RV減速機虛擬樣機的建造研究
研究生：李霞
指導(dǎo)教師：李偉 教授
申請學(xué)位門類級別：工學(xué)碩士
專業(yè)名稱：機械設(shè)計及理論
研究方向：計算機集成制造
摘要
RV減速器是采用漸開線行星傳動和擺線針輪傳動相結(jié)合的ZK-V行星傳動。其主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊、速比大而且剛性大，因而越來越廣泛地應(yīng)用于以機器人為代表的機電一體化領(lǐng)域。由于我國現(xiàn)有對該機構(gòu)的研究方法較依賴于物理樣機，無法在產(chǎn)品設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題并及時給予修改，改進研究方法對其進行必要的性能分析極具現(xiàn)實意義。本論文根據(jù)實示工程的需要，在多體動力學(xué)理論及有限元分析理論的基礎(chǔ)上，借助高端CAD／CAE/CAM軟件UG、ADAMS和ANSYS構(gòu)建的集成系統(tǒng)平臺，建立了RV減速器的動力絲仿真與有限元分析的數(shù)字化虛擬樣機研究環(huán)境。
光成的工作主要包括：1.采用基于特征的參數(shù)化造型方法，完成RV減速器整機的參數(shù)化造型，為系統(tǒng)仿真及有限元分析做好必要的準(zhǔn)備，同時通過對整個模型的靜態(tài)干涉檢驗，糾正了原有機構(gòu)中存在的問題。2.利用機械系統(tǒng)仿真軟件ADAMS建立了RV減速器虛擬樣機模型，并分析了各種修形方式對該機構(gòu)傳動誤差與空程角誤差的影響，得到較合理的組合修形方式。3.利用有限元分析軟件ANSYS建立了RV減速器整機的有限元分析模型，并對其進行模態(tài)分析，求出固有頻率和振型，研究了機構(gòu)的振動問題。
本文所采用的分析方法處于當(dāng)今制造業(yè)的前沿地位，是對我國傳統(tǒng)機械產(chǎn)品研發(fā)模式的大變革，得到的結(jié)論對RV減速器的設(shè)計和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：RV減速器，動力學(xué)仿真，有限元分析，虛擬樣機
第一章 緒論
1.1概述
第一臺RV(Rotary Vector）減速器于1986年山日本帝人公司研制成功并獲得日本專利，主要用于機器人上。RV傳動是在擺線針輪傳動基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳動，它具有體積小、重量輕、傳動比范圍大、傳動效率高等一系列優(yōu)點，比單純的擺線針輪傳動具有更小的體積和更大的過載能力，因而在國內(nèi)外受到廣泛重視，在機器人的傳動機構(gòu)中，已在很大程度上逐漸取代單純的擺線針輪傳動和諧波齒輪傳動。我國于1989年由天津職業(yè)技術(shù)師范學(xué)校和天津減速機廠合作研制成功曲柄式減速機（即RV型傳動機構(gòu)）以來，這些年也取得了一些進步。但目前我國近千家企業(yè)卻沒有真正意義上的綜合性能物理仿真試驗環(huán)境，從而在很大程度上阻礙了該類機構(gòu)的優(yōu)化與技術(shù)含量的進一步提高。究其原因，一方面是造價昂貴、成本高：另一方面是重復(fù)設(shè)計周期長、智能化程度低，不符合制造業(yè)高效、低成本、自動化的市場要求。因此長期以來不能擺脫向外國進口重要、精密減速機構(gòu)的尷尬局面。虛擬樣機仿真理論的提出標(biāo)志著制造業(yè)的變革，該技術(shù)是一門綜合多學(xué)科的技術(shù)，以數(shù)學(xué)、機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)和控制理論為核心，加上成熟的三維計算機圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù)，將分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)（如零部件的CAD和Flex有限元分析）集成在一起，提供一個全新研發(fā)機械產(chǎn)品的設(shè)計方法。它通過設(shè)計中的反饋信息不斷地指導(dǎo)設(shè)計，保證產(chǎn)品尋優(yōu)開發(fā)過程順利進行。
