基于神經(jīng)網(wǎng)絡的雙層輝光離子滲金屬

1、<p>　　無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動的運動仿真</p><p>　　劉新華 張均富 王進戈</p><p>　?。ㄎ魅A大學機械工程與自動化學院 成都 610039，E-mail: tk1078912@163.com ）</p><p>　　摘要：基于虛擬樣機技術，對無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動機構的運動學進行了仿真分析。首先，基于無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸

2、桿傳動的蝸桿齒面方程建立了蝸桿三維實體模型，并完成了無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動機構的虛擬裝配設計。其次，基于Solidworks\COSMOSMotion機械運動仿真平臺完成了該蝸桿傳動機構的定義和虛擬樣機的運動仿真分析，研究了蝸桿傳動機構的滾子運動狀態(tài)及其運動學參數(shù)。</p><p>　　關鍵詞：無側隙；雙滾子；環(huán)面蝸桿傳動；運動學仿真</p><p>　　中圖分類號：TH132

3、文獻標識碼：A</p><p>　　Kinematical Simulation of the Non-Backlash Double-Roller Enveloping Hourglass Worm Drive</p><p>　　LIU Xinhua ZHANG Junfu WANG Jingge</p><p>　　(College of

4、Mechanical Engineering Automation, Xihua University, Chengdu , 610039)</p><p>　　Abstract：Based on the technology of virtual prototype, the kinematical simulation of the non-backlash double-roller enveloping

5、hourglass worm gear is studied. The three dimensional modeling and visual assembling of worm gear set is built according to the worm tooth surface equations of the non-backlash double-roller enveloping hourglass worm gea

6、r. Using the Solidworks\COSMOSMotion simulation software, the worm drive mechanisms is defined and the kinematical of the non-backlash double-roller enve</p><p>　　Key words：Non-backlash; Double-roller; Envel

7、oping hourglass worm; Kinematical simulation</p><p><b>　　0 前言</b></p><p>　　無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動是課題組基于滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動一種能同時滿足高精度、大載荷要求的新型蝸桿傳動[1]。該新型蝸桿傳動是一種高性能精密蝸桿傳動，它繼承了滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動的承載能力大、效率高等優(yōu)點，又

8、具有無側隙傳動的特點，能夠用于精密分度、精密傳動和精密動力傳動，具有十分廣闊的應用前景。</p><p>　　目前，課題組針對無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動的嚙合原理、嚙合性能以及數(shù)字化模型等進行了研究[2~4]，但在蝸桿傳動的運動學、動力學性能方面還有待深入的分析與研究。為此，基于無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動的蝸桿齒面方程，在Pro/E軟件[5，6]中建立了無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿的三維實體模型，并在Solidw

9、orks軟件中建立蝸輪的三維模型以及完成了無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動機構的裝配設計。最后基于COSMOSMotion機構運動學仿真軟件[7，8]對無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動機構進行了仿真分析。</p><p>　　1 傳動的結構與工作原理</p><p>　　無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動的結構如圖1所示。無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動由滾子蝸輪和滾子包絡環(huán)面蝸桿1構成。蝸輪采用在其徑向

10、均布有滾子5的兩半個蝸輪2、3同軸線錯位安裝構成，且左半輪體2可以相對于右半輪體3繞二者的回轉中心轉動。蝸桿左右齒面分別由位于中間平面上方和下方適當位置c2處的滾子包絡而成。兩半個蝸輪徑向分布的滾子分別與蝸桿左、右側齒面嚙合，通過調節(jié)兩半個蝸輪輪體的相對錯位角度，使?jié)L子與蝸桿齒面始終保持接觸，從而實現(xiàn)無側隙傳動。就單排滾子與蝸桿齒嚙合而言，工作過程中存在側隙，從而保證了傳動的正常工作和良好的潤滑，但對整體而言，通過采用雙排滾子錯位布置，

11、消除了傳動的回程誤差，使傳動平穩(wěn)，提高了傳動精度。其次，該傳動采用蝸輪滾子表面與蝸桿齒面嚙合，滾子可繞自身的軸線旋轉，從而將蝸輪副嚙合齒面間的滑動摩擦變成滾動摩擦，減小了摩擦功耗，提高了傳動效率和降低了傳動的發(fā)熱量[9]。上述滾子可以是滾柱、滾錐、球體或其它回轉體，下文基于滾柱形式進行研究。</p><p><b>　　(a)</b></p><p>　　(b)

12、 (c)</p><p>　　圖1 無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動的結構示意圖</p><p>　　2 蝸桿副的實體模型</p><p>　　根據(jù)齒輪嚙合理論，在對齒面接觸點運動分析基礎上，可推導得到無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動的嚙合方程[2,3]為</p><p><b>　?。?）</b

13、></p><p><b>　　其中，</b></p><p>　　式中，示滾柱回轉半徑，、表示柱面參數(shù)，、、表示滾柱柱頂中心處在蝸輪動坐標系中的坐標值且為滾柱安裝偏距，為蝸輪齒周角，且、分別為蝸桿、蝸輪的轉角。</p><p>　　在式（1）基礎上進行系列數(shù)學推導，可得到無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動的蝸桿齒面方程為[3]</p&g

