機(jī)器人用RV減速器虛擬樣機(jī)構(gòu)建及針齒狀態(tài)分析

雷明偉　史文譜　駱凱　李鵬根

摘 要：考慮到ADAMS軟件的分析優(yōu)勢和Solidworks軟件的建模優(yōu)勢，使用Solidworks軟件對RV減速器的各零部件進(jìn)行三維建模并進(jìn)行裝配獲得完整的RV減速器三維模型，使用ADAMS軟件進(jìn)行虛擬樣機(jī)的構(gòu)建，使用軟件自帶的機(jī)械包里的模塊來代替模型上的細(xì)小零部件并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，與理論計算值對比檢驗(yàn)樣機(jī)的合理性，進(jìn)而獲得各針齒的運(yùn)動及受力狀況，以彌補(bǔ)純理論方式進(jìn)行計算時的繁瑣和復(fù)雜的缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：RV減速器 ADAMS 虛擬樣機(jī) 針齒狀態(tài)

中圖分類號：TH13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（c）-0101-04

Abstract： Taking the analytical advantage of ADAMS and the modeling advantage of Solidworks into consideration， we used Solidworks to build and assemble all parts of the RV reducer to obtain a complete 3d model of RV reducer. At the same time， we use ADAMS to build the virtual prototype， and use the modules in the software package to replace the small parts on the model of RV reducer and carry out kinematics and dynamic simulation. The rationality of the prototype is verified by comparing the calculated values with the theoretical values， thus obtaining the movement and stress condition of each pin tooth to make up for the tedious and complex shortcomings of purely theoretical calculations.

Key Words： RV reducer； ADAMS； Virtual prototype； State of the pin-teeth

減速器是工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)上最為關(guān)鍵和重要的部分，減速器的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到機(jī)器人工作狀態(tài)的精確度及穩(wěn)定性。機(jī)器人常用減速器主要為諧波減速器和RV減速器兩種。RV（Rotate Vector）傳動是在擺線針輪行星傳動基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳動[1]，這種減速器以其傳動比高、強(qiáng)度大、承載能力強(qiáng)的顯著特點(diǎn)受到更多的重視[2]。RV減速器結(jié)構(gòu)精密而復(fù)雜，針齒部分是減速器內(nèi)部最簡單但是使用頻率最高且更易磨損和破壞的部分，特別是在擺線輪進(jìn)行修形之后，嚙合狀態(tài)與原定理論產(chǎn)生變化，針齒的嚙合受力情況更為復(fù)雜，而弄清楚針齒的運(yùn)動狀況和受力情況對提高減速器的使用壽命、保證減速器的運(yùn)轉(zhuǎn)精度非常有必要。在研發(fā)和制造的過程中如果采用純理論的方式對其進(jìn)行動力學(xué)和受力分析顯得繁瑣而緩慢，所以設(shè)計構(gòu)建RV減速器的虛擬樣機(jī)可以提高研發(fā)效率，縮短研發(fā)周期，減少成本[3]。并且通過虛擬樣機(jī)的仿真分析可以清楚直觀地了解針齒及其他零部件的工作情況和受力狀況，掌握減速器的動力學(xué)及運(yùn)動學(xué)性能，便于在研發(fā)和制造過程中及時做出調(diào)整，保證研發(fā)的準(zhǔn)確性，減少生產(chǎn)試制廢品率。為RV減速器的進(jìn)一步研發(fā)和生產(chǎn)試制提供理論依據(jù)。

1 RV減速器的三維建模及樣機(jī)構(gòu)建的準(zhǔn)備

1.1 RV減速器的三維建模

RV減速器是一個兩級減速系統(tǒng)，包括第一級的行星輪系減速和第二級的擺線針齒減速[4]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

減速器建模的難點(diǎn)在其擺線輪部分?？紤]到ADAMS軟件在擺線輪等具有復(fù)雜曲線的零部件的建模方面明顯不如其他CAD軟件有優(yōu)勢，所以使用Solidworks來建立三維模型。擺線的標(biāo)準(zhǔn)方程為：

