知识和软件操作，为以后工作学习中设计其他相关减速器提供了技术支持。2摆线针轮减速器传动理论与设计方法2.1摆线针轮传动的传动原理摆线针轮行星传动图如图2.1所示。图中相关符号意义如下：输出轴为V；系杆为H；摆线行星轮为Zb；针轮为Z系杆H是输入端，输出端是W机构和V轴组成。摆线针轮传动也是一齿差行星传动，和渐开线一齿差行星传动实质上是一样的。但两者也有差异之处，这种差异主要表现在：齿廓曲线在传动环节是一种变态摆线，而非渐开线。中心内齿则被叫做针轮，这主要是因为其选择了针齿，这也是摆线针轮传动名称的来源。摆线针轮传动的传动比同渐开线少齿差行星传动，具体为：i图2.1减速器原理图由于Zz−Zb=1：因此：2.2摆线针轮减速器结构以下几部分是摆线针轮的基本构成：（1）行星轮：基于输入轴静平衡状态实现、承载力提升需要，一般需要在双偏心套上安装配置相同的2个奇数齿摆线轮，而且两者之间应错开180°安装。偏心套与摆线轮两者间有滚动轴承(转臂轴承)安装其中，无外座圈滚子轴承通常是这种轴承的首选，滚道通常是摆线轮内表面。目前，轴承与偏心套一体化构件比较流行，这种构件也叫做整体式双偏心轴承，这也是创新设计的典范。（2）输出机构：一般情况下选择销轴式输出机构，因此其同于渐开线少齿差行星齿轮传动。（3）行星架：这种构件也叫做转臂，其组成部分包括两部分，即偏心轮和输入轴1，两个偏心方向上的偏心轮之间有180°角。（4）中心轮：该件也叫做针轮，其由针齿壳3上的数个针齿销5(针齿套4通常也会配置在针齿销上)构成，而且针齿销5均布在针齿中心圆周上。2.3摆线针轮传动啮合原理一般对于摆线的生成和相关类型会借助圆的内、外域来展开描述。所谓内域，即存在于圆弧线内的部分，与之对应的是存在于区域外的部分就是外域。如下是相关的术语概念： （1）即外域的滚圆顺着基圆转动一周的过程，换言之，存在于滚圆上的定点构成的集合。（2）内切外摆线：顾名思义在基圆的外部的滚圆于基圆内切而形成的外摆线，要注意的是基圆上仍然是存在于滚圆内部的。（3）外切外摆线：所谓外切外摆线是指在基圆外域的滚圆和基圆外切出现的外摆线。即基圆外部的滚圆在外切时形成的外摆线，此时的基圆仍然是存在于滚圆的外部的。（4）短幅外摆线：多指滚圆内域之中某一个点的轨迹，换言之即在内切生成外摆线时存在于滚圆外部的某个点的轨迹。（5）即存在于滚圆外域部分且相对确定的点；反之要是以内切外摆线的视角来看即滚圆内域相对确定的一点。故短幅外摆线时正好的是相对存在的。3主要传动零件绘制与装配仿真3.1CAD与SolidWorks软件介绍3.1.1CAD软件介绍CAD(ComputerAidedDesign)，ComputerAidedDesign是指计算机及其图形设备软件帮助设计人员进行辅助设计，为了方便介绍将其缩写为CAD，CAD制图软件是Autodesk公司在上个世纪1960年代开发出来的计算机辅助绘制软件是一种交互式绘图系统，CAD的系统组成是具有图形功能的交互计算机系统为基础，主要设备有:计算机主机，图形显示终端，图形输入板，绘图仪，扫描仪，打印机，磁带机，以及各类软件。CAD首先它是一个可视化的绘图软件，许多命令和操作可以通过菜单选项和工具按钮等多种方式实现。而且具有丰富的绘图和绘图辅助功能，如实体绘制、关键点编辑、对象捕捉、标注、鸟瞰显示控制等，它的工具栏、菜单设计、对话框、图形打开预览、信息交换、文本编辑、图像处理和图形的输出预览为用户的绘图带来很大方便。其次它不仅在二维绘图处理更加成熟，三维功能也更加完善，可方便地进行建模和渲染。该软件功能强大应用行业广泛而且支持多种设备和多种操作系统。在机械行业中，国内外广泛使用该软件进行辅助设计，本次设计的零件图绘制就采用了CAD进行绘制。3.1.2SolidWorks软件介绍达索公司旗下子公司产品SolidWorks计算机辅助设计软件在上个世纪90年代开发。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。