14、t;<p><b>　　（2）</b></p><p><b>　　其中，</b></p><p>　　式中，A為傳動中心距</p><p>　　式（2）蝸桿齒面方程可表示為，當給定一個值就得到蝸桿齒面上的一條接觸線，當值連續(xù)不斷變化就得到一簇接觸線即蝸桿齒面。在式（1）中，嚙合方程中包含的兩個變量可用函數(shù)表

15、示。因此，若令u取固定值，由嚙合方程求解得到，并在指定的基礎上求解得到蝸桿副的嚙合點，再通過坐標變換得到嚙合點在蝸桿動坐標系中的坐標，然后令連續(xù)變化即可得到蝸桿齒面上的一條變徑螺旋線方程。令u取若干個離散值，就可得到多條螺旋線，當、、分別取正負值時可得兩齒側面的螺旋線，根據(jù)兩側齒面螺旋線即可擬合為蝸桿齒面。</p><p>　　基于上述原理，通過對蝸桿左、右齒面上螺旋線上系列坐標值的求解并借助與Pro/E軟件生成

16、蝸桿左右齒面的螺旋線后，在進行相關操作即可生成蝸桿三維實體模型如圖2所示。為便于在COSMOSMotion軟件中進行蝸桿傳動機構的運動仿真，其后續(xù)零部件的建模工作在Solidworks軟件中完成。虛擬裝配完成的無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動機構如圖2所示。</p><p>　　圖2 蝸桿傳動機構的三維模型</p><p>　　3傳動機構的仿真分析</p><p>　　

17、3.1 仿真模型的建立</p><p>　　根據(jù)前述無側隙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動的結構與工作原理，傳動機構的定義包括：蝸桿、蝸輪繞其軸心轉動的轉動副定義、雙排滾子繞其自身軸心轉動的轉動副定義以及蝸輪、蝸桿之間的嚙合副定義。為了反映蝸輪、蝸桿之間嚙合副的真實運動，在蝸輪滾子與蝸桿齒之間添加3D碰撞約束以便進行3D碰撞仿真。定義完成后的蝸桿傳動機構模型如圖3所示，該蝸輪副同時參與嚙合的齒對數(shù)為4對，蝸輪副的嚙合齒對依次

18、在圖3中用數(shù)字編號表示。</p><p>　　圖3 傳動機構的仿真模型</p><p>　　3.2 傳動機構的運動仿真</p><p>　　以單頭蝸桿為例對無側隙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動機構進行運動仿真分析。建模采用的蝸桿副幾何參數(shù)為：中心距a=125mm，蝸輪齒數(shù)z2=25，滾子安裝偏距c2=7mm，滾子半徑R=6.5mm，蝸桿喉徑系數(shù)k1=0.4，其余幾何參數(shù)參見

19、文獻[3]的公式計算。</p><p>　　基于COSMOSMotion機械仿真基本工作流程圖如圖4所示。 </p><p>　　圖4 基于COSMOSMotion機械運動仿真基本工作流程圖</p><p>　　仿真時，設蝸桿以360°/s勻速逆時針轉動，此時蝸桿左齒面參與嚙合。仿真結果如圖5、圖6、圖7、圖

20、8所示。圖中滾子自轉角速度、自轉角加速度在文中簡稱為滾子角速度、角加速度。</p><p>　　圖5為蝸桿、蝸輪角速度曲線。圖5(a)中黑實線為蝸桿角速度，由于系統(tǒng)是在蝸桿軸直接添加驅動力矩，動力傳遞平穩(wěn)，因此蝸桿角速度為360°/s的恒定值。圖5(b）為蝸輪角速度，由于碰撞的影響，蝸輪的角速度有一定范圍的波動，從圖5(b)中可以看到蝸輪角速度平均值穩(wěn)定在14.7°/s附近，運動仿真得出的蝸桿

21、、蝸輪轉速及傳動比與理論分析基本一致。</p><p><b>　?。╝） 蝸桿角速度</b></p><p>　?。╞ ） 蝸輪角速度</p><p>　　圖5蝸桿蝸輪角速度隨時間變化曲線</p><p>　　圖6為蝸輪滾子的角速度。由于蝸輪滾子齒與蝸桿齒面之間嚙合時具有碰撞力存在，因此其角速度在理論值附近具有一定的波

22、動。在圖6（a）中，滾子1的角速度隨時間變化逐漸增大，并在0.8秒附近達到峰值40952.2°/s，伴隨該滾子逐漸退出嚙合，角速度值此后開始逐步衰減。這與仿真動畫顯示的情況非常相似。在圖6（b）中，滾子2的角速度值也是隨時間變化逐步增大，在0.5秒附近達到最大值57381.8°/s。滾子3的仿真動畫顯示其轉速初始較慢此后逐漸加大，這與圖6（c）中，滾子3在0~0.3秒段低速此后逐漸上升的曲線變化情況相吻合。從圖6(d

