基于3D打印的塑料制RV减速器性能分析_姚明镜.pdf

文章编号：（）基于 打印的塑料制 减速器性能分析姚明镜，刘信辰，熊银，孟轲（成都理工大学工程技术学院，四川乐山 ；核工业西南物理研究院，四川成都 ）摘要：以工业机器人核心部件减速器为研究对象，对摆线针轮及啮合处做传动性能分析。对减速器施加不同旋转速度，对摆线针轮及啮合处齿进行等效应力、等效弹性形变的分析评估。建立其三维结构模型，以 和聚乳酸（）作为 打印制造的基本材料，通过 对摆线针轮及啮合处进行力学对比分析，为利用塑料材料进行减速器制造和性能分析提供了依据。关键词：塑料材料；打印；减速器；性能分析中图分类号：；文献标识码：，（，；，）：，：；收稿日期：基金项目：乐山市科技局项目（编号：）；乐山市高新区创新创业项目（编号：）作者简介：姚明镜，讲师，硕士，主要从事先进材料及其加工技术方面的研究。模 具 技 术 引言工业机器人的核心零件是 减速器，与普通行星齿轮传动相比，其传动效率和精度更高，但制造技术要求也更高。摆线针轮在 减速器传动中起到非常重要的作用，其选材、几何参数以及齿廓形状将直接影响 减速器的性能及寿命。利用 打印制造技术，以 和聚乳酸（）两种材料进行 减速器制造并分析其性能，最终选定性能可靠的材料来制造减速器。减速器传动原理及建模减速器由齿轮轴、太阳轮、行星轮、针齿轮、针齿壳、摆线针轮、行星架、曲柄轴、支撑法兰、外壳等共同组成。在二级减速中，行星轮与曲臂轴相连接，在曲臂轴的偏心部分装有两个不会相互接触且相位差为 的摆线针轮，随着曲臂轴的偏心运动，摆线针轮完成偏心运动。此时若将曲臂轴旋转一圈，那么摆线针轮就会沿着与曲臂轴线相反的方向旋转一个齿，这个齿与针齿壳啮合带动机壳转动实现减速，如图所示。输出轴；机架；摆线针轮；行星轮；输入轴；太阳轮；曲柄轴；支撑法兰图 减速器结构的传动原理图 使用参数化的建模方法得到初步齿廓曲线，然后使用镜向命令，可以得到摆线轮的完整齿廓曲线。根据 减速器的性能要求，设置摆线轮拉伸高度为，得到摆线轮三维轮廓，如图所示。图为 减速器的三维模型图。图摆线轮三维建模 太阳轮；行星架；行星齿轮及曲轴；输出轴承；摆线轮；支撑法兰；机架图 减速器的三维图 材料的属性对比选用 塑料、塑料两种材料对摆线针轮啮合特性进行对比分析。）树脂由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯共聚而成。其有着极其优良的抗冲击、抗化学性能，以及容易成型和机械加工、不易于锈蚀等优点，其性能参数如表所示。表 的相关性能参数 参数密度（）杨氏模量 泊松比剪切模量 弹性模量 数值 ）材料具有可降解性、优良的柔韧性、高断裂生长率和高冲击强度，其性能参数如表所示。表 的相关性能参数 参数密度（）杨氏模量 泊松比剪切模量 弹性模量 数值 不同塑料材料减速器传动力学分析减速器模型的导入及参数设置将建 好 的 整 体 减 速 三 维 模 型 导 入 软件中，对模型进行网格划分，如图所示。将两个摆线针轮的齿面和针齿壳的接触部位设定为摩擦接触，其中 塑料摩擦系数设定 为，塑 料 的 摩 擦 系 数 设 定 为。考虑启动时旋转速度不宜设置得太大，因此设定（）和（）的两个不同的 转 动 速 度 进 行 不 同 树 脂 材 料 的 比 较分析。图啮合部位网格划分图 两种材料不同转速下力学分析）基于 树脂材料的摆线轮啮合。两种转动速度得到的等效应力云图如图所示、弹性应变云图如图所示。由图，可知：随着转速增大，摆线针轮及其外壳所受到的应力在不断地增大，且应力集中在中心孔、摆线针轮，以及它相接触的针齿处，最大处的等效应力由 增加到 ，且摆线针轮及其外壳所受到的应变也在不断地增大，且应变集中在中心孔、摆线针轮，以及它相接触的针齿齿面上；最大处的弹性应变由 增加到 。（）（）（）（）图等效应力云图 （）（）模 具 技 术 （）（）图弹性应变云图 ）基于 树脂材料的摆线轮啮合。两种转动速度得到的等效应力云图如图所示、弹性应变云图如图所示。（）（）（）（）图等效应力云图 （）（）（）（）图弹性应变云图 由图和图可知：随着转速增大，针齿壳变形量有所增大；摆线针轮及其针齿壳所受到的应力在不断增大，而且应力集中在中心孔、摆线针轮，以及它相接触的针齿上面；最大处的等效应力由 增加到 ，且摆线针轮及其外壳所受到的应变也在增大，且应变集中在中心孔、摆线针轮，以及它相接触的针齿齿面上；最大处的弹性应变由 增加到 。对比两种树脂材料性能：当转速提高时，等效应力、弹性应变均有所增加，在相同旋转速度下，两种树脂材料的弹性应变相差不大，但 树脂材料受到的应力大于 树脂材料。通过对比 分 析 可 知：材 料 的 安 全 系 数 高 于 材料，在承受应力方面的力学性能比 好，所 以 选 择 材 料 进 行 减 速 器 的 制造。实物制造根据力学分析结果，选择以 树脂材料作为制造材料，利用熔丝堆积的 打印技术进行减速器的制造。经过实验验证，该减速器可以满足传动的性能要求。图利用 打印制造的 减速器 结论）分析两种塑料材料在不同转动速度下 减速器的力学性能，综合对比可知，材料的力学性能更好。故选择利用 材料作为基础材料进行减速器的制造，经过验证，其性能满足传动要求。）通过力学分析发现：摆线针轮中心孔和啮合处容易失效，故通过改善中心孔周围的机械结构，可以有效增加摆线针轮的使用寿命，及整 体 减 速 器 在 使 用 过 程 中 的 安 全 可靠性。）将 打印制造的塑料减速器应用于传动试验，其可以平稳传动，并满足传动的要求。本研究可以为提高减速器的制造效率，扩展其制造方式及材料库等提供一定的参考。参考文献：机器人产业：全面加速展中国科技潜力今日技术，（）：，（）：郭怡，黄娇，严磊，等高强韧性 纳米 复合材料的制备及性能研究化工新型材料，（）：，（）：姚中贺，朱晓艳 材料在工业设计领域的应用化工管理，（）：，（）：李下蹊，崔建昆 减速器参数化建模及 打印快速成型实现机械传动，（）：，（）：朱梦 减速器的动力学特性研究及优化设计南京：南京航空航天大学，：，楼嘉彬，杜雪松，朱才朝 减速器可靠性优化设计方法机械设计与制造，（）：，（）：白斌，李泽，张俊一工业机器人 减速器失效率可靠性预计评估机械设计与制造，（）：，（）：，项兆森 减速器结构分析及其轴承疲劳寿命研究 沈阳：沈阳工业大学，：，孙宇摆线针轮行星减速器的有限元分析研究咸阳：西北农林科技大学，：模 具 技 术 ，李辉，徐宏海，吴凯不同使用方式下 减速器性能分析 北方工业大学学报，（）：，（）：