吳耀宇,薛培軍

(中州大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院,鄭州 450044)

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基于Solidworks和Adams行星式銷齒輪研磨機(jī)的建模與運動仿真

吳耀宇,薛培軍

(中州大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院,鄭州 450044)

通過在Solidworks軟件中建立行星式銷齒輪研磨機(jī)的三維實體模型，采用Adamas軟件對模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換成虛擬樣機(jī)。通過計算及運動學(xué)仿真驗證了虛擬樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性，同時指出通過改變接觸副參數(shù)提高模型準(zhǔn)確性的方法，為進(jìn)一步研究工件運動特性、提高研磨加工效率、保證工件研磨加工精度奠定了基礎(chǔ)。

Solidworks;Adams;行星式研磨機(jī);銷齒輪;虛擬樣機(jī)

0 引言

研磨是超精密加工的重要方法，具有加工精度高、適用范圍廣等優(yōu)點。行星式平面研磨機(jī)是常見的一種平面研磨設(shè)備，運動參數(shù)調(diào)整方便，可實施單雙面加工，加工效率高[1]。許多研究和實驗表明，行星式平面研磨機(jī)研磨效率、研磨精度、研磨盤磨損的均勻性與研磨運動參數(shù)的合理選擇密切相關(guān)[2]。絕大部分的研究采取的主要是解析法建立磨具與工件之間的運動方程[3]，與實際的運動存在一定差距；而在實際加工中，對研磨機(jī)運動參數(shù)的選擇過多地依賴經(jīng)驗[4]，加工質(zhì)量的偶然性較大，無法對實際研磨加工中存在的問題提出針對性的改進(jìn)方案。

這里以德國Peter Wolters公司AC700F型大型圓盤平面數(shù)控磨床為研究對象，運用機(jī)械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)仿真分析軟件Adamas對三維建模軟件Solidworks實體創(chuàng)建的行星式平面研磨機(jī)進(jìn)行仿真，為優(yōu)化研磨機(jī)運動參數(shù)做好準(zhǔn)備。

1 行星式銷齒輪研磨機(jī)三維模型的建立

1.1 研磨機(jī)及運動原理

德國Peter Wolters公司AC700F型行星式銷齒輪大型圓盤平面數(shù)控磨床，可同時加載6個載盤(行星輪)帶動多個工件一起運動，研磨盤為固結(jié)磨料研磨盤[5]。圖1為其結(jié)構(gòu)及運動示意圖。上、下研磨盤、中心銷齒輪(太陽輪)分別由三個獨立的動力源驅(qū)動，上研磨盤3順時針旋轉(zhuǎn)，下研磨盤4、中心銷齒輪1均可正反轉(zhuǎn)，工件5隨載盤(行星輪)2在中心銷齒輪(太陽輪)1和固定(也有轉(zhuǎn)動的)的內(nèi)銷齒輪6的共同作用下做復(fù)雜的平面曲線運動。研磨過程中通過氣缸對上研磨盤4施加力而在上、下研磨盤和工件之間形成研磨壓力。上研磨盤4與加壓桿之間為球面鉸接，以保證下研磨盤4研磨平面的浮動。

圖1 研磨機(jī)結(jié)構(gòu)及運動示意圖1.太陽輪 2.行星輪 3.上研磨盤 4.下研磨盤 5.工件 6.內(nèi)銷齒輪

圖2 研磨機(jī)運動原理圖

根據(jù)研磨機(jī)的運動原理，考慮到工件運動對于行星輪系運動的影響遠(yuǎn)小于行星輪系對工件運動的影響，同時考慮到工件相對于上研磨盤、下研磨盤運動的相似性，可以將研磨機(jī)簡化為如圖2的行星輪系。設(shè)太陽輪角速度為ω1，行星輪自轉(zhuǎn)角速度為ω2，行星輪公轉(zhuǎn)角速度(假想系桿5的角速度)為ω5，則有：

(1)

(2)

式中，z1為太陽輪齒數(shù)，z2為行星輪齒數(shù)，z6為內(nèi)齒圈齒數(shù)。本行星式銷齒輪研磨機(jī)的太陽輪銷齒數(shù)為54，載盤銷齒數(shù)為48，內(nèi)齒圈銷齒數(shù)為150。