23、)中可以看出，滾子3在0.3秒附近受碰撞力作用影響明顯，有較大的波動。</p><p>　　（a） 滾子1的自轉角速度</p><p>　?。╞）滾子2的自轉角速度</p><p>　?。╟）滾子3的自轉角速度</p><p>　?。╠）滾子4的自轉角速度</p><p>　　圖6 蝸輪滾子的角速度曲線</p&g

24、t;<p>　　圖7為蝸輪滾子的角加速度，與滾子角速度情況相似，都不同程度的受到齒間嚙合碰撞力的影響。滾子1和滾子2的角加速度分別在2300000°/s2和2100000°/s2附近小幅波動，分別如圖7(a)和圖7(b)所示。滾子3和滾子4在仿真啟動0~0.3秒段加速度快速升高，此后波動幅度逐漸穩(wěn)定，分別在2300000/s2和2200000/s2 附近波動，分別如圖7(c)和圖7(d)所示。</

25、p><p>　?。╝）滾子1的自轉角加速度</p><p>　　（b）滾子2的自轉角加速度</p><p>　?。╟）滾子3的自轉角加速度</p><p>　?。╠）滾子4的自轉角加速度</p><p>　　圖7 蝸輪滾子的角加速度曲線</p><p>　?。╝）滾子1處的運動副反力</p&g

26、t;<p>　　（b）滾子2處的運動副反力</p><p>　?。╟）滾子3處的運動副反力</p><p>　?。╠）滾子4處的運動副反力</p><p>　　圖8 滾子轉動副處的運動副反力</p><p>　　在蝸輪上添加工作阻力矩T2=15915N/mm，仿真得到蝸輪滾子回轉運動副的反作用力如圖8示。在圖8(a)中，滾子1的

27、運動副反力在45N上下波動，其波動幅度較小。滾子2的運動副反力也穩(wěn)定在45N附近，如圖8(b)所示。滾子3在0~0.3秒段，其運動副反力穩(wěn)定在75N附近，之后在45N 附近小幅波動，如圖8(c)所示。滾子4在0.3秒后其運動副反力在75N附近小幅波動，如圖8(d)所示。從所描述的滾子轉動副處的運動副反力來看，該傳動工作時其角速度、角加速度以及滾子的受力波動較大，嚙合傳動過程中可能有較大的振動和沖擊。</p><p&g

28、t;<b>　　4 結論</b></p><p>　　在機械系統(tǒng)運動仿真平臺COSMOSMotion上完成了無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動機構的運動學仿真，研究了蝸桿、蝸輪以及滾子的運動狀態(tài)。驗證了蝸桿齒面方程的正確性。通過對無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動機構添加三維碰撞約束，模擬了傳動機構在碰撞力作用下機構運動的運行狀態(tài)，得到蝸桿、蝸輪角速度曲線以及蝸輪滾子齒的角速度、角加速度曲線，且在加載條

29、件下研究了蝸輪滾子齒轉動副處的運動副反力。仿真結果表明：蝸輪的角速度以及蝸輪滾子齒的角速度、角加速度在蝸輪有工作阻力的情況下波動較大，由此得出在蝸桿傳動在工作過程中可能有較大的振動和沖擊作用。</p><p>　　該研究方法為進一步的機構運動過程模擬、動態(tài)干涉檢驗、動力學分析、強度校核、優(yōu)化設計和振動噪音分析等提供了較為準確可靠的依據(jù)。</p><p>　　參 考 文 獻</p

30、><p>　　[1] 王進戈,張均富,洪雷.無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動機構[P]. 發(fā)明專利:CN101290042.2008.4.</p><p>　　[2] 洪雷,王進戈,張均富等.無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動的嚙合分析[J]. 西華大學學報,2008,27（3）:18~23. </p><p>　　[3] 洪雷. 無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動的研究[D]. 成都

31、：西華大學,2007.</p><p>　　[4] 吳江. 無側隙雙滾子包絡環(huán)面蝸桿傳動的設計與制造[D]. 成都：西華大學,2008.</p><p>　　[5] 孫昌佑,李儒瓊,何鳳琴等. 環(huán)面蝸桿螺旋線參數(shù)建模與齒面生成[J]. 機械設計與研究,2006,22(6):53-56.</p><p>　　[6] 魏國武,姚立綱,朱曉林等. 超環(huán)面行星蝸桿傳動的運動

32、學和動力學仿真[J].機械設計與研究,2005,21(5):52-55.</p><p>　　[7] 魏民,楊洋,李成祥. 顯微外科打結機器人的機構設計與運動仿真[J].機械設計與研究,2008,24(1):102-105</p><p>　　[8] 宋勝濤,李瑞琴. 混合驅動七桿機構的運動規(guī)律研究[J].機械設計與研究,2008,24(6):25-29.</p><p

33、>　　[9] 王進戈. 滾錐包絡環(huán)面蝸桿傳動[M]. 成都：四川科學技術出版社.2000.12.</p><p>　　作者簡介：劉新華，男， 1982年11月30日出生，碩士研究生，主要研究方向為現(xiàn)代傳動技術。</p><p><b>　　稿件號：5598</b></p><p>　　聯(lián)系電話：15882441056 ， 137525