SolidWorks是全球装机量最大、最好用的软件，因为使用了WindowsOLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核以及良好的与第三方软件的集成技术在各个领域都得到了广泛的应用。SolidWorks软件功能强大，组件繁多。SolidWorks功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。配置管理是SolidWorks软件体系结构中非常独特的一部分，它涉及到零件设计、装配设计和工程图。配置管理使得你能够在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。当生成新零件时，可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks的性能得到极大的提高。本次设计的零件三维建模就是在该软件上完成的。3.2基于CAD零件图绘制3.2.1摆线轮摆线轮的零件结构，在CAD制图界面的平面中是同心圆结构加上内部均匀分布的孔以及最外周摆线轮轮廓曲线。在CAD绘制界面建立图层特性，新建出绘制图形所需要的线条线型线宽等参数，然后在绘制界面用点划线做摆线轮中心线，在中心点反复用“圆”命令分别作出φ89φ106φ136φ166φ187的同心圆。然后以φ136圆和中心线的交点为圆心作φ12的圆，选中该圆用“环形阵列”命令阵列中心点选中心线交点项目数“12”可绘制出12个柱销孔。根据摆线轮轮齿的曲率半径用“圆弧”和“环形阵列”命令阵列个数为“25”可以绘制出摆线轮的轮廓曲线。图3.1为绘制出的摆线轮CAD零件图绘制出的零件图如下：图3.1摆线轮3.2.2偏心套偏心轮零件结构，是两个一样的零件偏心安装的偏心距为6mm，在CAD绘制界面建立图层特性，新建出绘制图形所需要的线条线型线宽等参数，然后在绘制界面用点画线作出偏心套的中心线，然后用选中x轴方向中心线用“平移”命令参数输入“6”另作一条点画线。以中心点为圆心，用“圆”命令分别做出φ120φ157φ162φ194的同心圆。然后以y轴方向的中心线与φ194圆的交点做φ14的圆弧，选中该圆弧用“环形阵列”命令，阵列项目数为“12”可以阵列出滚柱部分。用CAD的“复制”命令以中心点为复制点复制以上绘制的图形然后，粘贴到第二条点划线与y轴方向中心线的交点在用“剪裁”命令剪裁不可见的部分。图3.2为偏心套的CAD零件图：图3.2偏心套3.2.3针齿壳针轮轮的零件结构上待有安装针齿销和固定螺母的孔位，在CAD绘制界面建立图层特性，新建出绘制图形所需要的线条线型线宽等参数，然后在绘制界面用点划线作针齿壳的中心线，以中心点为圆心，选用“圆”命令分别作φ103φ126φ154φ180的同心圆。以φ126圆与“y”轴方向中心线的交点为圆心作φ45圆然后用矩形阵列命令项目数为“2”5作出针齿销孔。在以φ154圆与“y”轴方向中心线交点为圆心分别作两个φ9φ18圆，选中这两个同心圆，然后用“环形阵列”命令项目数为“12”可作出螺栓孔。图3.3为针齿轮的CAD零件图：图3.3针齿壳3.2.4输入轴输入轴为阶梯轴，在CAD绘制界面建立图层特性，新建出绘制图形所需要的线条线型线宽等参数，然后在绘制界面用点画线作输入轴的中心线，下面简单介绍正视图的绘制方法，选用正确图层特性线条，然后用“矩形”命令长宽参数为126和88作第一个矩形为轴最大直径段，然后分别作出阶梯轴不同直径φ40φ35φ30段。在φ35段开键槽，长度为55宽度为13。然后在φ50和φ40段用“倒角”命令参数倒角。图3.4及为输出轴的CAD零件图：图3.4输入轴3.2.5输出轴输出轴带有固定柱销孔的圆盘结构，因为其正视图也是阶梯状已介绍绘制方法，下面描述其俯视图CAD中的绘制过程。