CTC齿形谐波传动齿廓设计与啮合分析.pdf
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1、硕士论文 C T C 齿形谐波传动齿廓设计与啮合分析 摘要 针对渐开线齿形谐波传动承载能力和刚度等指标不适应航天伺服机构应用中高过 载要求的状况,为了改善啮合性能、减小应力集中和提高承载能力,本文提出了一种用 新的齿形( 后文简称C T C 形齿) 替代渐开线齿形。论文重点从C T C ( c i r c l ea r c - t a n g e n t l i n e c i r c l ea r c ) 齿形的设计、共轭齿形的推导以及与渐开线齿形性能比较等方面进行研 究。 本文首先从便于实现加工柔轮刀具的标准化的目的出发,参照切线式圆弧齿形设计 了谐波传动的参数化的刀具基准齿形,并根据柔轮
2、的刀具齿形用齿廓法线法求解了与之 共轭的齿形,即柔轮齿形。并根据包络原理由柔轮齿形求得了与之共轭的刚轮齿形。为 了避免求解柔轮与刚轮的包络方程的困难。论文根据输入( 波发生器) 与输出( 柔轮) 的瞬 时转动角关系,用曲线映射方法求解理论刚轮齿形。最后用曲线拟合的方法得出刚轮的 齿廓方程。 为了验证所设计C T C 共轭齿廓谐波传动的特性以及实际的刚、柔轮轮齿形是否共 轭,论文通过建立波发生器输入与柔轮输出的瞬时传动关系方程利用M a t l a b 工具分析 了齿廓啮合干涉情况。并应用A b a q u s 软件对谐波传动承载特性进行了分析,并对C T C 齿形与渐开线齿形在同样的承载情况下
3、的节点应力、应变、扭转角等进行了对比分析, 证明C T C 齿形相比渐开线齿形,其承载能力更大、柔轮变形和轮齿的应力更小。论文 的研究为C T C 齿形的进一步深入研究和工程应用打下了基础。 关键词:谐波传动,C T C 齿形,共轭齿廓,曲线映射,有限元 A b s t r a c t硕士论文 A b s t r a c t T oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm e s h i n g ,r e d u c et h ec o n c e n t r a t i o no fs t r e s sa n di m p r o v e t
4、h es t i f f n e s so ft r a n s m i s s i o n ,t h i sp a p e rp r o p o s e st h ei d e at h a tu s i n gn e wp r o f i l e ( 1 a t e r , r e f e r r e d t oa sC T Ct o o t h ) t os u b s t i t u t ei n v o l u t ep r o f i l ea c c o r d i n gt ot h es h o r t c o m i n gt h a ti n v o l u t e p
5、r o f i l eh a r m o n i cd r i v eh a sp o o rg e a rp e r f o r m a n c ea n dl o ws t i f f n e s s T h ep a p e rf o c u so nt h e r e s e a r c ho fC T Cp r o f i l ed e s i g n ,d e r i v i n gt h ec o n j u g a t et o o t hp r o f i l ea n dt h ec o m p a r i s o no f d i f f e r e n ti n v o
6、 l u t ep r o f i l e Sp e r f o r m a n c e T h ed e s i g nc h a n g e st h ec u t t e rt o o t h ,c h o o s i n gt h ec i r c u l a r 、l i n ea n dc i r c u l a ri n s t e a do ft h e o r i g i n a lp u r el i n e a rr a c kc u t t e rw h i l ed on o tc h a n g et h es o f tw h e e lp r o f i l e
7、d i r e c t l y , i ti sh e l p f u l t ot h ef u t u r es t u d yo ft h er e a l i z a t i o no fC T C p r o f i l em a c h i n i n g t o o ls e r i e sa n ds y s t e m a t i z a t i o n T h i si d e am a k e ss u r et h a tt h eC T C p r o f i l ec a nb ep r o d u c e dm a s s i v ea n dl o w c o