然而我國大多數(shù)相關(guān)企業(yè)仍停留在傳統(tǒng)的設(shè)計方法上，研發(fā)過程通常要經(jīng)過設(shè)計、樣機試制、工業(yè)性試驗、改進定型和批量生產(chǎn)幾個步驟。由于這種基于物理樣機的設(shè)計研發(fā)模式的致命缺陷（成本高、周期長），往往使物理樣機的反復(fù)性試驗不夠充分，加上設(shè)計人員通常不愿為修改局部而給整機帶來不可欲知的結(jié)果，這就使我國的機械產(chǎn)品造型、結(jié)構(gòu)和功能嚴(yán)重老化，從而在市場上缺乏競爭能力。這種基于樣機制造、試驗拘設(shè)計方法增加了新產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，這種人力、物力、財力的浪費越嚴(yán)重，從而嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高。虛擬樣機技術(shù)的出現(xiàn)和逐漸成熟，為解決這些問題提供了強有力的工具和手段。
因此，本課題針對國產(chǎn)品點焊機器人中對RV減速器的迫切需要，運用了國外先進的虛擬樣機建造與仿真工具，建立了一個RV減速機虛擬樣機的分析環(huán)境，同時提出一個從虛擬建模到系統(tǒng)仿真和有限元分析的操作性較強的實現(xiàn)體系。該體系注重理論與矢際相結(jié)合，充分體現(xiàn)了高新技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的可操作性與高質(zhì)量、高效率的特性。
1.2虛擬樣機技術(shù)簡介
虛擬樣機技術(shù)就是在構(gòu)建制造物理樣機之前，設(shè)計師利用計算機技術(shù)建立機械系統(tǒng)溝數(shù)字化模型，模擬該產(chǎn)品的各種真實工況進行仿真分析，預(yù)測分析該產(chǎn)品的各項性能，從而為改進產(chǎn)品設(shè)計，提高產(chǎn)品性能提供理論指導(dǎo)的一種新技術(shù)。
該技術(shù)是許多技術(shù)的綜合。它的核心部分是多體系統(tǒng)運動學(xué)與動力學(xué)建模理論及其技術(shù)實現(xiàn)。作為應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個分支的數(shù)值算法及時一地提供了求解這種問題的有效的快速算法。近年來的計算機可視化技術(shù)及動畫技術(shù)的發(fā)展為這項技術(shù)提供了友好的人機用戶界面。CAD/FEA等技術(shù)的發(fā)展為虛擬模型技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)環(huán)境。
同傳統(tǒng)的基于物理樣機的設(shè)計研發(fā)方法相比，虛擬樣機設(shè)計方法具有以下特點:
(l）全新的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的研發(fā)方法從設(shè)計到生產(chǎn)是一個串行過程，這種方法存在很多的弊端，比如重復(fù)設(shè)計、制造周期長等。而虛擬樣機技術(shù)真正實現(xiàn)了系統(tǒng)角度的產(chǎn)品優(yōu)化，它基于并行工程（Concurrent Engineering)，使產(chǎn)品的概念設(shè)計階段就可以迅速也分析、比較多種設(shè)計方案，確定影響性能的敏感參數(shù)，并通過可視化技術(shù)設(shè)計產(chǎn)品、預(yù)測產(chǎn)品在真實工況下的特征以及所具有的響應(yīng)，直至獲得最優(yōu)工作性能。
(2）更低的研發(fā)成本、更短的研發(fā)周期、更高的產(chǎn)品質(zhì)景。采用虛擬樣機設(shè)計方法有助于擺脫對物理樣機的依賴。通過計算機技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型（即虛擬樣機）,可以完成無數(shù)次物理樣機無法講行的慮擬試驗（成本和時間條件不允許），從而無需制造及試驗物理樣機就可獲得最優(yōu)方案，因此不但減少了物理樣機的數(shù)量，而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
(3）該技術(shù)能幫助用戶設(shè)計、分析開發(fā)幾乎所有運動著的系統(tǒng)或產(chǎn)品。從簡單的連桿機構(gòu)、小型機電產(chǎn)品到復(fù)雜的車輛、飛機和宇宙飛船，均可建造其虛擬樣機。
(4）實現(xiàn)動態(tài)聯(lián)盟的重要手段。目前世界范圍內(nèi)廣泛地接受了動態(tài)聯(lián)盟的概念，即為了適應(yīng)快速變化的全球市場，克服單個企業(yè)資源的局限性，出現(xiàn)了在一定時間內(nèi)，通過Internet（或Intranet）臨時締結(jié)成的一種虛擬企業(yè)。為實現(xiàn)并行設(shè)計和制造，參盟企業(yè)之間產(chǎn)品信息的敏捷交流尤顯重要，而虛擬樣機是一種數(shù)字化模型，通過網(wǎng)絡(luò)輸送產(chǎn)品信息，具有傳遞快速、反饋及時的特點，進而使動態(tài)聯(lián)盟的活動具有高度的并行性。
