基于ADAMS非圓行星齒輪機構應用于機床行業(yè)展望

李兆維

摘要：利用Solidworks軟件，建立了精確的非圓行星齒輪機構三維模型，并使用ADAMS軟件對非圓行星齒輪機構進行運動學仿真分析。在此基礎上充分掌握非圓行星齒輪機構特點，并據(jù)此對非圓行星齒輪機構在數(shù)控機床行業(yè)的應用前景做以展望。

Abstract： An accurate 3D model of Non-circular Planetary Gear Mechanism is established by SolidWorks software， and ADAMS software is used to carry out kinematic simulation analysis of Non-circular Planetary gear mechanism. A prospect of the application of Non-circular Planetary gear mechanism in CNC machine tool industry is made， which is based on fully grasp the characteristics of Non-circular Planetary gear mechanism.

關鍵詞：自鎖;機械無級變速;過載保護

Key words： self-lock;mechanical stepless transmission;overload protection

0 ?引言

無極調(diào)速被廣泛應用于數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)，這能夠使數(shù)控機床主軸在運轉(zhuǎn)過程中自動換速，獲得針對不同切削特性工件的合理切削速度。目前，數(shù)控機床大多采用交流伺服電機串聯(lián)機械變速機構，用以實現(xiàn)不同種類數(shù)控機床對轉(zhuǎn)速、功率、扭矩等特性的要求 [1]。本文介紹的非圓行星齒輪機構為機械式無級變速裝置，可實現(xiàn)自鎖，無級變速及過載保護功能，非圓齒輪的特點是結合了凸輪和齒輪的優(yōu)勢，相比其他傳動機構的優(yōu)點是能獲得非勻速比，能夠以變化的傳動比來傳遞較大的動力[2]，另外其過載保護功能可以使其在受到?jīng)_擊載荷等情況下避免價值量較高的刀具及零件受損，具備較高經(jīng)濟效益。

1 ?非圓行星齒輪機構的原理

該機構的傳動方式屬于軟啟動和軟傳動的無級變速，主動齒輪動作后，作為動力輸入的中心非圓齒輪在動作過程中旋轉(zhuǎn)到節(jié)圓較長半軸時其半徑與輸出端的齒輪節(jié)圓相等，機構處于自鎖狀態(tài)實現(xiàn)等比例傳動。當數(shù)控機床加工過程中由于刀具磨損、工件材質(zhì)不均等原因?qū)е聜鲃訖C構輸出端所受扭矩加大時，行星圓柱齒輪受負載影響，使其內(nèi)部彈簧受力，圓柱齒輪和非圓齒輪在同一軸線的彈簧螺旋連接，受力后的圓柱齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動，非圓齒輪也跟著向相反方向轉(zhuǎn)動，按行星減速器（WW）機構減速。當負載扭矩超過限定的工作扭矩時，行星架向相反方向轉(zhuǎn)動，中心軸則停止轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了過載保護的功能。（圖1）

2 ?基于Adams非圓行星齒輪機構的運動學仿真

在深入了解了機構工作原理和非圓齒輪結構特點的基礎上，應用SolidWorks軟件建立了非圓行星齒輪機構三維模型（簡化了行星非圓齒輪內(nèi)部部分零件以及柔性體）。對該機構施加不同載荷時，利用Adams軟件對其進行建模和仿真，得到了其在自鎖、正常工作以及過載保護情況下的幾種不同狀態(tài)[3]。

2.1 自鎖

該模型傳動形式是2K-H行星傳動，屬于外嚙合（WW）方式，在行星輪架作為從動端的情況下，其傳動比達到一定數(shù)值時會發(fā)生自鎖。當給輸入端齒輪轉(zhuǎn)速為300 r/min，在不施加外部負載的情況下，由圖2中不難發(fā)現(xiàn)，該機構運動不到2秒后，非圓齒輪、輸出齒輪和行星輪架轉(zhuǎn)速相同，此時機構處于自鎖狀態(tài)。（圖中橫坐標為時間，縱坐標為角速度，表示非圓齒輪;表示行星架;表示輸出齒輪;以下各圖同）

2.2 外載自鎖

對機構施加外載STEP（time，0，0，0.2，10000）+STEP（time，0.2，0，20，0），在圖3中可以發(fā)現(xiàn)非圓行星齒輪機構的自適應性，該機構在運動接近5s后非圓齒輪轉(zhuǎn)動某一角度，在固定傳動比下處于自鎖狀態(tài)。

2.3 無級變速

對該傳動機構施加外部載荷STEP（time，0，0，0.2，1000000）+STEP（time，0.2，0，20，0），在圖4中可見，輸出齒輪和行星輪架角速度變化滯后于非圓齒輪，但向同一方向運轉(zhuǎn)。由于非圓齒輪是通過傳動比變化來實現(xiàn)無極變速，所以輸出齒輪和行星輪架的角速度呈現(xiàn)周期性變化。但是在該機構的實際應用中，由于實際設計情況不同存在諸如彈簧、螺旋軸、螺母等撓度大小不一的撓性體，導致輸出齒輪和行星輪架的角速度基本是某一固定值，并且其數(shù)值比非圓齒輪角速度小。

2.4 過載保護

對該傳動機構施加外部載荷STEP（time，0，0，0.2，500000）+STEP（time，0.2，0，20，0），在圖5中可見，輸出齒輪的角速度在零附近振蕩，即在平衡位置接近處于靜止狀態(tài)，行星輪架的角速度為正，其運動方向與非圓齒輪相反。當外部載荷大于該機構所設定的額定載荷時，輸出齒輪停止轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了刀具及相關傳動部件的過載保護。

3 ?結論

非圓行星齒輪機構相比于傳統(tǒng)變速器結構更緊湊并且大大提升了承載能力，利用ADAMS軟件對機構進行建模和仿真，得到了其在自鎖、正常工作以及過載保護情況下的幾種不同狀態(tài)，驗證其理論功能適用于數(shù)控機床傳動系統(tǒng)。目前，非圓行星齒輪機構已用于深海石油開采作業(yè)等領域，其無級變速和過載保護等優(yōu)點可在機床主運動及進給運動傳動系統(tǒng)中予以應用，進一步提升數(shù)控機床性能，豐富數(shù)控機床運行狀態(tài)選擇，減少意外發(fā)生，大幅提高數(shù)控機床精度保持性和使用壽命。

參考文獻：

[1]文懷興，夏田.數(shù)控機床系統(tǒng)設計[M].工業(yè)裝備與信息工程出版中心，2005.

[2]J Bernard. Optimization of Mechanism Timing Using Noncircular Gearing [J]. Mechanical Design and Synthesis. 1992.

[3]劉永平，楊存，孫旋.基于ADAMS的非圓齒輪運動學仿真分析[J].機械傳動，2014.