1.2 研磨機(jī)三維模型的建立

利用Solidworks軟件分別對行星式銷齒輪研磨機(jī)的各個零件進(jìn)行實體建模、虛擬裝配。為了使模型在Adams中的分析過程中盡量簡單化，在進(jìn)行裝配時可以將氣缸、電機(jī)、軸承、螺栓等起輔助作用的零部件省略，導(dǎo)入Adams后用一些相應(yīng)的運動副來代替。由于行星銷齒輪機(jī)構(gòu)同時具有內(nèi)嚙合和外嚙合，這就需要比較精確地造型和裝配技術(shù)。采用直接裝配法[6]進(jìn)行裝配，同時利用干涉檢查命令對行星銷齒輪的裝配結(jié)果進(jìn)行檢查。圖3即是為完成總體裝配的行星式銷齒輪研磨機(jī)的三維模型(此處隱去了上研磨盤)。

2 研磨機(jī)Adams虛擬樣機(jī)動態(tài)仿真

2.1 模型簡化及導(dǎo)入Adams

在Solidworks實體設(shè)計中完成實體建模后，將其轉(zhuǎn)化為與Adams具有相同核心實體造型技術(shù)的Parasolid格式文件導(dǎo)入Adams中。具體做法是先將建好的Solidworks實體文件另存為x_t類型文件，然后再重新命名為擴(kuò)展名為xmt_txt類型的文件。 運行Adams/View后用導(dǎo)入命令(import)選定轉(zhuǎn)換過的文件導(dǎo)入。然后在Adams/View對各構(gòu)件的名稱、材料等基本信息進(jìn)行設(shè)定。

圖3 研磨機(jī)三維模型

2.2 約束的添加及驅(qū)動

機(jī)構(gòu)的相對運動是通過添加各種約束實現(xiàn)的[7]。為了進(jìn)行運動仿真，需要對導(dǎo)入到Adams/View中的模型各構(gòu)件之間添加正確的約束[8]。根據(jù)運動學(xué)分析對簡化后的虛擬行星式銷齒輪研磨機(jī)施加如下約束：內(nèi)銷齒輪相對于地面的固定副；中心銷齒輪(太陽輪)相對于地面的旋轉(zhuǎn)副；行星輪相對于太陽輪的接觸副；行星輪相對于內(nèi)銷齒輪的接觸副；工件相對于行星輪的圓柱副；工件相對于下磨盤的接觸副；工件相對于上磨盤的接觸副；下研磨盤相對于大地的旋轉(zhuǎn)副；上研磨盤相對于大地的旋轉(zhuǎn)副。在此模型中，共有三個驅(qū)動：太陽輪、上研磨盤和下研磨盤。工件被放在行星盤的孔中可以自由轉(zhuǎn)動，上表面(加工面1)與上磨盤平面接觸，下表面(加工面2)與下磨盤平面接觸，因此其轉(zhuǎn)動的方向是隨著與上研磨盤和下研磨盤接觸面之間的摩擦力矩的變化而改變。圖4為創(chuàng)建了約束副和驅(qū)動的行星式銷齒輪研磨機(jī)(圖中隱去了上研磨盤)虛擬樣機(jī)，行星輪孔中的黑色部分為工件。

圖4 模型虛擬樣機(jī)

2.3 運動學(xué)仿真及模型完善

對上述所建行星式銷齒輪研磨機(jī)虛擬樣機(jī)進(jìn)行運動仿真。輸入驅(qū)動載荷值：太陽輪轉(zhuǎn)速120r/min，下研磨盤自轉(zhuǎn)速-160r/min，上研磨盤自轉(zhuǎn)速165r/min，仿真時間t=0.5s，步長steps=100。圖5(a)顯示了行星輪的公轉(zhuǎn)角速度曲線。利用PostProcessor統(tǒng)計分析命令，可得出行星輪公轉(zhuǎn)角速度及自轉(zhuǎn)速度平均值分別為189.90deg/s、403.80 deg/s，與按照公式(1)和(2)計算得出的190.59deg/s和405.0deg/s值相比較，誤差分別為0.36%及0.30%，滿足傳動比要求，證明建立的模型是準(zhǔn)確的。同時從曲線可以看出，其角速度比較大的波動。這是由于太陽輪和行星輪之間、行星輪和內(nèi)齒圈之間的約束采用的是接觸副而不是齒輪副，從而在太陽輪與行星輪、行星輪與內(nèi)齒圈嚙合時產(chǎn)生了比較大的接觸應(yīng)力及微量位移(行星輪與內(nèi)齒圈接觸力見圖6(a))。