從虛擬樣機技術(shù)在工業(yè)上成功應(yīng)用的幾個例子可以更加清楚地了解該技術(shù)的優(yōu)越：
1997年7月4日，美國航空航天局（NASA）的噴氣推進實驗室（JPL）成功地實現(xiàn)了火星探測器《探路號》在火星上的軟著陸，成為轟動一時的新聞。但人們并不知道，如果不是采用了一項新技術(shù)，這個計劃可能要失敗。在探測器發(fā)射以前，JPL的工程師們運用這項技術(shù)預(yù)測到由于制動火箭與火星風(fēng)的相互作用，探測器很可能在著陸時滾翻并最后六輪朝上。工程師們針對這個問題修改了技術(shù)方案，保證了火星登陸計劃的成功；福特汽車公司在一個新車型的開發(fā)中也采用了這項技術(shù)，其設(shè)計周期縮短了70天。全公司充圍內(nèi)，由于采用了這項技術(shù)，設(shè)計費用減少了4千萬美元，制造費用節(jié)省了10億美元。由于設(shè)計制造周期的縮短，新車上市早，額外贏利達到其成本的數(shù)倍；世界上最大的工程機械制造商卡特皮勒公司的工程師們在經(jīng)過幾天培訓(xùn)后，采用這項技術(shù)進行裝載機和挖掘機的工作裝置優(yōu)化設(shè)計及分析，在一天時間內(nèi)，他們對工作裝置進行了上萬個工位內(nèi)運動及受力分析，很容易地實現(xiàn)了理想的設(shè)計。
1.3RV減速器傳動特點簡介
RV傳動作為一種新型傳動，從結(jié)構(gòu)上看，其基本特點可概括如下:
(l）傳動比范圍大
通過改變第一級減速裝置中齒輪的齒數(shù)Z1和Z2，可以方便地獲得范圍較大的傳動比；其常用的傳動比范圍為I=57～192。
(2）結(jié)構(gòu)緊湊
傳動機構(gòu)置于行星架的兩支承主軸承內(nèi)側(cè)，可使傳動的軸向尺寸大大縮小。
(3）使用壽命長
采用二級減速機構(gòu)，低速級的針擺傳動公轉(zhuǎn)速度減小，傳動更加平穩(wěn)，轉(zhuǎn)臂軸承個數(shù)增多且內(nèi)外環(huán)相對轉(zhuǎn)速下降，可提高其壽命。
(4）剛性大，抗沖擊性能好
輸出機構(gòu)采用兩端支承結(jié)構(gòu)，比一般擺線減速機的輸出機構(gòu)（懸臂梁結(jié)構(gòu)）剛性大、抗沖擊性能高。
(5）傳動效率高。
因為除了針輪的針齒銷支承部件外，其它構(gòu)件均為滾動軸承支承，所以其傳動效率高。
(6）只要設(shè)計合理，可以獲得高的運動精度。
1.4課題預(yù)期目標(biāo)
本課題總的詳細目標(biāo)為：
1.建立RV減速器整機的實體模型，該模型必須包括所有零件的完整信息，即各零件的表面積、體積、質(zhì)量、慣性矩、材料和密度等信息，為后面的機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析及有限元分析做準(zhǔn)備。
2.根據(jù)減速器的傳動原理和實際工況，給其施加準(zhǔn)確的約束、載荷及激勵，完成機構(gòu)的仿真模型，進行仿真并驗證樣機建立正確。
3.為與減速器的實際工作環(huán)境吻合，對擺線輪進行修形，因?qū)嶋H中修形方式及修形封的選擇對RV減速器的傳動性能影響極大，研究修形方式和修形量的正確組合，獲得當(dāng)最佳的傳動性能。
4.計算減速器整機的固有頻率，研究RV減速器的振動問題。
1.5課題意義
一.利用虛擬樣機技術(shù)研究RV減速器非常必要。RV傳動用在機器人中有著任何其它機構(gòu)均無法比擬的優(yōu)越，而我國研究它的幾家研發(fā)中心均沒有建立真正意義上的綜合性指虛擬樣機仿真試驗環(huán)境，均采用物理樣機試制-試驗-發(fā)現(xiàn)問題-改進-試驗-……-結(jié)果滿意-制造產(chǎn)品，但試驗周期長，制造物理樣機成本昂貴。虛擬樣機技術(shù)克服了上述弊端，能夠保證效率高、操作方便、質(zhì)量可靠，成本低廉。
二．本課題對解決工程問題具有實際應(yīng)用價值。因為以工程應(yīng)用的實際課題為背景，采月新興先進的系統(tǒng)動力學(xué)理論方法，全面分析RV減速器的整體動力學(xué)性能，同時進行尤化設(shè)計與故障分析方面的探討。
三．利用虛擬樣機技術(shù)研發(fā)機構(gòu)的思維值得推廣。以虛擬樣機理論為基礎(chǔ)，以RV減速器為研究對象，借助現(xiàn)代高新技術(shù)，嘗試用三維建模、系統(tǒng)仿真、有限元分析軟件來創(chuàng)建一個從設(shè)計到系統(tǒng)分析的結(jié)構(gòu)體系與實用仿真環(huán)境有著深遠的意義，如將該方法運用到我國的某些機械行業(yè)，能推動我國機械行業(yè)的快速發(fā)展。
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