8、s t F i r s t l y , w e f i g u r eo u tt h et o o lc o n j u g a t eo ft o o t hp r o f i l en a m e l yt h es o f tt o o t hs h a p e ,t h e ns o l v i n gt h e c o n j u g a t er i g i dt o o t hs h a p e T h er e s e a r c ho ft o o t hs h a p ec o n j u g a t es o f tw h e e lh a sb e e na l w
9、a y s t h ed i f f i c u l t y , w ec a n tw o r ko u tt h el i s t e de q u a t i o na c c o r d i n gt oe n v e l o p ec o n d i t i o n s T h i s p a p e ri nt u r nt oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n p u ta n do u t p u to fi n s t a n t a n e o u s r o t a t i o na
10、 n g l e ,w h i c hm e a n sw eu s et h em e t h o dt h a tm a ps o f tt o o t hm o v e m e n tf o r mt oj u s t w h e e lc o o r d i n a t es y s t e mt ow o r ko u tt h ep r o b l e mo fd e r i v eC o n j u g a t et o o t h A n a l y s i sl a t e r a lc l e a r a n c e U s i n gt h ea b a q u ss o
11、 f t w a r e ,w ec o m p a r et h en o d es t r e s s ,s t r a i n a n ds t i f f n e s sc h a n g eb e t w e e nC T Cp r o f i l ea n di n v o l u t ep r o f i l ea tt h es a m el o a d i n gc a s e s F i n a l l yg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tC T Cp r o f i l eC a ni m p r o v et h eh a r m
12、o n i cd r i v em e s h i n g p e r f o r m a n c ea n dr e d u c es t r e s s ,s t r a i nw h i c hm a k e si th a sb e t t e rs t i f f n e s sc h a r a c t e r i s t i c st h a n i n v o l u t et o o t h T h i sr e s e a r c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ho fC T Cp
13、 r o f i l ea n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n K e y w o r d s :H a r m o n i cd r i v e ,C T CT o o t hs h a p e ,c o n j u g a t ep r o f i l e s ,F E A 硕士论文C T C 齿形谐波传动齿廓设计与啮合分析 目录 摘要I A b s t r a c t I I 目蜀毛I I I 1 绪论1 1 。1 引言1 1 2 谐波传动的应用1 1 3 谐波传动技术研究现状3 1 4 本文的主要研究内容6 2 C T C 基准
14、齿形的设计及柔轮齿形求解。9 2 1 引言9 2 2 基于C T C 基准齿形刀具齿形的设计9 2 - 2 1C T C 基准齿形设计9 2 1 2 2 齿条刀具齿形的求解一11 2 3 柔轮齿形的求解1 2 2 3 1 柔轮齿形理论推导1 2 2 1 3 2 柔轮齿形算例1 4 2 。4 柔轮齿形设计的m a t l a b 程序实现1 7 2 5 本章小结1 9 3 刚轮齿形的求解。2 0 3 1 引言一2 0 3 2 刚轮的共轭齿形理论推导2 0 3 2 1 谐波传动的几点假设一2 0 3 2 2 原始曲线方程及径向变形曲线2 l 3 2 3 刚性齿形理论推导2 6 3 。3 刚轮算例3
15、 l 3 3 1 径向变形位移函数的离散化3 1 3 3 2 基于啮合运动的柔轮齿廓映射3 6 3 3 3 刚轮齿形数值解3 8 3 3 4 刚轮齿形数值解的拟合一4 0 3 4 本章小结一4 l 4 C T C 齿形啮合分析4 3 I 目录 硕士论文 4 1 引言4 3 4 2 啮合运动仿真一4 3 4 3 啮合应力应变的有限元分析4 5 4 3 1 有限元模型的简化处理一4 6 4 3 2 各构件的材料及其属性一4 7 4 1 3 3 建模方法及分析步骤4 8 4 3 4 有限元分析结果一4 9 4 4 本章小结5 2 5 总结与展望5 4 致谢5 5 参考文献5 6 附录5 9 硕士论文