采用參數(shù)方程式驅(qū)動曲線的方式，參數(shù)的范圍根據(jù)實(shí)際工作的需要選取π～3π。繪制出擺線輪輪廓進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的擺線輪及其他零部件的三維建模并裝配，如圖2所示。

1.2 虛擬樣機(jī)構(gòu)建的準(zhǔn)備工作

將所建三維模型導(dǎo)入到UG軟件中做運(yùn)行仿真，目的是進(jìn)行干涉檢查，確認(rèn)沒有過盈裝配等不正確的裝配，在保證三維模型符合減速器的工作原理并能正確運(yùn)轉(zhuǎn)之后，對所建三維模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化處理。

首先，把對仿真分析影響不大的軸承、墊片和O型圈等細(xì)碎零部件去掉，用ADAMS自帶的軸承模塊來代替。其次刪除模型的倒角倒圓等幾何特征[5]，并去掉起連接緊固作用的螺栓和錐形銷，用運(yùn)動副來代替。

將簡化后的三維模型進(jìn)行中間格式轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換為.X_T格式）并導(dǎo)入到ADAMS軟件中。簡化后模型如圖3所示。

2 虛擬樣機(jī)的構(gòu)建

2.1 材料及運(yùn)動副的定義

在虛擬樣機(jī)建立之前需要對工作環(huán)境進(jìn)行初始設(shè)置。確定環(huán)境的重力參數(shù)并對網(wǎng)格和工作單位進(jìn)行定義。然后對所導(dǎo)入的三維模型進(jìn)行材料的定義。確定剛體的密度、楊氏模量和泊松比等參數(shù)[6]。

在初始設(shè)置完成之后，可以參考UG的運(yùn)動仿真模塊對模型進(jìn)行運(yùn)動副和約束的定義。在所建三維模型中總共建立了4種約束和運(yùn)動副關(guān)系，具體如下。

（1）固定副：包括針齒殼與大地之間；支撐盤與行星架之間；三對偏心軸與行星輪之間的固定副。采用固定副來代替螺栓和圓錐銷等起固定作用的零部件。

（2）旋轉(zhuǎn)副：包括所有針齒在針齒殼上的自轉(zhuǎn)，偏心軸與行星架之間，行星輪與支撐盤之間，行星架、支撐盤與大地之間，太陽輪與大地之間。采用旋轉(zhuǎn)副來約束各部件按實(shí)際活動方式運(yùn)動。

（3）軸承創(chuàng)建：包括3個偏心軸上總共6個偏心部分分別與兩個擺線輪之間。采用ADAMS創(chuàng)建的模擬軸承來代替原有的軸承部件。既簡化了模型又保證了原有的裝配結(jié)構(gòu)。

（4）接觸創(chuàng)建：包括30個針齒與兩個擺線輪之間，太陽輪與3個行星輪之間。采用創(chuàng)建接觸的方式保證擺線輪與針齒之間的實(shí)際傳動效果，用接觸副來代替齒輪副可以更好地模擬齒輪間的傳動，不會在仿真時出現(xiàn)卡齒和齒輪齒形內(nèi)陷的情況。

2.2 驅(qū)動方式的定義

減速器工作的時候，針齒殼固定在轉(zhuǎn)臂上，行星架固定在底部基座上。通過在太陽輪上施加的驅(qū)動來進(jìn)行運(yùn)動。實(shí)際工作的時候電機(jī)軸的最大轉(zhuǎn)速是4300r/min，經(jīng)過第一級螺旋傘齒減速傳遞到太陽輪上的最大轉(zhuǎn)速約為1400r/min。也就是8400r/s。這也是施加給太陽輪的驅(qū)動速度。

考慮到減速器在運(yùn)轉(zhuǎn)時有個驅(qū)動過程，輸入轉(zhuǎn)速是遞增直到最大轉(zhuǎn)速的。電機(jī)的額定驅(qū)動過程是5S，所以在驅(qū)動方式的設(shè)置上采用Step階躍函數(shù)驅(qū)動。