在绘制界面建立图层特性，新建出绘制图形所需要的线条线型线宽等参数，然后在绘制界面用点划线作输出轴中心线，以中心点为圆心用“圆”命令分别绘制φ56φ110φ152φ192的同心圆，以φ152圆与“y”轴方向中心线的交点为圆心用“圆”命令绘制φ24的圆在用“环形阵列”命令项目数为“12”作出柱销孔。图3.5为输入轴的CAD零件图：图3.5输出轴3.3基于SolidWorks零件建模3.3.1摆线轮在CAD中已经绘制出了摆线轮的二维零件图DWG文件，在SolidWorks绘制界面菜单栏“插入”XDF/DWG选项插入摆线轮的CAD零件图到SolidWorks绘制界面的预选基准面中生成草图，用“凸台拉伸”命令选定区域边界曲线可以拉伸出摆线轮的大致结构，用“倒角”命令可以倒12个柱销孔的倒角以及中心孔的倒角然后用“旋转切除”命令可以绘制出摆线轮齿顶斜角。图3.6及是摆线轮的零件模型：图3.6摆线轮3.3.2针齿壳针齿壳零件在三维空间中同样也是一个圆盘式结构，盘上有一组阵列孔，用于安装针齿销，建立草图通过“拉伸切除”可以绘制出针齿壳的圆盘结构，然后建立“中心基准面”选中该基准面建立草图绘制外周轮廓通过“拉伸切除”命令选择“对称值”可以绘制出外轮廓的外形和中间镂空部分。通过SolidWorks三维建模可最终绘制出针齿轮的三维立体模型，图3.7及是针齿轮的零件模型：图3.7针齿壳3.3.3输入轴输入轴在三维空间中是一个直径不同的阶梯形结构，根据相应尺寸可以绘制出三维模型，在操作见面建立草图，绘制输出轴零件主视图的对称结构然后通过“旋转”命令可以绘制出轴的阶梯结构，然后在“基准面”建立草图绘制键槽的轮廓通过“拉伸切除”命令可以给轴开键槽，最后通过“倒角”命令倒角。通过SolidWorks三维建模可最终绘制出输入轴的三维立体模型，图3.8及是输入轴的零件模型：图3.8输入轴3.3.4输出轴输出轴在三维空间中是一个圆柱形加圆盘式的结构，根据相应设计尺寸和柱销孔个数可以绘制出该零件的模型，在操作界面新建草图，绘制二维图正视图的过中心线的一半局部图，然后通过“旋转”命令可以得到实体模型，然后再圆盘面上建立草图绘制出柱销孔用“环形阵列”命令完成草图过后“拉伸切除”可以开柱销孔，键槽部分在中心基准面绘制出二维图通过“拉伸切除”可以开键槽，通过SolidWorks三维建模可最终绘制出输出轴的三维立体模型，图3.9及是输出轴的零件模型：图3.9输入轴3.3.5偏心轮偏心轮是180°错位安装偏心距为“6”，在SolidWorks操作界面，任意选择一基准面，建立草图，绘制偏心轮外围轮廓，然后用“凸台拉伸”命令拉伸出单个偏心轮的三维模型，然后选择凸台面为基准面建立草图偏心点为圆心绘制同样的轮廓和轴承孔轮廓并拉伸出第二个偏心轮，中间轴承孔用“拉伸切除”即可绘制偏心轮。图4.10及是偏心轮的零件模型：图4.10偏心轮3.4基于SolidWorks仿真装配通过SolidWorks计算机辅助设计软件的装配功能可以将建立的模型零件进行装配，在装配过程中可以及时发现零件之间是否有干涉，并能及时做出修改。装配仿真的结果为录制了装配过程的动画。下面给出装配出来的摆线针轮减速器的三维装配图和爆炸图。3.4.1装配图将摆线针轮减速器的主要传动件的建模零件在SolidWorks中进行仿真装配。在SolidWorks操作界面的“装配体”菜单栏点击“插入零部件”，在指定文件夹框选所有建模零件模型，然后给零件添加配合如“同轴”“面重合”等可以装配出主要传动部件的装配图。仿真装配过程能够检查零部件之间是否有干涉现象，如果有能及时进行修改，仿真模拟装配能够提高机械生产效率降低成本，为以后的工作打下基础。图4.11及为摆线针轮减速器的主要传动部件的装配图：图4.11装配图3.4.2爆炸图制作本次设计的摆线针轮减速器传动部件爆炸图能够直观的展示其内的结构。在SolidWorks软件中打开装配图在“装配体”菜单栏中点击“爆炸视图”，鼠标“左键”选中需要爆炸的零件，出现三维坐标轴根据需要的方向拖动对应坐标即可爆炸零件。图4.12，4.13及为爆炸视图：图4.12