16、C T C 齿形谐波传动齿廓设计与啮合分析 1 绪论 1 1 引言 相对传统的齿轮传动而言谐波传动从结构和工作原理来看是一种比较新型的机械 传动。它的传动原理是:非圆形的凸轮波发生器转动,使得壁厚比较薄的柔性齿轮周期 性的产生径向和法向的变形,依靠齿与齿之间的作用从而达到传动的效果。其中波发生 器不局限于凸轮形式,只要能使柔性轮发生周期变形它可以是任何形式,总体上波发生 器可以分为机械式、非机械式。由于波发生器的作用引起柔性齿轮变形的波是一种几何 对称并且具有周期性质特征的谐波,所以将这种传动方式称为谐波传动。和一般的传动 方式( 圆柱齿轮、行星齿轮、摆线针轮传动机构) 相比较,谐波齿轮传动机
17、构有如下优点: 1 ) 传动比很大,单级传动比能够达到5 0 3 0 0 。 2 ) 结构简单而且紧凑,外形小,质量轻。谐波齿轮传动主要是由柔性齿轮、刚性 齿轮、波发生器、柔性轴承和工装套五个构件构成,由于其传动方式属于小模数齿轮传 动机构,因而与普通减速机构相比较体积更小、重量更轻。此外由于谐波齿轮传动它的 输入轴和输出轴同轴,因此它的结构紧凑。 3 ) 承载高,精度好。在啮合传动过程中,同时参与啮合的齿数很多,因而,在负 载相同的情况下每一对啮合的齿所承受的载荷就会小很多,在保证轮齿的强度条件下, 谐波齿轮传动可以传递更大的载荷。在传递比较大的扭矩时,参与啮合的齿数可以达到 4 0 左右,
18、而普通渐开线齿数只有1 2 对齿啮合。因此,它具有传动特别平稳、承载的 特点。由于同时参与啮合的齿数多,通过变形协调,齿分摊了整个传动系统的误差,传 动误差可以控制在2 ,内、回差控制在1 内,因此传动精度较高。 4 ) 传动效率比较高:虽然它是依靠柔性元件周期变形来传递运动,但是由于谐波 齿轮传动的齿形啮合部分的相对滑移极其小,特别是在跑合之后,轮齿的磨损小,齿的 侧隙均匀,从而极大地减少了由于齿面之间的摩擦而产生的能量损失。压力角为2 0 0 的 渐开线齿形齿啮式输出谐波传动中,其效率可以达到8 0 左右。 5 ) 可向密闭的空间传递动力。这是谐波齿轮最突出的优点。 由于谐波传动具有以上五
19、大突出的优点,随着其技术的逐渐成熟,因此在越来越多 的领域中谐波传动机构正在逐渐取代传统的齿轮传动方式,这种传动方式被大量的运用 在医疗器械、航空航天技术、机器人、工业生产设备、光学仪器等领域。 1 2 谐波传动的应用 目前谐波传动被广泛的应用在航天航空、医疗器械、机器人等精密传动领域。在航 1 绪论硕士论文 天航空领域中,由于其工况比较特殊( 空间小、冲击大,工作环境恶劣) ,对传动机构 的要求也很高。传动机构要结构紧凑质量小,传动精度高于普通的工况,承载能力也较 大,而且可靠性要非常高。在美国国家航天局发射的火星探测车“机遇”号与“勇气”号中, 谐波传动机构就已经被应用,探测车的机器臂、摄
20、影机的方位调整机构以及车轮驱动等 部位都使用了精密的谐波传动装置( 图1 1 ) 。在地球人造卫星的太阳能电池板的位置的 控制系统中,谐波齿轮也得以应用,它用来调整太阳能板的角度矢量位置( 图1 2 ) 。谐 波齿轮传动机构还被应用在飞行器的舵机伺服控制系统中。 图1 1 谐波齿轮传动应用在火星探测车中 图1 2 谐波齿轮传动应用在卫星中太阳电池板 机器人技术一直作为研究人员的热门研究领域。在机器人领域中,谐波传动装置也 得到了广泛的应用。高精度的谐波传动有9 3 用于机器入领域或者精密定位系统中。例 如H o n d am o t o r 公司的研发团队开发的最新仿生机器人“阿希莫”( 图l
21、 _ 3 ) ,它动作灵活, 能迅速的进行变速运动或者实现奔跑动作。这些功能的实现,谐波齿轮起着决定性的作 用。谐波齿轮被装载于机器人的各个关节部位,这些关节中的谐波装置把伺服电机的高 转速低扭矩转化为低转速大扭矩,谐波传动的这一特点使得阿希莫能够精确地完成各项 动作;在工业生产线的机器人中,谐波齿轮传动装置被应用到焊接机器人中,驱动装置 通过谐波传动装置来传递动力和扭矩给机械手( 图1 4 ) 。在半导体以及微电子等制造领 域,由于对制造精度要求极高,谐波齿轮传动装置的使用解决了这些难题。I n t e l 、T I 、 A M D 等公司采用高智能化的微型机器人在无尘环境下进行生产作业,它
22、们的导航定位 和关节驱动的传动系统基本采用的是谐波齿轮传动装置。 l j 。驽曾期麓蘸海 图1 3 谐波齿轮应用于仿生机器人中图 图1 4 谐波齿轮应用于焊接机器人中 硕士论文C T C 齿形谐波传动齿廓设计与啮合分析 谐波齿轮传动装置同样被应用于医疗领域中。德国Z I E E I S E 公司研发的一种脑神经 外科手术系统( 图1 5 ) ,谐波传动装置在该系统中担起传动的重任。在天文学中,谐波 齿轮也被用于高精度测量仪器设备中,例如位于美国莫纳克亚山的超大型红外线光学天 文望远镜“S u b a r u ”,在丰镜部位装配了两百多个谐波传动装置( 图1 6 ) 。 图1 5 谐波齿轮应用医
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- 关 键 词:
- CTC 齿形 谐波 传动 设计 啮合 分析
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