姚明鏡，孟 軻，熊 銀，劉信辰

(1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000) (2.核工業(yè)西南物理研究院，四川 成都 610225)

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已成為智能制造的核心執(zhí)行單元，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率起著至關(guān)重要的作用[1]。RV減速器作為工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的高精度裝置，其傳動(dòng)性能將直接影響工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)平穩(wěn)性以及傳動(dòng)精度[2]。RV減速器具有很多的特點(diǎn)，如疲勞強(qiáng)度較高、剛度較大、回差精度穩(wěn)定、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比范圍大、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等。

擺線輪是組成RV減速器二級(jí)減速機(jī)構(gòu)的核心零件，對(duì)設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)減速傳動(dòng)有著重要的作用。對(duì)RV減速器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮擺線輪的幾何參數(shù)，特別是其齒廓形狀的精度，該精度將直接影響RV減速器裝置的傳動(dòng)性能。本文通過對(duì)RV減速器中擺線輪結(jié)構(gòu)的深入研究，利用SolidWorks參數(shù)化建模對(duì)擺線針輪進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。使用熔絲堆積快速成型技術(shù)完成擺線輪實(shí)體模型的制作，該方法不僅方便、高效，而且能為RV減速器各個(gè)零部件3D模型的結(jié)構(gòu)分析和性能測(cè)試提供一定的理論依據(jù)。

1 RV減速器的傳動(dòng)原理

太陽輪與電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心軸相連，帶動(dòng)與太陽輪相嚙合的3個(gè)行星齒輪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)減速；3個(gè)曲柄軸與行星輪相固連而同速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鉸接在3個(gè)曲柄軸上、相位差180°的擺線輪，使擺線輪公轉(zhuǎn)，同時(shí)由于擺線輪與固定的針輪相嚙合，在其公轉(zhuǎn)過程中會(huì)受到針輪的作用力而形成與擺線輪公轉(zhuǎn)方向相反的力矩，進(jìn)而使擺線輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成第二級(jí)減速[3]。RV減速器結(jié)構(gòu)原理圖，如圖1所示。

1—輸出軸;2—機(jī)架;3—擺線輪;4—行星輪;

2 RV減速器的組成及其三維模型

RV減速器由輸入單元、減速傳動(dòng)、輸出單元等構(gòu)成。輸入單元由輸入軸和電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。減速傳動(dòng)分為兩部分，即第一級(jí)減速傳動(dòng)和第二級(jí)減速傳動(dòng)。一級(jí)減速傳動(dòng)由1個(gè)太陽輪齒輪和3個(gè)行星輪齒輪構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)減速傳動(dòng)；二級(jí)減速由曲軸、擺線輪、軸承、機(jī)架上的針齒輪組成，實(shí)現(xiàn)二級(jí)減速傳動(dòng)。減速器輸出單元由剛性盤以及輸出盤等構(gòu)成。RV減速器結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

1—擺線輪；2—機(jī)架；3—行星架；4—曲軸；5—太陽輪；6—行星輪

本文通過分析RV減速器的結(jié)構(gòu)，建立RV減速器整體模型，得到三維爆炸圖，如圖3所示。

1—行星架;2—行星齒輪及曲軸;3—輸出軸承;

3 擺線輪的二維及三維結(jié)構(gòu)模型建立

擺線輪是一種高精度傳動(dòng)零件，與傳統(tǒng)的漸開線齒輪相比，其重合度大、傳動(dòng)更加平穩(wěn)、磨損小且均勻、潤滑良好、不受最小齒數(shù)限制、結(jié)構(gòu)緊湊。擺線輪作為RV減速器傳動(dòng)的核心零件，其齒廓曲線精度和針齒輪的嚙合間隙大小等將直接影響減速器本身傳動(dòng)性能及其使用壽命[4]。

3.1 擺線輪二維模型的構(gòu)建

3.1.1擺線輪的齒廓方程

理想擺線輪齒廓曲線如圖4所示。繪制RV減速器擺線輪理想齒廓曲線的參數(shù)表達(dá)式如下[5-6]：

(1)

