RV減速器虛擬樣機(jī)的建模
3.1 RV減速器虛擬樣機(jī)的幾何建模
3.1.1基于特征的參數(shù)化建模
一、參數(shù)化造型技術(shù)
參數(shù)化技術(shù)以一種全新的思維和方式進(jìn)行產(chǎn)品的造型、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和修改設(shè)計(jì)，是指設(shè)于對(duì)象的結(jié)構(gòu)形狀比較確定，可以用一組參數(shù)來(lái)定義幾何圖形（體素）的尺寸數(shù)值并約束尺寸的關(guān)系，為設(shè)計(jì)者進(jìn)行幾何造型提供條件。參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象的控制尺寸有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)結(jié)果的修改受尺寸驅(qū)動(dòng)的影響，所以也稱(chēng)為參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)。參數(shù)化技術(shù)以其強(qiáng)有力的草圖設(shè)計(jì)、尺寸驅(qū)動(dòng)修改等功能，成為初始設(shè)計(jì)、產(chǎn)品建模（實(shí)體造型）及修改設(shè)計(jì)、系列化設(shè)計(jì)、多方案比較和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的有效手段。
參數(shù)化設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是，通過(guò)說(shuō)明產(chǎn)品的幾何組成要素之間的幾何特征及其相互位置關(guān)系，定義一類(lèi)形狀或結(jié)構(gòu)相似的幾何實(shí)體，該類(lèi)實(shí)體的實(shí)例由一組特定的幾何約束值確定。由此，參數(shù)化實(shí)體模型是由幾何模型和幾何約束模型兩部分組成。完備的約束模型通過(guò)尺寸對(duì)幾何形狀的某些控制元素加以約束，構(gòu)成對(duì)幾何形體數(shù)據(jù)的唯一而完整的表示。在產(chǎn)品的幾何形狀修改和重建時(shí)，可以通過(guò)幾何約束建立尺寸與幾何定義變量之問(wèn)的約束方程組，求解約束方程組以實(shí)現(xiàn)尺寸變化到幾何改變的傳遞。
參數(shù)化造型是參數(shù)化技術(shù)在幾何造型中的具體應(yīng)用，使用約束來(lái)定義和修改幾何模型，約束包括尺寸約束、拓?fù)浼s束和工程約束（如應(yīng)力、性能等），這些約束反映了設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素。
通常，參數(shù)化特征造型方法包括兩種方式：
1.尺寸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又稱(chēng)參數(shù)化造型系統(tǒng)，它不考慮工程約束，只考慮幾何尺寸及拓?fù)洹?BR>2.變量設(shè)計(jì)系統(tǒng)考慮所有約束，通過(guò)求解一組約束方程組來(lái)確定產(chǎn)品的形狀和尺寸。約束與尺寸可以是幾何關(guān)系也可以是工程計(jì)算關(guān)系。變量設(shè)計(jì)可應(yīng)用于公差分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。
二、基于特征的參數(shù)化造型
將參數(shù)化造型的思想和特征造型的思想有機(jī)地結(jié)合到一起，用尺寸驅(qū)動(dòng)或變量設(shè)計(jì)的方法定義特征并進(jìn)行類(lèi)似的操作，這樣就形成了參數(shù)化特征造型。由于特征全部用參數(shù)化定義，因此對(duì)形狀、尺寸、公差、表面粗糙度等均可隨時(shí)修改和更新，最終達(dá)到修改設(shè)計(jì)的目的。參數(shù)化方法使設(shè)計(jì)者構(gòu)造幾何模型時(shí)可以集中于概念設(shè)計(jì)和整體設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮創(chuàng)造性，提高設(shè)計(jì)效率，基于特征的技術(shù)包含了零件的制造加工信息，為設(shè)計(jì)考提供了符合人們思維習(xí)慣的設(shè)計(jì)環(huán)境，二者有機(jī)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行實(shí)體造型將極大地提高，受計(jì)效率。