2.3 仿真分析

通過ADAMS的仿真模塊對減速器虛擬樣機(jī)進(jìn)行動力學(xué)仿真。對行星輪的轉(zhuǎn)速、針齒殼的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。將理論計算值與仿真輸出值做對比來判斷虛擬樣機(jī)的合理性。

減速器空載運(yùn)行時，太陽輪、行星輪與針齒殼的角速度隨時間變化的曲線如圖5、圖6、圖7所示。

該減速器的傳動方式為固定行星架與支撐盤，以太陽輪為輸入軸，針齒殼為輸出軸。這種傳動方式的減速比計算方程為：

其中，R為速比值，Z2為行星輪齒數(shù)，Z1為太陽輪齒數(shù)，Z4為理論針齒數(shù)。

觀察對虛擬樣機(jī)測量獲得曲線并與理論計算值進(jìn)行對比可知，虛擬樣機(jī)的輸出結(jié)果雖然與計算結(jié)果有浮動偏差，但仍在允許誤差值內(nèi)。由此可知，所建立的虛擬樣機(jī)模型是滿足實(shí)際工況的。

虛擬樣機(jī)構(gòu)建完成之后為了解針齒在減速器工作時的運(yùn)動狀態(tài)，我們需要對針齒的受力及角速度進(jìn)行測量。測量時需在針齒殼上施加預(yù)加力矩預(yù)載荷，根據(jù)實(shí)際電機(jī)的測量結(jié)果，選取預(yù)加力矩為3700N·M。為了讓測量結(jié)果更直觀，降低太陽輪的轉(zhuǎn)速。針齒殼上的理論針齒數(shù)應(yīng)為60，但在結(jié)構(gòu)上考慮到減小震動，同時增大齒側(cè)間隙，提高容錯率，減小了針齒一半的數(shù)目，所以實(shí)際針齒數(shù)為30；對每一個針齒都進(jìn)行受力及運(yùn)動狀態(tài)的測量，選取其中一個針齒的受力隨時間變化的曲線（見圖8）。

通過觀察針齒的受力狀態(tài)曲線圖，我們可以看到，不管是在減速器的啟動還是在減速器的高速運(yùn)行過程中，針齒的受力都是周期性的，且周期受力的頻率非常大。雖然所受沖擊載荷的差值不是很大，但針齒會在短時間內(nèi)受到許多次的力的沖擊，明顯會很容易地給針齒帶來較大的疲勞損傷。

參考30個針齒的受力曲線圖，我們可以看到，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，同一時間分別有5個針齒各自與上下兩個擺線輪同時嚙合。也就是說，運(yùn)行中總共10個針齒在運(yùn)動的瞬間擔(dān)負(fù)著傳遞動力的作用。這對接下來針齒的選材和熱處理方式上有一定的指導(dǎo)作用。

3 結(jié)論

采用ADMAS和Solidworks兩款軟件相結(jié)合的方式來進(jìn)行虛擬樣機(jī)的構(gòu)建明顯比只使用ADAMS軟件更方便、更有效率。

采用軟件自帶機(jī)械包里的模塊來代替實(shí)際的零部件接觸能簡化樣機(jī)的構(gòu)建，提高模擬速度保證其性能更加穩(wěn)定。虛擬樣機(jī)的建立能使更直觀、更方便地檢測與測量零部件的各部分所需數(shù)據(jù)，大大縮短研發(fā)周期，減小成本投入。

在針齒運(yùn)動方式的分析中，我們可以發(fā)現(xiàn)在某一個針齒的嚙合力到達(dá)最大數(shù)值的時候，同時有共10個針齒參與了動力的傳遞過程。而且針齒的受力狀況雖然是周期性的，其受到的沖擊也是周期性的，但是針齒受力的差值并不是很大。這對我們在后期針齒的選材生產(chǎn)加工過程中有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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