基于3D打印的塑料制RV減速器性能分析

姚明鏡,劉信辰,熊 銀,孟 軻

(1. 成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂山 614000;2. 核工業(yè)西南物理研究院,四川 成都 610225)

0 引 言

工業(yè)機器人的核心零件是RV減速器,與普通行星齒輪傳動相比,其傳動效率和精度更高,但制造技術(shù)要求也更高[1]。擺線針輪在RV減速器傳動中起到非常重要的作用,其選材、幾何參數(shù)以及齒廓形狀將直接影響RV減速器的性能及壽命。利用3D打印制造技術(shù),以ABS和聚乳酸(PLA)兩種材料進行RV減速器制造并分析其性能,最終選定性能可靠的材料來制造減速器[2-3]。

1 RV減速器傳動原理及建模

RV減速器由齒輪軸、太陽輪、行星輪、針齒輪、針齒殼、擺線針輪、行星架、曲柄軸、支撐法蘭、外殼等共同組成。在二級減速中,行星輪與曲臂軸相連接,在曲臂軸的偏心部分裝有兩個不會相互接觸且相位差為180°的擺線針輪,隨著曲臂軸的偏心運動,擺線針輪完成偏心運動。此時若將曲臂軸旋轉(zhuǎn)一圈,那么擺線針輪就會沿著與曲臂軸線相反的方向旋轉(zhuǎn)一個齒,這個齒與針齒殼嚙合帶動機殼轉(zhuǎn)動實現(xiàn)減速,如圖1所示[4]。

1-輸出軸;2-機架;3-擺線針輪;4-行星輪;5-輸入軸;6-太陽輪;7-曲柄軸;8-支撐法蘭圖1 RV減速器結(jié)構(gòu)的傳動原理圖Fig.1 Transmission principle diagram of RV reducer structure

使用參數(shù)化的建模方法得到初步齒廓曲線,然后使用鏡向命令,可以得到擺線輪的完整齒廓曲線。根據(jù)RV減速器的性能要求,設(shè)置擺線輪拉伸高度為14 mm,得到擺線輪三維輪廓,如圖2所示。圖3為RV減速器的三維模型圖。

圖2 擺線輪三維建模Fig.2 Three-dimensional modeling of cycloidal wheel

1-太陽輪;2-行星架;3-行星齒輪及曲軸;4-輸出軸承;5-擺線輪;6-支撐法蘭;7-機架圖3 RV減速器的三維圖Fig.3 3D diagram of RV reducer

2 材料的屬性對比

選用ABS塑料、PLA塑料兩種材料對擺線針輪嚙合特性進行對比分析[5]。

1) ABS樹脂由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯共聚而成。其有著極其優(yōu)良的抗沖擊、抗化學(xué)性能,以及容易成型和機械加工、不易于銹蝕等優(yōu)點[3],其性能參數(shù)如表1所示。

表1 ABS的相關(guān)性能參數(shù)

2) PLA材料具有可降解性、優(yōu)良的柔韌性、高斷裂生長率和高沖擊強度[2],其性能參數(shù)如表2所示。

表2 PLA的相關(guān)性能參數(shù)

3 不同塑料材料減速器傳動力學(xué)分析

3.1 減速器模型的導(dǎo)入及參數(shù)設(shè)置

將建好的整體RV減速三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中,對模型進行網(wǎng)格劃分,如圖4所示。將兩個擺線針輪的齒面和針齒殼的接觸部位設(shè)定為摩擦接觸,其中ABS塑料摩擦系數(shù)設(shè)定為0.4,PLA塑料的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.7[6-8]。考慮啟動時旋轉(zhuǎn)速度不宜設(shè)置得太大,因此設(shè)定1.5(°)·s-1和2.0(°)·s-1的兩個不同的轉(zhuǎn)動速度進行不同樹脂材料的比較分析[6-7]。

圖4 嚙合部位網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Mesh division of meshing position

3.2 兩種材料不同轉(zhuǎn)速下力學(xué)分析

1) 基于ABS樹脂材料的擺線輪嚙合。兩種轉(zhuǎn)動速度得到的等效應(yīng)力云圖如圖5所示、彈性應(yīng)變云圖如圖6所示。

由圖5, 6可知：隨著轉(zhuǎn)速增大,擺線針輪及其外殼所受到的應(yīng)力在不斷地增大,且應(yīng)力集中在中心孔、擺線針輪,以及它相接觸的針齒處,最大處的等效應(yīng)力由125.89 MPa增加到168.51 MPa,且擺線針輪及其外殼所受到的應(yīng)變也在不斷地增大,且應(yīng)變集中在中心孔、擺線針輪,以及它相接觸的針齒齒面上;最大處的彈性應(yīng)變由0.059增加到0.079。

(a) 2.0(°)·s-1

(b) 1.5(°)·s-1

(a) 2.0(°)·s-1

(b) 1.5(°)·s-1

2) 基于PLA樹脂材料的擺線輪嚙合。兩種轉(zhuǎn)動速度得到的等效應(yīng)力云圖如圖7所示、彈性應(yīng)變云圖如圖8所示。

(a) 2.0(°)·s-1

(b) 1.5(°)·s-1

(a) 2.0(°)·s-1

(b) 1.5(°)·s-1

由圖7和圖8可知：隨著轉(zhuǎn)速增大,針齒殼變形量有所增大;擺線針輪及其針齒殼所受到的應(yīng)力在不斷增大,而且應(yīng)力集中在中心孔、擺線針輪,以及它相接觸的針齒上面;最大處的等效應(yīng)力由170.65 MPa增加到228.51 MPa,且擺線針輪及其外殼所受到的應(yīng)變也在增大,且應(yīng)變集中在中心孔、擺線針輪,以及它相接觸的針齒齒面上;最大處的彈性應(yīng)變由0.058增加到0.078。

對比兩種樹脂材料性能：當轉(zhuǎn)速提高時,等效應(yīng)力、彈性應(yīng)變均有所增加,在相同旋轉(zhuǎn)速度下,兩種樹脂材料的彈性應(yīng)變相差不大,但PLA樹脂材料受到的應(yīng)力大于ABS樹脂材料。通過對比分析可知：ABS材料的安全系數(shù)高于PLA材料,ABS在承受應(yīng)力方面的力學(xué)性能比PLA好,所以選擇ABS材料進行減速器的制造。

4 實物制造

根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果,選擇以ABS樹脂材料作為制造材料,利用熔絲堆積的3D打印技術(shù)進行減速器的制造。經(jīng)過實驗驗證,該減速器可以滿足傳動的性能要求。

圖9 利用3D打印制造的RV減速器Fig.9 RV reducer manufactured by 3D printing

5 結(jié) 論

1) 分析兩種塑料材料在不同轉(zhuǎn)動速度下RV減速器的力學(xué)性能,綜合對比可知,ABS材料的力學(xué)性能更好。故選擇利用ABS材料作為基礎(chǔ)材料進行RV減速器的制造,經(jīng)過驗證,其性能滿足傳動要求。

2) 通過力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：擺線針輪中心孔和嚙合處容易失效,故通過改善中心孔周圍的機械結(jié)構(gòu),可以有效增加擺線針輪的使用壽命,及整體RV減速器在使用過程中的安全可靠性。

3) 將3D打印制造的塑料減速器應(yīng)用于傳動試驗,其可以平穩(wěn)傳動,并滿足傳動的要求。本研究可以為提高減速器的制造效率,擴展其制造方式及材料庫等提供一定的參考。