基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、優(yōu)化的前提。傳統(tǒng)的二維圖板式制圖注定沒(méi)計(jì)與造型永遠(yuǎn)是完全脫節(jié)的兩部分。而UG具有強(qiáng)大的基于特征的參數(shù)化造型功能，道模和修改方便快捷，所以本課題運(yùn)用UG的目的不僅是要完成幾何建模，同時(shí)要立足于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、及時(shí)解決問(wèn)題以及后期與ADAMS組合起來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化。
3.1.2 RV減速器的結(jié)構(gòu)分析
本課題研究的減速器型號(hào)為RV-6AⅡ，用于120kg點(diǎn)焊機(jī)器人上，其額定工況是輸入轉(zhuǎn)速1500r/min，負(fù)載為58N·m，下圖為利用UG生成的該型號(hào)RV減速器的爆炸圖，主要由齒輪軸、行星輪、曲柄軸、轉(zhuǎn)臂軸承、擺線輪、針輪、剛性盤(pán)及輸出盤(pán)等零部件組成。
一、零部件介紹
(l）齒輪軸：齒輪軸用來(lái)傳遞輸入功率，且與漸開(kāi)線行星輪互相嚙合。
(2）行星輪：它與轉(zhuǎn)臂（曲柄軸）固聯(lián)，兩個(gè)行星輪均勻地分布在一個(gè)圓周上，起功率分流的作用，即將輸入功率分成兩路傳遞給擺線針輪行星機(jī)構(gòu)。
(3）轉(zhuǎn)臂（曲柄軸）H：轉(zhuǎn)臂是擺線輪的旋轉(zhuǎn)軸。它的一端與行星輪相聯(lián)接，另一端與支撐圓盤(pán)相聯(lián)接，它可以帶動(dòng)擺線輪產(chǎn)生公轉(zhuǎn)，而且又支撐擺線輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)。
（4）擺線輪（RV齒輪）：為了實(shí)現(xiàn)徑向力的平衡在該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，一般應(yīng)采用兩個(gè)完全相同的擺線輪，分別安裝在曲柄軸上，且兩擺線輪的偏心位置相互成180°。
（5）針輪：針輪與機(jī)架固連在一起而成為針輪殼體，在針輪上安裝有30個(gè)針齒。
（6）剛性盤(pán)與輸出盤(pán)：輸出盤(pán)是RV型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與外界從動(dòng)工作機(jī)相聯(lián)接的構(gòu)件，輸出盤(pán)與剛性盤(pán)相互聯(lián)接成為一個(gè)整體，而輸出運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。在剛性盤(pán)上均勻分布兩個(gè)轉(zhuǎn)臂的軸承孔，而轉(zhuǎn)臂的輸出端借助于軸承安裝在這個(gè)剛性盤(pán)上。
二、傳動(dòng)原理
圖3-2是RV傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。它由漸開(kāi)線圓柱齒傳輸線行星減速機(jī)構(gòu)和擺線針輪行星減速機(jī)構(gòu)兩部分組成。漸開(kāi)線行星齒輪3與曲柄軸2連成一體，作為擺線針輪傳動(dòng)部分的輸入。如果漸開(kāi)線中心齒輪1順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，那么漸開(kāi)線行星齒輪在公轉(zhuǎn)的同時(shí)還有逆時(shí)針?lè)较蜃赞D(zhuǎn)，并通過(guò)曲柄帶動(dòng)擺線輪作偏心運(yùn)動(dòng)，此時(shí)擺線輪在其軸線公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還將在針齒的作用下反向自轉(zhuǎn)，即順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)通過(guò)曲柄軸將擺線輪的轉(zhuǎn)動(dòng)等速傳給輸出機(jī)構(gòu)。
為計(jì)算RV傳動(dòng)的傳動(dòng)比，將上述的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖用圖3-3所示的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖代替。該機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖包括兩個(gè)簡(jiǎn)單行星機(jī)構(gòu)：x1和x2。輸出件A為中心輪1，輸出件B為輸出盤(pán)6，且有ω6=ω4。支承件E為針輪7，漸開(kāi)線行星輪2與轉(zhuǎn)臂（曲柄軸）3均為輔助件d。
