李兆維

摘要：利用Solidworks軟件，建立了精確的非圓行星齒輪機(jī)構(gòu)三維模型，并使用ADAMS軟件對(duì)非圓行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。在此基礎(chǔ)上充分掌握非圓行星齒輪機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，并據(jù)此對(duì)非圓行星齒輪機(jī)構(gòu)在數(shù)控機(jī)床行業(yè)的應(yīng)用前景做以展望。

Abstract： An accurate 3D model of Non-circular Planetary Gear Mechanism is established by SolidWorks software， and ADAMS software is used to carry out kinematic simulation analysis of Non-circular Planetary gear mechanism. A prospect of the application of Non-circular Planetary gear mechanism in CNC machine tool industry is made， which is based on fully grasp the characteristics of Non-circular Planetary gear mechanism.

關(guān)鍵詞：自鎖;機(jī)械無(wú)級(jí)變速;過(guò)載保護(hù)

Key words： self-lock;mechanical stepless transmission;overload protection

0 ?引言

無(wú)極調(diào)速被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)，這能夠使數(shù)控機(jī)床主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中自動(dòng)換速，獲得針對(duì)不同切削特性工件的合理切削速度。目前，數(shù)控機(jī)床大多采用交流伺服電機(jī)串聯(lián)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)不同種類數(shù)控機(jī)床對(duì)轉(zhuǎn)速、功率、扭矩等特性的要求 [1]。本文介紹的非圓行星齒輪機(jī)構(gòu)為機(jī)械式無(wú)級(jí)變速裝置，可實(shí)現(xiàn)自鎖，無(wú)級(jí)變速及過(guò)載保護(hù)功能，非圓齒輪的特點(diǎn)是結(jié)合了凸輪和齒輪的優(yōu)勢(shì)，相比其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能獲得非勻速比，能夠以變化的傳動(dòng)比來(lái)傳遞較大的動(dòng)力[2]，另外其過(guò)載保護(hù)功能可以使其在受到?jīng)_擊載荷等情況下避免價(jià)值量較高的刀具及零件受損，具備較高經(jīng)濟(jì)效益。

1 ?非圓行星齒輪機(jī)構(gòu)的原理

該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式屬于軟啟動(dòng)和軟傳動(dòng)的無(wú)級(jí)變速，主動(dòng)齒輪動(dòng)作后，作為動(dòng)力輸入的中心非圓齒輪在動(dòng)作過(guò)程中旋轉(zhuǎn)到節(jié)圓較長(zhǎng)半軸時(shí)其半徑與輸出端的齒輪節(jié)圓相等，機(jī)構(gòu)處于自鎖狀態(tài)實(shí)現(xiàn)等比例傳動(dòng)。當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中由于刀具磨損、工件材質(zhì)不均等原因?qū)е聜鲃?dòng)機(jī)構(gòu)輸出端所受扭矩加大時(shí)，行星圓柱齒輪受負(fù)載影響，使其內(nèi)部彈簧受力，圓柱齒輪和非圓齒輪在同一軸線的彈簧螺旋連接，受力后的圓柱齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，非圓齒輪也跟著向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，按行星減速器（WW）機(jī)構(gòu)減速。當(dāng)負(fù)載扭矩超過(guò)限定的工作扭矩時(shí)，行星架向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，中心軸則停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了過(guò)載保護(hù)的功能。（圖1）

2 ?基于Adams非圓行星齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

在深入了解了機(jī)構(gòu)工作原理和非圓齒輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用SolidWorks軟件建立了非圓行星齒輪機(jī)構(gòu)三維模型（簡(jiǎn)化了行星非圓齒輪內(nèi)部部分零件以及柔性體）。對(duì)該機(jī)構(gòu)施加不同載荷時(shí)，利用Adams軟件對(duì)其進(jìn)行建模和仿真，得到了其在自鎖、正常工作以及過(guò)載保護(hù)情況下的幾種不同狀態(tài)[3]。

2.1 自鎖

該模型傳動(dòng)形式是2K-H行星傳動(dòng)，屬于外嚙合（WW）方式，在行星輪架作為從動(dòng)端的情況下，其傳動(dòng)比達(dá)到一定數(shù)值時(shí)會(huì)發(fā)生自鎖。當(dāng)給輸入端齒輪轉(zhuǎn)速為300 r/min，在不施加外部負(fù)載的情況下，由圖2中不難發(fā)現(xiàn)，該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不到2秒后，非圓齒輪、輸出齒輪和行星輪架轉(zhuǎn)速相同，此時(shí)機(jī)構(gòu)處于自鎖狀態(tài)。（圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為角速度，表示非圓齒輪;表示行星架;表示輸出齒輪;以下各圖同）

2.2 外載自鎖

對(duì)機(jī)構(gòu)施加外載STEP（time，0，0，0.2，10000）+STEP（time，0.2，0，20，0），在圖3中可以發(fā)現(xiàn)非圓行星齒輪機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)性，該機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)接近5s后非圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)某一角度，在固定傳動(dòng)比下處于自鎖狀態(tài)。

2.3 無(wú)級(jí)變速

對(duì)該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)施加外部載荷STEP（time，0，0，0.2，1000000）+STEP（time，0.2，0，20，0），在圖4中可見，輸出齒輪和行星輪架角速度變化滯后于非圓齒輪，但向同一方向運(yùn)轉(zhuǎn)。由于非圓齒輪是通過(guò)傳動(dòng)比變化來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速，所以輸出齒輪和行星輪架的角速度呈現(xiàn)周期性變化。但是在該機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用中，由于實(shí)際設(shè)計(jì)情況不同存在諸如彈簧、螺旋軸、螺母等撓度大小不一的撓性體，導(dǎo)致輸出齒輪和行星輪架的角速度基本是某一固定值，并且其數(shù)值比非圓齒輪角速度小。

2.4 過(guò)載保護(hù)

對(duì)該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)施加外部載荷STEP（time，0，0，0.2，500000）+STEP（time，0.2，0，20，0），在圖5中可見，輸出齒輪的角速度在零附近振蕩，即在平衡位置接近處于靜止?fàn)顟B(tài)，行星輪架的角速度為正，其運(yùn)動(dòng)方向與非圓齒輪相反。當(dāng)外部載荷大于該機(jī)構(gòu)所設(shè)定的額定載荷時(shí)，輸出齒輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了刀具及相關(guān)傳動(dòng)部件的過(guò)載保護(hù)。

3 ?結(jié)論

非圓行星齒輪機(jī)構(gòu)相比于傳統(tǒng)變速器結(jié)構(gòu)更緊湊并且大大提升了承載能力，利用ADAMS軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真，得到了其在自鎖、正常工作以及過(guò)載保護(hù)情況下的幾種不同狀態(tài)，驗(yàn)證其理論功能適用于數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)。目前，非圓行星齒輪機(jī)構(gòu)已用于深海石油開采作業(yè)等領(lǐng)域，其無(wú)級(jí)變速和過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)可在機(jī)床主運(yùn)動(dòng)及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中予以應(yīng)用，進(jìn)一步提升數(shù)控機(jī)床性能，豐富數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)選擇，減少意外發(fā)生，大幅提高數(shù)控機(jī)床精度保持性和使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]文懷興，夏田.數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].工業(yè)裝備與信息工程出版中心，2005.

[2]J Bernard. Optimization of Mechanism Timing Using Noncircular Gearing [J]. Mechanical Design and Synthesis. 1992.

[3]劉永平，楊存，孫旋.基于ADAMS的非圓齒輪運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2014.