基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙層輝光離子滲金屬

1、<p>　　無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)仿真</p><p>　　劉新華 張均富 王進(jìn)戈</p><p>　　（西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 成都 610039，E-mail: tk1078912@163.com ）</p><p>　　摘要：基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了仿真分析。首先，基于無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸

2、桿傳動(dòng)的蝸桿齒面方程建立了蝸桿三維實(shí)體模型，并完成了無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的虛擬裝配設(shè)計(jì)。其次，基于Solidworks\COSMOSMotion機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)完成了該蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的定義和虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，研究了蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的滾子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無(wú)側(cè)隙；雙滾子；環(huán)面蝸桿傳動(dòng)；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真</p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：TH132

3、文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)是課題組基于滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)一種能同時(shí)滿(mǎn)足高精度、大載荷要求的新型蝸桿傳動(dòng)[1]。該新型蝸桿傳動(dòng)是一種高性能精密蝸桿傳動(dòng)，它繼承了滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的承載能力大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，又

8、具有無(wú)側(cè)隙傳動(dòng)的特點(diǎn)，能夠用于精密分度、精密傳動(dòng)和精密動(dòng)力傳動(dòng)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　目前，課題組針對(duì)無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的嚙合原理、嚙合性能以及數(shù)字化模型等進(jìn)行了研究[2~4]，但在蝸桿傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能方面還有待深入的分析與研究。為此，基于無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的蝸桿齒面方程，在Pro/E軟件[5，6]中建立了無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿的三維實(shí)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(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配設(shè)計(jì)。最后基于COSMOSMotion機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件[7，8]對(duì)無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。</p><p>　　1 傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)與工作原理</p><p>　　無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)由滾子蝸輪和滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿1構(gòu)成。蝸輪采用在其徑向

10、均布有滾子5的兩半個(gè)蝸輪2、3同軸線(xiàn)錯(cuò)位安裝構(gòu)成，且左半輪體2可以相對(duì)于右半輪體3繞二者的回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸桿左右齒面分別由位于中間平面上方和下方適當(dāng)位置c2處的滾子包絡(luò)而成。兩半個(gè)蝸輪徑向分布的滾子分別與蝸桿左、右側(cè)齒面嚙合，通過(guò)調(diào)節(jié)兩半個(gè)蝸輪輪體的相對(duì)錯(cuò)位角度，使?jié)L子與蝸桿齒面始終保持接觸，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)側(cè)隙傳動(dòng)。就單排滾子與蝸桿齒嚙合而言，工作過(guò)程中存在側(cè)隙，從而保證了傳動(dòng)的正常工作和良好的潤(rùn)滑，但對(duì)整體而言，通過(guò)采用雙排滾子錯(cuò)位布置，

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

12、 (c)</p><p>　　圖1 無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　2 蝸桿副的實(shí)體模型</p><p>　　根據(jù)齒輪嚙合理論，在對(duì)齒面接觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析基礎(chǔ)上，可推導(dǎo)得到無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)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(zhuǎn)半徑，、表示柱面參數(shù)，、、表示滾柱柱頂中心處在蝸輪動(dòng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)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(zhuǎn)角。</p><p>　　在式（1）基礎(chǔ)上進(jìn)行系列數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可得到無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的蝸桿齒面方程為[3]</p&g