再由圖1-2，按照封閉差動(dòng)輪系求解傳動(dòng)比的如下關(guān)系式來(lái)計(jì)算其傳動(dòng)比：
（1-1）
從圖1-1可知，當(dāng)針輪7固定，輸出盤(pán)6輸出時(shí)
式中Z1——漸開(kāi)線中心輪齒數(shù)；Z2一一漸開(kāi)線行星輪齒數(shù)；
Z4一一擺線輪齒數(shù)；Z7一一針輪齒數(shù)，Z7=Z4+1。
經(jīng)計(jì)算，本型號(hào)RV減速器的傳動(dòng)比為103。
三、RV傳動(dòng)過(guò)程剖析
1.第一級(jí)減速的形成
執(zhí)行電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由齒輪軸傳遞給兩個(gè)漸開(kāi)線行星輪，進(jìn)行第一級(jí)減速。
2.第二級(jí)減速的形成
行星輪的旋轉(zhuǎn)通過(guò)曲柄軸帶動(dòng)相距180°的擺線輪，從而生成擺線輪的公轉(zhuǎn)；同時(shí)由于擺線輪在公轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)受到固定于針齒殼上的針齒的作用力而形成與擺線輪公轉(zhuǎn)方向相反的力矩，也造就了擺線輪的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣完成了第二級(jí)減速。
3.運(yùn)動(dòng)的輸出
通過(guò)兩個(gè)曲柄軸使擺線輪與剛性盤(pán)構(gòu)成平行四邊形的等角速度輸出機(jī)構(gòu)，將擺線輪的轉(zhuǎn)動(dòng)等速傳遞給剛性盤(pán)及輸出盤(pán)。
3.1.3 RV減速器的參數(shù)化建模
UC的基于特征的參數(shù)化造型功能為RV減速器的幾何建模提供了可靠的保證，也為后續(xù)的仿真和優(yōu)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在建造每個(gè)零件時(shí)比較重要卻往往易忽視的一點(diǎn)是進(jìn)行材料屬性的定義，比如密度和彈性模量，因?yàn)樵诤罄m(xù)分析中要用到這些屬性，同時(shí)UG與ADAMS和ANSYS的無(wú)縫鏈接可以讓這些屬性參數(shù)實(shí)現(xiàn)通訊。
下面僅就具有代表性且較復(fù)雜的關(guān)鍵零件一一擺線輪來(lái)簡(jiǎn)述一下參數(shù)化建模的方法。RV減速器的第二級(jí)擺線針輪傳動(dòng)采用圓柱面針齒與具有短幅外擺線等距曲線齒面的擺線輪相嚙合，擺線輪齒面形狀復(fù)雜，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的承載能力與壽命有極大的影響，因此齒面的造型極為重要。擺線輪齒廓形狀可由其曲線齒廓方程直接生成。
擺線輪齒廓形狀曲線表達(dá)式：
其中各個(gè)符號(hào)含義如下：（參見(jiàn)圖3-4）
zg——擺線輪齒數(shù)； e——偏心距； r——針齒半徑；
——針齒中心相對(duì)擺線輪中心轉(zhuǎn)過(guò)的角度； R
z——針齒分布圓半徑；
z
b——針齒齒數(shù)； k
1——短幅系數(shù)或變幅系數(shù)；
——M點(diǎn)公法線與X軸的夾角
參照上述的擺線輪齒廓形狀曲線表達(dá)式，在UG中建立的擺線的參數(shù)表達(dá)式見(jiàn)下圖：
式中t為系統(tǒng)內(nèi)部變量，范圍從O變到1，相應(yīng)地 從0變到360，得到完整的擺線輪廓，之后把形成的封閉曲線沿與曲線所在的平面相垂直的方向拉伸就形成了擺線針輪的實(shí)體。圖3-5就是所得到的擺線輪，當(dāng)然這里建造的擺線輪沒(méi)有考慮修形，因?yàn)樾扌问菙[線輪制造中較難把握的環(huán)節(jié)，因而關(guān)于修形的研究在下一章中有詳細(xì)的論述。
3.1.4整個(gè)模型的驗(yàn)證
當(dāng)所有的零件裝配完成后，在導(dǎo)入到仿真軟件前，有必要對(duì)整壞模型進(jìn)行幾何仿真，確保所設(shè)計(jì)的模型符合要求，并發(fā)現(xiàn)可能存在的缺陷，及時(shí)糾正問(wèn)題，同時(shí)對(duì)后續(xù)的工作具有較大的指導(dǎo)意義。
一、質(zhì)量屬性驗(yàn)證
通過(guò)UG強(qiáng)大的質(zhì)量屬性檢驗(yàn)功能，可獲得每個(gè)零件及整個(gè)模型的密度、體積、質(zhì)量和慣量等必要信息。上圖3-7是所獲得的擺線輪的相關(guān)信息。
二、干涉檢驗(yàn)
