李霞 硕士 RV减速器虚拟样机的建造研究
雷明伟 史文谱 骆凯 李鹏根
摘 要：考虑到ADAMS软件的分析优势和Solidworks软件的建模优势，使用Solidworks软件对RV减速器的各零部件进行三维建模并进行装配获得完整的RV减速器三维模型，使用ADAMS软件进行虚拟样机的构建，使用软件自带的机械包里的模块来代替模型上的细小零部件并进行相应的运动学和动力学仿真，与理论计算值对比检验样机的合理性，进而获得各针齿的运动及受力状况，以弥补纯理论方式进行计算时的繁琐和复杂的缺点。
关键词：RV减速器 ADAMS 虚拟样机 针齿状态
中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（c）-0101-04
Abstract： Taking the analytical advantage of ADAMS and the modeling advantage of Solidworks into consideration， we used Solidworks to build and assemble all parts of the RV reducer to obtain a complete 3d model of RV reducer. At the same time， we use ADAMS to build the virtual prototype， and use the modules in the software package to replace the small parts on the model of RV reducer and carry out kinematics and dynamic simulation. The rationality of the prototype is verified by comparing the calculated values with the theoretical values， thus obtaining the movement and stress condition of each pin tooth to make up for the tedious and complex shortcomings of purely theoretical calculations.
Key Words： RV reducer； ADAMS； Virtual prototype； State of the pin-teeth
减速器是工业机器人结构上最为关键和重要的部分，减速器的稳定与否直接关系到机器人工作状态的精确度及稳定性。机器人常用减速器主要为谐波减速器和RV减速器两种。RV（Rotate Vector）传动是在摆线针轮行星传动基础上发展起来的一种新型传动[1]，这种减速器以其传动比高、强度大、承载能力强的显著特点受到更多的重视[2]。RV减速器结构精密而复杂，针齿部分是减速器内部最简单但是使用频率最高且更易磨损和破坏的部分，特别是在摆线轮进行修形之后，啮合状态与原定理论产生变化，针齿的啮合受力情况更为复杂，而弄清楚针齿的运动状况和受力情况对提高减速器的使用寿命、保证减速器的运转精度非常有必要。在研发和制造的过程中如果采用纯理论的方式对其进行动力学和受力分析显得繁琐而缓慢，所以设计构建RV减速器的虚拟样机可以提高研发效率，缩短研发周期，减少成本[3]。并且通过虚拟样机的仿真分析可以清楚直观地了解针齿及其他零部件的工作情况和受力状况，掌握减速器的动力学及运动学性能，便于在研发和制造过程中及时做出调整，保证研发的准确性，减少生产试制废品率。为RV减速器的进一步研发和生产試制提供理论依据。
1 RV减速器的三维建模及样机构建的准备
1.1 RV减速器的三维建模
RV减速器是一个两级减速系统，包括第一级的行星轮系减速和第二级的摆线针齿减速[4]，其结构如图1所示。
减速器建模的难点在其摆线轮部分。考虑到ADAMS软件在摆线轮等具有复杂曲线的零部件的建模方面明显不如其他CAD软件有优势，所以使用Solidworks来建立三维模型。摆线的标准方程为：
采用参数方程式驱动曲线的方式，参数的范围根据实际工作的需要选取π～3π。绘制出摆线轮轮廓进而进行相应的摆线轮及其他零部件的三维建模并装配，如图2所示。
1.2 虚拟样机构建的准备工作
将所建三维模型导入到UG软件中做运行仿真，目的是进行干涉检查，确认没有过盈装配等不正确的装配，在保证三维模型符合减速器的工作原理并能正确运转之后，对所建三维模型进行相应的简化处理。
首先，把对仿真分析影响不大的轴承、垫片和O型圈等细碎零部件去掉，用ADAMS自带的轴承模块来代替。其次删除模型的倒角倒圆等几何特征[5]，并去掉起连接紧固作用的螺栓和锥形销，用运动副来代替。
将简化后的三维模型进行中间格式转换（转换为.X_T格式）并导入到ADAMS软件中。简化后模型如图3所示。
2 虚拟样机的构建
2.1 材料及运动副的定义