14、t;<p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　其中，</b></p><p>　　式中，A為傳動(dòng)中心距</p><p>　　式（2）蝸桿齒面方程可表示為，當(dāng)給定一個(gè)值就得到蝸桿齒面上的一條接觸線(xiàn)，當(dāng)值連續(xù)不斷變化就得到一簇接觸線(xiàn)即蝸桿齒面。在式（1）中，嚙合方程中包含的兩個(gè)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(chǔ)上求解得到蝸桿副的嚙合點(diǎn)，再通過(guò)坐標(biāo)變換得到嚙合點(diǎn)在蝸桿動(dòng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，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(xiàn)方程。令u取若干個(gè)離散值，就可得到多條螺旋線(xiàn)，當(dāng)、、分別取正負(fù)值時(shí)可得兩齒側(cè)面的螺旋線(xiàn)，根據(jù)兩側(cè)齒面螺旋線(xiàn)即可擬合為蝸桿齒面。</p><p>　　基于上述原理，通過(guò)對(duì)蝸桿左、右齒面上螺旋線(xiàn)上系列坐標(biāo)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(xiàn)后，在進(jìn)行相關(guān)操作即可生成蝸桿三維實(shí)體模型如圖2所示。為便于在COSMOSMotion軟件中進(jìn)行蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。</p><p>　　圖2 蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維模型</p><p>　　3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(wú)側(cè)隙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的定義包括：蝸桿、蝸輪繞其軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)副定義、雙排滾子繞其自身軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)運(yùn)動(dòng)，在蝸輪滾子與蝸桿齒之間添加3D碰撞約束以便進(jìn)行3D碰撞仿真。定義完成后的蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型如圖3所示，該蝸輪副同時(shí)參與嚙合的齒對(duì)數(shù)為4對(duì)，蝸輪副的嚙合齒對(duì)依次

18、在圖3中用數(shù)字編號(hào)表示。</p><p>　　圖3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真模型</p><p>　　3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真</p><p>　　以單頭蝸桿為例對(duì)無(wú)側(cè)隙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(jiàn)

19、文獻(xiàn)[3]的公式計(jì)算。</p><p>　　基于COSMOSMotion機(jī)械仿真基本工作流程圖如圖4所示。 </p><p>　　圖4 基于COSMOSMotion機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真基本工作流程圖</p><p>　　仿真時(shí)，設(shè)蝸桿以360°/s勻速逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)蝸桿左齒面參與嚙合。仿真結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖

20、8所示。圖中滾子自轉(zhuǎn)角速度、自轉(zhuǎn)角加速度在文中簡(jiǎn)稱(chēng)為滾子角速度、角加速度。</p><p>　　圖5為蝸桿、蝸輪角速度曲線(xiàn)。圖5(a)中黑實(shí)線(xiàn)為蝸桿角速度，由于系統(tǒng)是在蝸桿軸直接添加驅(qū)動(dòng)力矩，動(dòng)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(dòng)，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(yùn)動(dòng)仿真得出的蝸桿

21、、蝸輪轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)比與理論分析基本一致。</p><p><b>　　（a） 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(shí)間變化曲線(xiàn)</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(shí)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(dòng)。在圖6（a）中，滾子1的角速度隨時(shí)間變化逐漸增大，并在0.8秒附近達(dá)到峰值40952.2°/s，伴隨該滾子逐漸退出嚙合，角速度值此后開(kāi)始逐步衰減。這與仿真動(dòng)畫(huà)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(shí)間變化逐步增大，在0.5秒附近達(dá)到最大值57381.8°/s。滾子3的仿真動(dòng)畫(huà)顯示其轉(zhuǎn)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(xiàn)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(dòng)。</p><p>　?。╝） 滾子1的自轉(zhuǎn)角速度</p><p>　　（b）滾子2的自轉(zhuǎn)角速度</p><p>　?。╟）滾子3的自轉(zhuǎn)角速度</p><p>　　（d）滾子4的自轉(zhuǎn)角速度</p><p>　　圖6 蝸輪滾子的角速度曲線(xiàn)</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(dòng)，分別如圖7(a)和圖7(b)所示。滾子3和滾子4在仿真啟動(dòng)0~0.3秒段加速度快速升高，此后波動(dòng)幅度逐漸穩(wěn)定，分別在2300000/s2和2200000/s2 附近波動(dòng)，分別如圖7(c)和圖7(d)所示。</

25、p><p>　　（a）滾子1的自轉(zhuǎn)角加速度</p><p>　　（b）滾子2的自轉(zhuǎn)角加速度</p><p>　?。╟）滾子3的自轉(zhuǎn)角加速度</p><p>　?。╠）滾子4的自轉(zhuǎn)角加速度</p><p>　　圖7 蝸輪滾子的角加速度曲線(xiàn)</p><p>　　（a）滾子1處的運(yùn)動(dòng)副反力</p&g