可以檢查模型裝配完成后的靜態(tài)干涉狀況，確保幾何體建模正確且裝配正確。UG的干涉檢驗(yàn)分為硬干涉（Hard Interferences）、軟干涉（Soft Interferences）、接觸干涉(Touch1ng Interferences）和包含干涉（Containment Interferences）。當(dāng)檢驗(yàn)有干涉時(shí)，UG會(huì)高亮干涉點(diǎn)，引導(dǎo)用戶(hù)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。各種干涉定義如下：
·硬干涉一一兩幾何體彼此相交，且二者間無(wú)包含關(guān)系。
·軟干涉一一兩幾何體間的距離小于或等于干涉臨界點(diǎn)（進(jìn)行分析前指定，一般默認(rèn)為0)，但不接觸。
·接觸干涉一一兩幾何體接觸但不相交。
·包含干涉一一一方完全包含另一方。
后三種都是實(shí)際結(jié)構(gòu)可能存在的，當(dāng)出現(xiàn)第一種干涉即硬干涉時(shí)就要引起高度重視，這可能是：設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，必須及時(shí)糾正。就是借助此功能，造型完成后，本人發(fā)現(xiàn)輸出盤(pán)與擺紅、輪間有硬干涉（見(jiàn)圖3-8)，與設(shè)計(jì)此減速器的部門(mén)交換意見(jiàn)，原來(lái)他們?cè)谠O(shè)計(jì)完后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題，等制造出成品后才發(fā)現(xiàn)，便通過(guò)手工磨削將干涉部分除去。此處也充分體現(xiàn)了與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)有著不可比擬的優(yōu)越，即在制造第一臺(tái)物理樣機(jī)前就發(fā)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)方面的缺陷。至于機(jī)構(gòu)的優(yōu)化和性能改進(jìn)方面，通過(guò)后面的仿真分析更能清楚地展現(xiàn)虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)越。
3.2 RV減速器的系統(tǒng)仿真
3.2.1 系統(tǒng)仿真概述
機(jī)械系統(tǒng)仿真指工程師在數(shù)字計(jì)算上建立系統(tǒng)的模型，并在模型上進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)，其后以圖形或表格等方式顯示該系統(tǒng)在各種工程條件下的運(yùn)動(dòng)特性，從而修改并優(yōu)化原始設(shè)計(jì)方案。
一般機(jī)械系統(tǒng)仿真過(guò)程流程圖：
優(yōu)勢(shì)：1、縮短產(chǎn)品試制周期、減少物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)次數(shù)，因此，工程師可在產(chǎn)品優(yōu)化方面軍投入更多的精力；
2、機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù)增加了零件彈性，添加了真實(shí)的摩擦力和控制系統(tǒng)，明顯提高了預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能的精度；
3、機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù)可幫助工程師更好地理解不同設(shè)計(jì)方案對(duì)產(chǎn)品性能的影響；
4、可以實(shí)時(shí)、快速地確定影響設(shè)計(jì)方案性能的敏感系數(shù)；
5、從開(kāi)發(fā)模式而言，在虛據(jù)點(diǎn)樣機(jī)技術(shù)中，工程師從系統(tǒng)的角度出發(fā)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)人，這一點(diǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)地零部件設(shè)計(jì)方法；
3.2.2 RV減速器虛擬樣機(jī)的物理建模
一、在ADAMS中進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)仿真的步�。�
1.運(yùn)動(dòng)分析：對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行必要的運(yùn)動(dòng)分析，大致了解其運(yùn)動(dòng)規(guī)律；
