RV減速機(jī)虛擬樣機(jī)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(jí)別：工學(xué)碩士
專業(yè)名稱：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論
研究方向：計(jì)算機(jī)集成制造
摘要
RV減速器是采用漸開線行星傳動(dòng)和擺線針輪傳動(dòng)相結(jié)合的ZK-V行星傳動(dòng)。其主要特點(diǎn)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(jī)器人為代表的機(jī)電一體化領(lǐng)域。由于我國現(xiàn)有對該機(jī)構(gòu)的研究方法較依賴于物理樣機(jī)，無法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題并及時(shí)給予修改，改進(jìn)研究方法對其進(jìn)行必要的性能分析極具現(xiàn)實(shí)意義。本論文根據(jù)實(shí)示工程的需要，在多體動(dòng)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(tái)，建立了RV減速器的動(dòng)力絲仿真與有限元分析的數(shù)字化虛擬樣機(jī)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(jī)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(shí)通過對整個(gè)模型的靜態(tài)干涉檢驗(yàn)，糾正了原有機(jī)構(gòu)中存在的問題。2.利用機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件ADAMS建立了RV減速器虛擬樣機(jī)模型，并分析了各種修形方式對該機(jī)構(gòu)傳動(dòng)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(jī)的有限元分析模型，并對其進(jìn)行模態(tài)分析，求出固有頻率和振型，研究了機(jī)構(gòu)的振動(dòng)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(jī)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(jì)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：RV減速器，動(dòng)力學(xué)仿真，有限元分析，虛擬樣機(jī)
第一章 緒論
1.1概述
第一臺(tái)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(jī)器人上。RV傳動(dòng)是在擺線針輪傳動(dòng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳動(dòng)，它具有體積小、重量輕、傳動(dòng)比范圍大、傳動(dòng)效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，比單純的擺線針輪傳動(dòng)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(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，已在很大程度上逐漸取代單純的擺線針輪傳動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)。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(jī)廠合作研制成功曲柄式減速機(jī)（即RV型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）以來，這些年也取得了一些進(jìn)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(yàn)環(huán)境，從而在很大程度上阻礙了該類機(jī)構(gòu)的優(yōu)化與技術(shù)含量的進(jìn)一步提高。究其原因，一方面是造價(jià)昂貴、成本高：另一方面是重復(fù)設(shè)計(jì)周期長、智能化程度低，不符合制造業(yè)高效、低成本、自動(dòng)化的市場要求。因此長期以來不能擺脫向外國進(jìn)口重要、精密減速機(jī)構(gòu)的尷尬局面。虛擬樣機(jī)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(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心，加上成熟的三維計(jì)算機(jī)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(jì)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(gè)全新研發(fā)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法。它通過設(shè)計(jì)中的反饋信息不斷地指導(dǎo)設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品尋優(yōu)開發(fā)過程順利進(jìn)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(jì)方法上，研發(fā)過程通常要經(jīng)過設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、工業(yè)性試驗(yàn)、改進(jìn)定型和批量生產(chǎn)幾個(gè)步驟。由于這種基于物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)模式的致命缺陷（成本高、周期長），往往使物理樣機(jī)的反復(fù)性試驗(yàn)不夠充分，加上設(shè)計(jì)人員通常不愿為修改局部而給整機(jī)帶來不可欲知的結(jié)果，這就使我國的機(jī)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(jī)制造、試驗(yàn)拘設(shè)計(jì)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(cái)力的浪費(fèi)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(jī)技術(shù)的出現(xiàn)和逐漸成熟，為解決這些問題提供了強(qiáng)有力的工具和手段。
因此，本課題針對國產(chǎn)品點(diǎn)焊機(jī)器人中對RV減速器的迫切需要，運(yùn)用了國外先進(jìn)的虛擬樣機(jī)建造與仿真工具，建立了一個(gè)RV減速機(jī)虛擬樣機(jī)的分析環(huán)境，同時(shí)提出一個(gè)從虛擬建模到系統(tǒng)仿真和有限元分析的操作性較強(qiáng)的實(shí)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(jī)技術(shù)簡介
虛擬樣機(jī)技術(shù)就是在構(gòu)建制造物理樣機(jī)之前，設(shè)計(jì)師利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械系統(tǒng)溝數(shù)字化模型，模擬該產(chǎn)品的各種真實(shí)工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測分析該產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，從而為改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，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(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)。作為應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)分支的數(shù)值算法及時(shí)一地提供了求解這種問題的有效的快速算法。近年來的計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)及動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展為這項(xiàng)技術(shù)提供了友好的人機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)方法相比，虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法具有以下特點(diǎn):