圖5 行星輪公轉(zhuǎn)角速度

圖6 行星輪與內(nèi)齒圈接觸力

盡管這樣做更符合研磨機(jī)運行的實際工況且在仿真時能得到更多的運行信息，但為了使這些影響降到最低，需要對模型尤其是接觸副部分進(jìn)行完善。本模型采用的是基于碰撞函數(shù)的接觸算法(IMPACT-Function-based contact)，在材料選定后，則其剛度(Stiffness)就已確定?？梢酝ㄟ^改變瞬時法向力指數(shù)(Force Exponent)、阻尼系數(shù)(Damping)、全阻尼滲透變形量(Penetration Depth)減少接觸力的波動幅度。參數(shù)調(diào)整后再次進(jìn)行仿真，得到的行星公轉(zhuǎn)角速度和接觸力分別為圖5(b)和圖6(b)所示。結(jié)果顯示調(diào)整后的角速度、接觸力波動幅度顯著減少，提高了模型的精度。

研磨軌跡對研磨效率和研磨質(zhì)量有著重要影響，是認(rèn)識研磨過程機(jī)理的基礎(chǔ)。研磨軌跡曲線可以分為兩類：研磨盤上的一點相對于工件的運動軌跡以及工件上的一點相對于研磨盤的運動軌跡。前者對于研磨工件表面形貌、紋理有著重要作用，而后者對于揭示研磨去除率、研磨盤的磨損有著重要意義。許多學(xué)者主要是解析法建立磨具與工件之間的運動方程來研究兩種軌跡及其變化規(guī)律，而在Adams中利用Create Trace Spline命令可以很方便地描繪出兩種軌跡。圖7 為在不同參數(shù)下工件相對于下研磨盤的運動軌跡。

圖7 工件相對于研磨盤運動軌跡

3 結(jié)論

在實際研磨過程中，操作者無法測量工件及研磨盤的運動狀態(tài)，只能依靠操作經(jīng)驗不斷試驗才能提高研磨加工效率和零件加工精度。通過在Solidworks軟件中建立了行星式銷齒輪研磨機(jī)的三維實體模型，采用Adamas虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行運動學(xué)仿真，指出了通過改變接觸副參數(shù)提高模型準(zhǔn)確性的方法。為進(jìn)一步研究工件運動特性、提高研磨加工效率、保證工件研磨加工精度奠定了基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯 趙冰)

Modeling and Movement Simulation of Planetary Pin Gear Lapping Machine Based on Solidworks and Adams

WU Yao-yu, XUE Pei-jun

(College of Mechanical and Electrical Engineering and Vehicle Engineering, Zhongzhou University, Zhengzhou 450044, China)

The model of the planetary pin gear lapping machine with the solidworks software is built, and then Adamas converts the model to virtual prototype.The accuracy of the model is verified by calculation and kinematics simulation.At the same time, the method to improve the accuracy of the model by changing the parameters of contact pair is pointed out, which lays a foundation for further study of the workpiece movement characteristics, improving the efficiency of grinding process, and ensuring the workpiece grinding machining accuracy.

Solidworks; Adams; planetary lapping machine; pin gear; virtual prototype

2016-01-27

2015年度河南省重點科技攻關(guān)項目“基于Adams仿真的高效研磨用半永久性超硬材料研磨盤研制”(152102210017)

吳耀宇(1965—)，男，河南鄭州人，碩士，中州大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院教授，主要從事精密加工的教學(xué)和研究。

10.13783/j.cnki.cn41-1275/g4.2016.02.022

TS803

A

1008-3715(2016)02-0108-04