2.簡(jiǎn)化模型：對(duì)不影響系統(tǒng)分析的零部件進(jìn)行精簡(jiǎn)，以節(jié)約存儲(chǔ)空間，加快模型的計(jì)算。本減速器進(jìn)行的簡(jiǎn)化主要有：將漸開(kāi)線齒輪用圓柱代替（因?yàn)锳DAMS中有專(zhuān)門(mén)的齒輪約束副），曲柄上的軸承與曲柄固結(jié)為一體，刪除針齒殼（因其與機(jī)架固結(jié)，不影響運(yùn)動(dòng)傳遞）；
3.環(huán)境設(shè)置：進(jìn)行坐標(biāo)系、系統(tǒng)單位及網(wǎng)格等的設(shè)置，為后續(xù)的工作做準(zhǔn)備；
4.約束定義：施加約束，并定義各約束的屬性；
5.定義激勵(lì)：建立驅(qū)動(dòng)及力，即計(jì)算系統(tǒng)在給定位置上對(duì)給定激勵(lì)的各種響應(yīng)，包括位移、角位移、速度和加速度響應(yīng)等，并計(jì)算有激勵(lì)產(chǎn)生的約束力；
6.進(jìn)行仿真：設(shè)置好必要的仿真參數(shù)，執(zhí)行仿真分析；
7.結(jié)果處理：提取必要信息，顯示、處理并輸出仿真結(jié)果。
二、對(duì)RV減速器抽齒的確定
當(dāng)傳動(dòng)比i較大時(shí)，理論上要求的針齒數(shù)較多，在針齒殼上鉆的針齒銷(xiāo)孔也要增多，從而使針齒殼的強(qiáng)度削弱。且針齒殼孔過(guò)多，孔間臂厚太薄，加工后會(huì)產(chǎn)生較大的變形。因此，當(dāng)針齒數(shù)過(guò)多時(shí)（24個(gè)以上），需要抽齒，即在設(shè)計(jì)中按針齒等距的均勻抽掉一半或三分之二的方式進(jìn)行抽齒。雖然在本減速器的物理模型中刪除了針齒殼，但考慮到實(shí)際加工的限制，還是對(duì)減速器進(jìn)行一半抽齒，即每隔一個(gè)針齒抽去一個(gè)針齒。因擺線針輪傳動(dòng)從理論上說(shuō)有二分之一的齒嚙合，而實(shí)際上參與嚙合的齒數(shù)大約有三分之一，故在該多齒嚙合的傳動(dòng)中，抽齒后仍可保持傳動(dòng)的連續(xù)性。因此，擺線輪齒數(shù)不變，傳動(dòng)比也不變；故抽齒后，各構(gòu)件的相互幾何關(guān)系不發(fā)生任何變化，幾何計(jì)算也仍需按抽齒前的進(jìn)行。
三、整個(gè)機(jī)構(gòu)施加的約束
運(yùn)動(dòng)分析和環(huán)境設(shè)置是仿真分析中較基本的內(nèi)容，而準(zhǔn)確定義反映實(shí)際機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的約束和激勵(lì)較難把握，因此僅對(duì)其做詳細(xì)的說(shuō)明。
一個(gè)完整的機(jī)構(gòu)可由以下基本元件組成：構(gòu)件、力、約束、運(yùn)動(dòng)激勵(lì)等。約束的實(shí)現(xiàn)是建立虛擬樣機(jī)的重要內(nèi)容，約束類(lèi)型方式?jīng)Q定了機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的特征，是仿真分析真實(shí)可靠性的保證。約束定義的是機(jī)構(gòu)內(nèi)兩構(gòu)件的聯(lián)接關(guān)系，它限制兩構(gòu)件在某個(gè)方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。常用的約束類(lèi)型有：理想約束、虛約束、高幅約束等。
1.本系統(tǒng)加入的約束為：
齒輪軸與大地間施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副（Revolute Joint)；
兩個(gè)行星齒輪與齒輪軸間分別施加行星齒輪副（Gear)，為了實(shí)現(xiàn)行星齒輪副的定義，在兩個(gè)行星齒輪與齒輪軸間均添加一根無(wú)質(zhì)量的輔助構(gòu)件一一系桿，系桿與行星齒輪和齒輪軸都使用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接，這樣可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系定義，且不影響整機(jī)的性能分析；
兩個(gè)曲柄軸與行星齒輪間分別施加固定約束副（Fix Joint)，來(lái)模擬它們間的花鍵聯(lián)接，因?yàn)榇颂帩u開(kāi)線花鍵的作用是讓曲柄軸與行星齒輪固結(jié)為一體，固定約束副的工程意義正如此；
兩個(gè)擺線輪與兩個(gè)曲柄軸之間施加基于力的接觸（Circle in circle contact，共四個(gè)）
針齒與兩擺線輪間施加接觸力（solid to Solid Contact Force)；
