基于ADAMS的機器人輸入齒電機軸斷裂的建模、仿真與強度分析研究

張宏強 付曉玲

摘 要：工業(yè)機器人的輸入齒輪傳動是一種很重要的傳動方式，得到了普遍的應(yīng)用。沿嚙合線作用在輸入齒齒面上的法向載荷較大，輸入齒同時受到扭矩和彎矩，受力點與其相連的電機軸根部形成懸臂梁，機器人在啟動停止力矩下，電機軸容易斷裂，為了解決這一問題，對機器人的一軸輸入齒傳動基于ADAMS進行動力學(xué)建模與仿真，在較短的加減速時間里，得到輸入齒的最大力矩，利用第三強度理論和第四強度理論，找到了電機軸斷裂的原因：輸入齒與電機軸為整體的懸臂梁撓度太大，實際強度應(yīng)力大于許用強度應(yīng)力。嚴格控制加工件的尺寸精度，輸入齒上安裝軸承，減少輸入齒的撓度，徹底解決了電機軸斷裂。

關(guān)鍵詞：輸入齒輪；法向載荷；第三強度理論；撓度

引言

工業(yè)機器人逐漸在不同領(lǐng)域的深入進軍，在減輕人們勞動強度、在惡劣環(huán)境、提高生產(chǎn)效率等中越來越展現(xiàn)出自動化生產(chǎn)給使用者帶來的優(yōu)越性和先進性，例如在碼垛、機床上下料、噴涂、焊接、打磨等領(lǐng)域的應(yīng)用。所以工業(yè)機器人傳動機構(gòu)的可靠性設(shè)計尤為重要。工業(yè)機器人個關(guān)節(jié)的傳動方式有很多種，例如齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動、滾珠絲杠傳動等，其中輸入齒嚙合RV減速機正齒輪的傳動屬于齒輪傳動，在工業(yè)機器人傳動中占70%以上，尤其是對于重載工業(yè)機器人，在一二軸的傳動中更為普遍。一軸電機軸容易斷裂的問題在實際工程中頻繁發(fā)生，為此基于ADAMS進行動力學(xué)建模與仿真，較為準(zhǔn)確地得到電機所受的最大力矩，用第三強度理論和第四強度理論，分析為過大的撓度使齒輪應(yīng)力集中而斷裂，對傳動結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，徹底解決了此問題的發(fā)生。

1 一軸輸入齒傳動建模

1.1 外力分析

輸入齒電機軸受力：彎曲Ft；扭轉(zhuǎn)T1。

1.2 內(nèi)力分析

輸入齒電機軸彎矩圖、扭矩圖，可得電機軸根部位危險截面。即：

1.3 應(yīng)力分析

2 基于ADAMS的機器人輸入齒的仿真研究

為了能夠理論得到機器人輸入齒的扭矩，利用ADAMS對機器人一軸輸入齒進行仿真，結(jié)果如圖7所示。

具體仿真函數(shù)如下：

if（time-0.1：step（time，0，0d，0.1，350d），350d，if（time-0.4：350d，350d，if（time-0.5：step（time，0.4，350d，0.5，0d），0d，if（time-0.6：step（time，0.5，0d，0.6，-350d），-350d，if（time-0.9：-350d，-350d，if（time-1：step（time，0.9，-350d，1，0d），0d，if（time-1.1：step（time，1，0d，1.1，-350d），-350d，if（time-1.4：-350d，-350d，if（time-1.5：step（time，1.4，-350d，1.5，0d），0d，if（time-1.6：step（time，1.5，0d，1.6，350d），350d，if（time-1.9：350d，350d，if（time-2：step（time，1.9，350d，2，0d），0d，0d）

3 選用強度理論，對輸入齒電機軸進行強度計算

用第三強度理論：

在工業(yè)機器人的實際應(yīng)用過程中，由于機器人轉(zhuǎn)座尺寸加工錯誤（如圖8），導(dǎo)致輸入齒與減速機的嚙合點嚴重錯位，產(chǎn)生一個很大的彎曲撓度，這樣增大了彎曲力。

所以輸入齒電機軸強度依然不夠，發(fā)生斷裂。

4 機器人一軸轉(zhuǎn)座加工精度控制研究和輸入齒加軸承支承強度校核

根據(jù)以上分析研究，第一，機器人必須控制轉(zhuǎn)座加工精度，RV減速機C系列給出的定位銷孔的理論位置度為Φ0.05，所以加工必須應(yīng)在這個公差之內(nèi)；第二，在加工件合格的情況下，機器人輸入齒中部應(yīng)加軸承，減少輸入齒的撓度變形。

5 結(jié)語

由以上仿真與強度分析可得，在機器人轉(zhuǎn)座加工符合尺寸公差的情況下，在輸入齒上安裝軸承支承，減小了輸入齒電機軸的撓度，解決了電機軸的斷裂問題。

此解決方案在機器人輸入齒電機軸的設(shè)計中可得到推廣應(yīng)用。

參考文獻

[1]楊湘洪.電機軸的斷裂分析及優(yōu)化設(shè)計[J].機床與液壓，2005，（3）：109-110.

[2]李金玉，勾志踐，李媛.基于ADAMS的齒輪嚙合過程中齒輪力的動態(tài)仿真[J].機械，2005，32（3）：15-17.

[3]劉鴻文.材料力學(xué)[M].高等教育出版社，2004.

[4]濮良貴.機械設(shè)計[M].高等教育出版社，2006.

（作者單位：埃夫特智能裝備股份有限公司）