S=1+K2-2Kcosφ

(2)

式中：rp為針齒中心圓半徑；rrp為針齒銷半徑；zp為針齒的齒數(shù)；i為示擺線輪與針齒輪相對(duì)傳動(dòng)比；φ為擺線輪嚙合相位角；a為偏心距；K為短幅系數(shù)。

圖4 理想擺線輪齒廓曲線

由式(1)可知，該方程表達(dá)式不利于求解，因此需簡化：

(3)

式中：t為擺線輪半徑所經(jīng)過的角度;z1為擺線輪齒數(shù)；z2為針輪齒數(shù)。

3.1.2擺線輪的基本參數(shù)

根據(jù)表1中RV減速器的基本參數(shù)，計(jì)算得到擺線輪齒廓曲線方程表達(dá)式中的部分參數(shù)。

表1 RV減速器基本參數(shù)

針齒中心圓半徑參考表見表2。

表2 針齒中心圓半徑

根據(jù)表中的參數(shù)，選取rp為85 mm，并進(jìn)行繪圖，由于繪制出的圖中兩個(gè)擺線輪的中心距不重合，取擺線輪的偏心距a=1.75。

短幅系數(shù)K作為擺線輪重要的齒形參數(shù)，直接決定了擺線輪的齒形。K的推薦值見表3[7-8]。

表3 短幅系數(shù)K

短幅系數(shù)K的表達(dá)式如下：

(4)

由表3可知，K符合齒形的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

將上述所得到的參數(shù)代入式(3)，可以得到擺線輪齒廓曲線的參數(shù)表達(dá)式：

(5)

3.2 擺線輪參數(shù)化建模

SolidWorks 軟件中，根據(jù)式(5)的參數(shù)方程，設(shè)置繪制擺線輪齒數(shù)的初始值t1為0，繪制擺線輪齒數(shù)的終止值t2為17.5，生成擺線輪齒廓曲線。利用參數(shù)化建模方式得到初步齒廓曲線，用鏡向命令，得到擺線輪完整齒廓曲線，如圖5、圖6所示。根據(jù)RV減速器的性能要求，設(shè)置擺線輪拉伸高度為14 mm，得到擺線輪三維輪廓，如圖7所示。

圖5 部分?jǐn)[線輪齒廓曲線

圖6 擺線輪齒廓曲線

圖7 擺線輪的三維輪廓

4 擺線輪的原型件制造

采用不同機(jī)械加工技術(shù)制造的零件，零件本身的精度會(huì)不同。傳統(tǒng)加工制造擺線輪一般采用插齒法，該方法對(duì)加工刀具的要求非常嚴(yán)格，而成型刀具價(jià)格高，且加工精度不易保證，故采用熔絲堆積快速成型技術(shù)，簡化工藝設(shè)計(jì)流程，可節(jié)約擺線輪工藝制造時(shí)間，并保證加工精度。

4.1 快速成型技術(shù)的原理

選用熔絲堆積3D打印技術(shù)對(duì)擺線輪進(jìn)行加工制造，即利用各種熱熔性絲狀材料的物理特性，加熱到一定溫度后材料會(huì)熔化堆積成型。打印機(jī)的噴頭沿零件的截面輪廓運(yùn)動(dòng)，熔絲材料堆積到指定層面材料發(fā)生凝固，并與前一層材料相互熔接在一起，完成對(duì)模型的一個(gè)層面沉積后，其工作臺(tái)會(huì)按照其打印機(jī)設(shè)定的厚度尺寸下降一個(gè)層厚，繼續(xù)進(jìn)行打印，直到完成整個(gè)實(shí)體的建模成型[9]。本文選用的3D打印機(jī)機(jī)型為極光爾沃Z-603S，最小分層厚度為0.1 mm，選用材料為聚乳酸(PLA)。

4.2 擺線輪制造的工藝流程

1)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及文件導(dǎo)入。將SolidWorks軟件中的三維模型文件.prt格式轉(zhuǎn)換為切片軟件可以識(shí)別的.stl格式，打開切片軟件，將模型導(dǎo)入切片軟件中。