每個(gè)針齒與大地間均施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副（Revolute Joint)；
剛性盤(pán)與兩曲柄軸間施加基于力的接觸（Circlein Circle Contact，共兩個(gè)）；
輸出盤(pán)與剛性盤(pán)間施加固定約束副（Fix Joint)；
兩擺線輪與齒輪軸間，及剛性盤(pán)與輸出軸間要施加平行軸虛約束（Parallel_axes Primitive_Joint)，因?yàn)锳DAMS要求曲線與曲線接觸（如Circle in Circle Contact）必須始終保持在一個(gè)平面內(nèi)，但在仿真過(guò)程中因徑向力或力矩可能出現(xiàn)不平衡，這樣會(huì)導(dǎo)致開(kāi)始在一個(gè)平面內(nèi)的兩條曲線不再位于一個(gè)平面上，因此平行軸虛約束非常必要。并且，此約束的施加不會(huì)產(chǎn)生過(guò)約束。
在此對(duì)本課題所采用的接觸力（Contact Force）模型和基于力的接觸（Force-Based Contact）模型作補(bǔ)充說(shuō)明，這兩種模型能較好地模擬實(shí)體間的接觸與碰撞。
（一）接觸力模型
在ADAMS中接觸分為兩類(lèi)：二維接觸和三維接觸，其中二維接觸用于模擬平面幾何體單元之間的相互作用，如圓、曲線、點(diǎn)等；而三維接觸用于模擬實(shí)體之間的相互作用，如球、圓柱體、封閉殼、拉伸體以及旋轉(zhuǎn)體等。接觸力模型使用兩種不同的算法：
(1）基于恢復(fù)的接觸
在這種方式中，ADAMS的分析引擎一一ADAMS/Solver根據(jù)懲罰系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)來(lái)計(jì)算接觸力，其中懲罰系數(shù)定義了接觸材料的局部剛度特性，懲罰系數(shù)大則保證一個(gè)幾何體與另一個(gè)幾何體的穿入深度較小，然而懲罰系數(shù)大會(huì)導(dǎo)致數(shù)值積分困難；恢復(fù)系數(shù)則表示碰撞接觸中的能量損耗。如果其值為O，則表示兩個(gè)碰撞體為完全的、理想的塑性接觸。如果值為1，則表示為完全彈性碰撞，沒(méi)有能量損耗。它的取值與接觸材料、摩擦有關(guān)系。
(2）普于IMPACT函數(shù)的接觸
在這種方式中，ADAMS/Solver根據(jù)ADAMS函數(shù)庫(kù)中的IMPACT函數(shù)來(lái)計(jì)算接觸力，該力實(shí)質(zhì)上被模擬為一個(gè)非線形的彈簧阻尼器。
本論文中所定義的接觸力都是基于IMPACT函數(shù)的接觸模型。在ADAMS中定義IMPACT函數(shù)的方程為:
上式中，
·x：指定一個(gè)距離變量來(lái)表示被定義接觸的兩物體間的相對(duì)位移；
·
：x的微分；
·xl：一個(gè)正的實(shí)數(shù)，指定x的自由長(zhǎng)度，如果x小于x1那么ADAMS/Solver計(jì)算的力值為正，否則，力值為零（具體含義見(jiàn)圖3-7),x1可以為實(shí)數(shù)、函數(shù)或變量；
·k：為剛度（Stiffness)，指定被用于計(jì)算接觸碰撞模型中法向作用力的材料剛度。一般來(lái)講，剛度越高，接觸體就越硬。
·cmax：為阻尼（Damping)，是一個(gè)非負(fù)的實(shí)數(shù)，用于指定接觸材料的阻尼屬性。
·d：稱(chēng)為穿入深度（Penetration Depth)，定義ADAMS/Solver啟動(dòng)完全阻尼的深度。
ADAMS/Solver使用一個(gè)立方函數(shù)來(lái)模擬阻尼系數(shù)，當(dāng)深度為零時(shí)阻尼系數(shù)為零，當(dāng)深度達(dá)到所定義的穿入深度時(shí)為完全阻尼。
·e：力指數(shù)（Force Exponent）：ADAMS？Solver將法向作用力建摸為一個(gè)非線形彈簧阻尼器。
（二）基于力的接觸（Force-Based Contact）模型
基于力的接觸是作用在零件上的特殊的力。當(dāng)指定的零件幾何體彼此進(jìn)入一個(gè)預(yù)定義的接近程度，這些力就將會(huì)激活。ADAMs/Solver將根據(jù)一個(gè)接觸數(shù)組來(lái)確定這些力的值，而該數(shù)組中的幾個(gè)主要參數(shù)與IMPACT函數(shù)中的參數(shù)意義相似。具體如下:
·剛度：?jiǎn)卧拇┤肷疃人a(chǎn)生的力。
·力指數(shù)：力變形特征的指數(shù)。
·阻尼：最大粘性阻尼系數(shù)。
·穿入深度：全阻尼開(kāi)始啟動(dòng)的穿入深度。
·靜摩擦系數(shù)（μs)：作用在相對(duì)運(yùn)動(dòng)相反方向上的摩擦力與法向作用力的比值。