26、t;<p>　　（b）滾子2處的運(yùn)動(dòng)副反力</p><p>　?。╟）滾子3處的運(yùn)動(dòng)副反力</p><p>　?。╠）滾子4處的運(yùn)動(dòng)副反力</p><p>　　圖8 滾子轉(zhuǎn)動(dòng)副處的運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副的反作用力如圖8示。在圖8(a)中，滾子1的

27、運(yùn)動(dòng)副反力在45N上下波動(dòng)，其波動(dòng)幅度較小。滾子2的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)副反力穩(wěn)定在75N附近，之后在45N 附近小幅波動(dòng)，如圖8(c)所示。滾子4在0.3秒后其運(yùn)動(dòng)副反力在75N附近小幅波動(dòng)，如圖8(d)所示。從所描述的滾子轉(zhuǎn)動(dòng)副處的運(yùn)動(dòng)副反力來(lái)看，該傳動(dòng)工作時(shí)其角速度、角加速度以及滾子的受力波動(dòng)較大，嚙合傳動(dòng)過(guò)程中可能有較大的振動(dòng)和沖擊。</p><p&g

28、t;<b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　在機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)COSMOSMotion上完成了無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，研究了蝸桿、蝸輪以及滾子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。驗(yàn)證了蝸桿齒面方程的正確性。通過(guò)對(duì)無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)添加三維碰撞約束，模擬了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在碰撞力作用下機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)，得到蝸桿、蝸輪角速度曲線(xiàn)以及蝸輪滾子齒的角速度、角加速度曲線(xiàn)，且在加載條

29、件下研究了蝸輪滾子齒轉(zhuǎn)動(dòng)副處的運(yùn)動(dòng)副反力。仿真結(jié)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(dòng)較大，由此得出在蝸桿傳動(dòng)在工作過(guò)程中可能有較大的振動(dòng)和沖擊作用。</p><p>　　該研究方法為進(jìn)一步的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬、動(dòng)態(tài)干涉檢驗(yàn)、動(dòng)力學(xué)分析、強(qiáng)度校核、優(yōu)化設(shè)計(jì)和振動(dòng)噪音分析等提供了較為準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)</p

30、><p>　　[1] 王進(jìn)戈,張均富,洪雷.無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[P]. 發(fā)明專(zhuān)利:CN101290042.2008.4.</p><p>　　[2] 洪雷,王進(jìn)戈,張均富等.無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的嚙合分析[J]. 西華大學(xué)學(xué)報(bào),2008,27（3）:18~23. </p><p>　　[3] 洪雷. 無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的研究[D]. 成都

31、：西華大學(xué),2007.</p><p>　　[4] 吳江. 無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與制造[D]. 成都：西華大學(xué),2008.</p><p>　　[5] 孫昌佑,李儒瓊,何鳳琴等. 環(huán)面蝸桿螺旋線(xiàn)參數(shù)建模與齒面生成[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2006,22(6):53-56.</p><p>　　[6] 魏國(guó)武,姚立綱,朱曉林等. 超環(huán)面行星蝸桿傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)

32、學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2005,21(5):52-55.</p><p>　　[7] 魏民,楊洋,李成祥. 顯微外科打結(jié)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2008,24(1):102-105</p><p>　　[8] 宋勝濤,李瑞琴. 混合驅(qū)動(dòng)七桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2008,24(6):25-29.</p><p

33、>　　[9] 王進(jìn)戈. 滾錐包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)[M]. 成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社.2000.12.</p><p>　　作者簡(jiǎn)介：劉新華，男， 1982年11月30日出生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代傳動(dòng)技術(shù)。</p><p><b>　　稿件號(hào)：5598</b></p><p>　　聯(lián)系電話(huà)：15882441056 ， 137525