2)支撐模式的選取。為防止模型從加工平臺(tái)上脫落，設(shè)置平臺(tái)接觸模式類型為完全跟模型底接觸。由于RV減速器沒有大面積懸空部分，添加支撐后對(duì)實(shí)物制作存在影響，故采用無支撐打印。

3)模型分層。完成對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和支撐模式的選取后，需要通過切片軟件對(duì)模型進(jìn)行分層處理。分層厚度越小，層數(shù)就越多，零件成型的時(shí)間就越長，精度也越高。但在實(shí)際加工時(shí)，需要考慮加工成本以及成型效率。綜合考慮，本文選取分層厚度為0.1 mm，層數(shù)為140。

4)其他參數(shù)設(shè)置。設(shè)置材料填充度為20，打印速度為20 mm/s，其余參數(shù)為默認(rèn)模式，如圖8所示。

圖8 切片軟件中模型及相關(guān)參數(shù)

5)模型制作。將切片軟件中設(shè)置好參數(shù)的模型文件保存為打印機(jī)可識(shí)別的.gcode格式，并導(dǎo)入到3D打印機(jī)。3D打印機(jī)運(yùn)行之前，對(duì)高溫噴頭進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱過程中會(huì)有少量融化的PLA材料從噴頭中流出，采用專用的鑷子將其慢慢取出，防止對(duì)打印工件的精度造成影響[10]。圖9所示為3D打印的擺線輪樣件。

圖9 3D打印擺線輪的樣件

6)成型零件的后處理。擺線輪的3D模型樣件打印完成后，利用工具將模型從打印平臺(tái)上取出，對(duì)模型進(jìn)行打磨、拋光或利用化學(xué)試劑進(jìn)行表面處理，以提高模型表面精度。

5 擺線輪的精度分析及誤差處理

5.1 擺線輪的精度分析

由于擺線齒輪與針齒輪發(fā)生嚙合時(shí)，需要承受交變的應(yīng)力以及較大的傳動(dòng)比，因此對(duì)擺線輪的制造精度有較高要求。對(duì)3D打印模型零件進(jìn)行測(cè)量分析，其實(shí)際尺寸比設(shè)計(jì)尺寸小，誤差在0.8～ 1.2 mm，與軸承配合的孔的誤差為0.4 mm，導(dǎo)致軸承不能與擺線輪完全配合。對(duì)該情況進(jìn)行分析，可知影響精度的主要因素為機(jī)械本體誤差和材料的熱脹冷縮特性。

5.2 擺線輪的誤差處理

由于存在機(jī)械本體誤差和材料熱脹冷縮作用，故在進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這兩個(gè)因素。經(jīng)分析，對(duì)擺線輪參數(shù)方程表達(dá)式中的齒廓中心圓半徑rp進(jìn)行修改，由85 mm修改為85.4 mm，由此得到的樣品符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并將擺線輪裝配在RV減速器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，減速器轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定，嚙合精度高，滿足運(yùn)行要求。

6 結(jié)束語

本文對(duì)熔絲堆積快速成型技術(shù)的工作原理進(jìn)行了相關(guān)介紹，利用該項(xiàng)技術(shù)對(duì)制造原型樣件的工藝流程進(jìn)行了闡述。由此得出結(jié)論：與傳統(tǒng)的工業(yè)制造方法相比，利用熔絲堆積快速成型技術(shù)制造的零件精度高、效率高、制造成本低。

采用標(biāo)準(zhǔn)理論擺線輪齒廓表達(dá)式，通過改變相關(guān)參數(shù)可快速生成擺線輪齒廓曲線圖形。

通過對(duì)3D打印試樣的精度分析可知，影響精度的因素主要是機(jī)械本體誤差和材料的熱脹冷縮特性，經(jīng)分析對(duì)參數(shù)方程中的齒廓曲線中的rp進(jìn)行修正，可得到符合設(shè)計(jì)精度要求的制件，為后期采用3D打印方式對(duì)RV減速器各個(gè)零部件進(jìn)行制造奠定了一定的基礎(chǔ)。