·靜摩擦滑動(dòng)速度（Vs)：靜摩擦系數(shù)達(dá)到全值的速度。
·動(dòng)摩擦系數(shù)（μk)：作用在相對(duì)運(yùn)動(dòng)相反方向上的摩擦力與法向作用力的比值。
·動(dòng)摩擦滑動(dòng)速度（Vk)：靜摩擦系數(shù)完全轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦系數(shù)的速度值。
幾個(gè)摩擦參數(shù)的關(guān)系如下圖所示：
這些參數(shù)的設(shè)定是令大多工程師們較頭疼的，在對(duì)其含義透徹理解的基礎(chǔ)上還涉及較多的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。不僅要考慮相碰撞的兩物體的材料，還與機(jī)構(gòu)所工作的環(huán)境（有無(wú)潤(rùn)滑油）有關(guān)，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)且與有經(jīng)驗(yàn)的工程師交流，最終將接觸約束的各參數(shù)定義為下表（表3-l）所示：
|
k |
e |
c |
d |
μs |
Vs |
μk |
Vk |
|
1e5N/mm |
1.5 |
50N-sec/mm |
0.1mm |
0.08 |
0.1mm/sec |
0.05 |
10mm/sec |
表3-1接觸約束的參數(shù)定義
2.運(yùn)動(dòng)激勵(lì)與力：電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出扭矩，即在輸入軸的旋轉(zhuǎn)副上施加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)激勵(lì)(Rotational Motion)，使輸入軸保持等速旋轉(zhuǎn)，在輸出盤(pán)上施加負(fù)載(Simple_component Torque）。
約束定義完后需對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行校驗(yàn)，確保所有的零件均施加了約束且約束施加合理準(zhǔn)確。下面是驗(yàn)證結(jié)果：
VERIFY MODEL:.RV_reducer
29 Gruebler Count (approximate degrees of freedom)
26 Moving Parts (not including ground)
20 Revolute Joints
3 Fixed Joints
3 Parallel_axes Primitive_Joints
1 Motions
2 Gears
29 Degrees of Freedom for .RV_reducer There are no redundant constraint equations. Model verified successfully
仿真到某一時(shí)刻的模型見(jiàn)下圖：
3.2.3 RV減速器虛擬樣機(jī)的驗(yàn)證
為了檢驗(yàn)不同的輸入角速度情況下，輸出角速度與輸入角速度的關(guān)系是否保持為減速比，可將輸入角速度設(shè)置為變量，取不同的值進(jìn)行驗(yàn)證。
（1）空載情況下
本課題中對(duì)輸入轉(zhuǎn)速取兩個(gè)值（n1=500轉(zhuǎn)/分3000度/稍及n1=100轉(zhuǎn)/分=600度/秒）分別進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如下圖（圖3-9，3-10）：
按RV減速器傳動(dòng)比的理論計(jì)算公式i
16=1+
，由村課題所研究的RV減速器的參數(shù)：Z
2=34，Z
1=10，Z
7=30，計(jì)算得到總的傳動(dòng)比為103，而由仿真得到的傳動(dòng)比在圖3-8中為i=3000/29.12=103.02，在圖3-9中為i=600/5.829=102.93，且圖中擺線輪與輸出盤(pán)的角速度相等說(shuō)明輸出部分施加的約束滿(mǎn)足等角速度輸出原理。
（2）額定負(fù)載下
在輸出軸上施加58N·m的力矩，輸入軸轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分（即9000度/秒），仿真的結(jié)果為：
虛擬樣機(jī)模型驗(yàn)證的結(jié)論：對(duì)該虛擬樣機(jī)模型，只要定義了輸入轉(zhuǎn)速和負(fù)載扭矩，就可以進(jìn)行正確的仿真，并且傳動(dòng)比總為103，也就是說(shuō)該模型適合于任何工況，并且針齒與擺線輪間作用力的變化規(guī)律符合工程上的實(shí)際情況，因此該樣機(jī)模型建立正確，可以進(jìn)行下面的分析。