(l）全新的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的研發(fā)方法從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)是一個(gè)串行過程，這種方法存在很多的弊端，比如重復(fù)設(shè)計(jì)、制造周期長等。而虛擬樣機(jī)技術(shù)真正實(shí)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(jì)階段就可以迅速也分析、比較多種設(shè)計(jì)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(jì)產(chǎn)品、預(yù)測產(chǎn)品在真實(shí)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(jī)設(shè)計(jì)方法有助于擺脫對物理樣機(jī)的依賴。通過計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型（即虛擬樣機(jī)）,可以完成無數(shù)次物理樣機(jī)無法講行的慮擬試驗(yàn)（成本和時(shí)間條件不允許），從而無需制造及試驗(yàn)物理樣機(jī)就可獲得最優(yōu)方案，因此不但減少了物理樣機(jī)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(jì)、分析開發(fā)幾乎所有運(yùn)動(dòng)著的系統(tǒng)或產(chǎn)品。從簡單的連桿機(jī)構(gòu)、小型機(jī)電產(chǎn)品到復(fù)雜的車輛、飛機(jī)和宇宙飛船，均可建造其虛擬樣機(jī)。
(4）實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(dòng)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(gè)企業(yè)資源的局限性，出現(xiàn)了在一定時(shí)間內(nèi)，通過Internet（或Intranet）臨時(shí)締結(jié)成的一種虛擬企業(yè)。為實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)的特點(diǎn)，進(jìn)而使動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的活動(dòng)具有高度的并行性。
從虛擬樣機(jī)技術(shù)在工業(yè)上成功應(yīng)用的幾個(gè)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(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）成功地實(shí)現(xiàn)了火星探測器《探路號(hào)》在火星上的軟著陸，成為轟動(dòng)一時(shí)的新聞。但人們并不知道，如果不是采用了一項(xiàng)新技術(shù)，這個(gè)計(jì)劃可能要失敗。在探測器發(fā)射以前，JPL的工程師們運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)預(yù)測到由于制動(dòng)火箭與火星風(fēng)的相互作用，探測器很可能在著陸時(shí)滾翻并最后六輪朝上。工程師們針對這個(gè)問題修改了技術(shù)方案，保證了火星登陸計(jì)劃的成功；福特汽車公司在一個(gè)新車型的開發(fā)中也采用了這項(xiàng)技術(shù)，其設(shè)計(jì)周期縮短了70天。全公司充圍內(nèi)，由于采用了這項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)費(fèi)用減少了4千萬美元，制造費(fèi)用節(jié)省了10億美元。由于設(shè)計(jì)制造周期的縮短，新車上市早，額外贏利達(dá)到其成本的數(shù)倍；世界上最大的工程機(jī)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(xiàng)技術(shù)進(jìn)行裝載機(jī)和挖掘機(jī)的工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析，在一天時(shí)間內(nèi)，他們對工作裝置進(jìn)行了上萬個(gè)工位內(nèi)運(yùn)動(dòng)及受力分析，很容易地實(shí)現(xiàn)了理想的設(shè)計(jì)。
1.3RV減速器傳動(dòng)特點(diǎn)簡介
RV傳動(dòng)作為一種新型傳動(dòng)，從結(jié)構(gòu)上看，其基本特點(diǎn)可概括如下:
(l）傳動(dòng)比范圍大
通過改變第一級(jí)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(dòng)比；其常用的傳動(dòng)比范圍為I=57～192。
(2）結(jié)構(gòu)緊湊
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)置于行星架的兩支承主軸承內(nèi)側(cè)，可使傳動(dòng)的軸向尺寸大大縮小。
(3）使用壽命長
采用二級(jí)減速機(jī)構(gòu)，低速級(jí)的針擺傳動(dòng)公轉(zhuǎn)速度減小，傳動(dòng)更加平穩(wěn)，轉(zhuǎn)臂軸承個(gè)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(jī)構(gòu)采用兩端支承結(jié)構(gòu)，比一般擺線減速機(jī)的輸出機(jī)構(gòu)（懸臂梁結(jié)構(gòu)）剛性大、抗沖擊性能高。
(5）傳動(dòng)效率高。
因?yàn)槌酸樰喌尼橗X銷支承部件外，其它構(gòu)件均為滾動(dòng)軸承支承，所以其傳動(dòng)效率高。
(6）只要設(shè)計(jì)合理，可以獲得高的運(yùn)動(dòng)精度。
1.4課題預(yù)期目標(biāo)
本課題總的詳細(xì)目標(biāo)為：
1.建立RV減速器整機(jī)的實(shí)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(jī)械系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)原理和實(shí)際工況，給其施加準(zhǔn)確的約束、載荷及激勵(lì)，完成機(jī)構(gòu)的仿真模型，進(jìn)行仿真并驗(yàn)證樣機(jī)建立正確。
3.為與減速器的實(shí)際工作環(huán)境吻合，對擺線輪進(jìn)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(dòng)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(dòng)性能。
4.計(jì)算減速器整機(jī)的固有頻率，研究RV減速器的振動(dòng)問題。
1.5課題意義
一.利用虛擬樣機(jī)技術(shù)研究RV減速器非常必要。RV傳動(dòng)用在機(jī)器人中有著任何其它機(jī)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(jī)仿真試驗(yàn)環(huán)境，均采用物理樣機(jī)試制-試驗(yàn)-發(fā)現(xiàn)問題-改進(jìn)-試驗(yàn)-……-結(jié)果滿意-制造產(chǎn)品，但試驗(yàn)周期長，制造物理樣機(jī)成本昂貴。虛擬樣機(jī)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。因?yàn)橐怨こ虘?yīng)用的實(shí)際課題為背景，采月新興先進(jìn)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論方法，全面分析RV減速器的整體動(dòng)力學(xué)性能，同時(shí)進(jìn)行尤化設(shè)計(jì)與故障分析方面的探討。
三．利用虛擬樣機(jī)技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)的思維值得推廣。以虛擬樣機(jī)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(gè)從設(shè)計(jì)到系統(tǒng)分析的結(jié)構(gòu)體系與實(shí)用仿真環(huán)境有著深遠(yuǎn)的意義，如將該方法運(yùn)用到我國的某些機(jī)械行業(yè)，能推動(dòng)我國機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展。
下一頁