在虚拟样机建立之前需要对工作环境进行初始设置。确定环境的重力参数并对网格和工作单位进行定义。然后对所导入的三维模型进行材料的定义。确定刚体的密度、杨氏模量和泊松比等参数[6]。
在初始设置完成之后，可以参考UG的运动仿真模块对模型进行运动副和约束的定义。在所建三维模型中总共建立了4种约束和运动副关系，具体如下。
（1）固定副：包括针齿壳与大地之间；支撑盘与行星架之间；三对偏心轴与行星轮之间的固定副。采用固定副来代替螺栓和圆锥销等起固定作用的零部件。
（2）旋转副：包括所有针齿在针齿壳上的自转，偏心轴与行星架之间，行星轮与支撑盘之间，行星架、支撑盘与大地之间，太阳轮与大地之间。采用旋转副来约束各部件按实际活动方式运动。
（3）轴承创建：包括3个偏心轴上总共6个偏心部分分别与两个摆线轮之间。采用ADAMS创建的模拟轴承来代替原有的轴承部件。既简化了模型又保证了原有的装配结构。
（4）接触创建：包括30个针齿与两个摆线轮之间，太阳轮与3个行星轮之间。采用创建接触的方式保证摆线轮与针齿之间的实际传动效果，用接触副来代替齿轮副可以更好地模拟齿轮间的传动，不会在仿真时出现卡齿和齿轮齿形内陷的情况。
2.2 驱动方式的定义
减速器工作的时候，针齿壳固定在转臂上，行星架固定在底部基座上。通过在太阳轮上施加的驱动来进行运动。实际工作的时候电机轴的最大转速是4300r/min，经过第一级螺旋伞齿减速传递到太阳轮上的最大转速约为1400r/min。也就是8400r/s。这也是施加给太阳轮的驱动速度。
考虑到减速器在运转时有个驱动过程，输入转速是递增直到最大转速的。电机的额定驱动过程是5S，所以在驱动方式的设置上采用Step阶跃函数驱动。
2.3 仿真分析
通过ADAMS的仿真模块对减速器虚拟样机进行动力学仿真。对行星轮的转速、针齿壳的输出转速进行测量。将理论计算值与仿真输出值做对比来判断虚拟样机的合理性。
减速器空载运行时，太阳轮、行星轮与针齿壳的角速度随时间变化的曲线如图5、图6、图7所示。
该减速器的传动方式为固定行星架与支撑盘，以太阳轮为输入轴，针齿壳为输出轴。这种传动方式的减速比计算方程为：
其中，R为速比值，Z2为行星轮齿数，Z1为太阳轮齿数，Z4为理论针齿数。
观察对虚拟样机测量获得曲线并与理论计算值进行对比可知，虚拟样机的输出结果虽然与计算结果有浮动偏差，但仍在允许误差值内。由此可知，所建立的虚拟样机模型是满足实际工况的。
虚拟样机构建完成之后为了解针齿在减速器工作时的运动状态，我们需要对针齿的受力及角速度进行测量。测量时需在针齿壳上施加预加力矩预载荷，根据实际电机的测量结果，选取预加力矩为3700N·M。为了让测量结果更直观，降低太阳轮的转速。针齿壳上的理论针齿数应为60，但在结构上考虑到减小震动，同时增大齿侧间隙，提高容错率，减小了针齿一半的数目，所以实际针齿数为30；对每一个针齿都进行受力及运动状态的测量，选取其中一个针齿的受力随时间变化的曲线（见图8）。
通过观察针齿的受力状态曲线图，我们可以看到，不管是在减速器的启动还是在减速器的高速运行过程中，针齿的受力都是周期性的，且周期受力的频率非常大。虽然所受冲击载荷的差值不是很大，但针齿会在短时间内受到许多次的力的冲击，明显会很容易地给针齿带来较大的疲劳损伤。
参考30个针齿的受力曲线图，我们可以看到，在运转过程中，同一时间分别有5个针齿各自与上下两个摆线轮同时啮合。也就是说，运行中总共10个针齿在运动的瞬间担負着传递动力的作用。这对接下来针齿的选材和热处理方式上有一定的指导作用。
3 结论
采用ADMAS和Solidworks两款软件相结合的方式来进行虚拟样机的构建明显比只使用ADAMS软件更方便、更有效率。
采用软件自带机械包里的模块来代替实际的零部件接触能简化样机的构建，提高模拟速度保证其性能更加稳定。虚拟样机的建立能使更直观、更方便地检测与测量零部件的各部分所需数据，大大缩短研发周期，减小成本投入。
在针齿运动方式的分析中，我们可以发现在某一个针齿的啮合力到达最大数值的时候，同时有共10个针齿参与了动力的传递过程。而且针齿的受力状况虽然是周期性的，其受到的冲击也是周期性的，但是针齿受力的差值并不是很大。这对我们在后期针齿的选材生产加工过程中有一定的指导意义。
参考文献
[1] 机械设计手册编委会.机械设计手册：第三卷[M].新版.北京：机械工业出版社：2001：87-135.
[2] 陈来利，姚辰龙，王海生.基于ADAMS的RV减速器虚拟样机设计及仿真分析[J].机械工程师，2013（9）：102-105.
[3] 赵玉成，贾树恒，顿文涛，等.基于ADAMS的虚拟样机技术的发展与应用[J].农业网络信息，2013（8）：40-42，72.
[4] 刘学翱，徐宏海.RV减速器三维参数化建模与虚拟装配[J].机械设计与制造，2015（4）：133-136.
[5] 王铁军.基于ADAMS的串联机器人运动可靠性仿真[D].东北大学，2006.
[6] 李军，邢俊文，覃文洁.ADAMS实例教程[M].北京：北京理工大学出版社，2002：30-55.
