基于Solidworks和Adams行星式銷齒輪研磨機(jī)的建模與運(yùn)動(dòng)仿真

吳耀宇,薛培軍

(中州大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院,鄭州 450044)

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基于Solidworks和Adams行星式銷齒輪研磨機(jī)的建模與運(yùn)動(dòng)仿真

吳耀宇,薛培軍

(中州大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院,鄭州 450044)

通過(guò)在Solidworks軟件中建立行星式銷齒輪研磨機(jī)的三維實(shí)體模型，采用Adamas軟件對(duì)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換成虛擬樣機(jī)。通過(guò)計(jì)算及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證了虛擬樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)指出通過(guò)改變接觸副參數(shù)提高模型準(zhǔn)確性的方法，為進(jìn)一步研究工件運(yùn)動(dòng)特性、提高研磨加工效率、保證工件研磨加工精度奠定了基礎(chǔ)。

Solidworks;Adams;行星式研磨機(jī);銷齒輪;虛擬樣機(jī)

0 引言

研磨是超精密加工的重要方法，具有加工精度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。行星式平面研磨機(jī)是常見(jiàn)的一種平面研磨設(shè)備，運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)整方便，可實(shí)施單雙面加工，加工效率高[1]。許多研究和實(shí)驗(yàn)表明，行星式平面研磨機(jī)研磨效率、研磨精度、研磨盤磨損的均勻性與研磨運(yùn)動(dòng)參數(shù)的合理選擇密切相關(guān)[2]。絕大部分的研究采取的主要是解析法建立磨具與工件之間的運(yùn)動(dòng)方程[3]，與實(shí)際的運(yùn)動(dòng)存在一定差距；而在實(shí)際加工中，對(duì)研磨機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的選擇過(guò)多地依賴經(jīng)驗(yàn)[4]，加工質(zhì)量的偶然性較大，無(wú)法對(duì)實(shí)際研磨加工中存在的問(wèn)題提出針對(duì)性的改進(jìn)方案。

這里以德國(guó)Peter Wolters公司AC700F型大型圓盤平面數(shù)控磨床為研究對(duì)象，運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件Adamas對(duì)三維建模軟件Solidworks實(shí)體創(chuàng)建的行星式平面研磨機(jī)進(jìn)行仿真，為優(yōu)化研磨機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)做好準(zhǔn)備。

1 行星式銷齒輪研磨機(jī)三維模型的建立

1.1 研磨機(jī)及運(yùn)動(dòng)原理

德國(guó)Peter Wolters公司AC700F型行星式銷齒輪大型圓盤平面數(shù)控磨床，可同時(shí)加載6個(gè)載盤(行星輪)帶動(dòng)多個(gè)工件一起運(yùn)動(dòng)，研磨盤為固結(jié)磨料研磨盤[5]。圖1為其結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)示意圖。上、下研磨盤、中心銷齒輪(太陽(yáng)輪)分別由三個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，上研磨盤3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，下研磨盤4、中心銷齒輪1均可正反轉(zhuǎn)，工件5隨載盤(行星輪)2在中心銷齒輪(太陽(yáng)輪)1和固定(也有轉(zhuǎn)動(dòng)的)的內(nèi)銷齒輪6的共同作用下做復(fù)雜的平面曲線運(yùn)動(dòng)。研磨過(guò)程中通過(guò)氣缸對(duì)上研磨盤4施加力而在上、下研磨盤和工件之間形成研磨壓力。上研磨盤4與加壓桿之間為球面鉸接，以保證下研磨盤4研磨平面的浮動(dòng)。

圖1 研磨機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)示意圖1.太陽(yáng)輪 2.行星輪 3.上研磨盤 4.下研磨盤 5.工件 6.內(nèi)銷齒輪

圖2 研磨機(jī)運(yùn)動(dòng)原理圖

根據(jù)研磨機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理，考慮到工件運(yùn)動(dòng)對(duì)于行星輪系運(yùn)動(dòng)的影響遠(yuǎn)小于行星輪系對(duì)工件運(yùn)動(dòng)的影響，同時(shí)考慮到工件相對(duì)于上研磨盤、下研磨盤運(yùn)動(dòng)的相似性，可以將研磨機(jī)簡(jiǎn)化為如圖2的行星輪系。設(shè)太陽(yáng)輪角速度為ω1，行星輪自轉(zhuǎn)角速度為ω2，行星輪公轉(zhuǎn)角速度(假想系桿5的角速度)為ω5，則有：

(1)

(2)

式中，z1為太陽(yáng)輪齒數(shù)，z2為行星輪齒數(shù)，z6為內(nèi)齒圈齒數(shù)。本行星式銷齒輪研磨機(jī)的太陽(yáng)輪銷齒數(shù)為54，載盤銷齒數(shù)為48，內(nèi)齒圈銷齒數(shù)為150。

1.2 研磨機(jī)三維模型的建立

利用Solidworks軟件分別對(duì)行星式銷齒輪研磨機(jī)的各個(gè)零件進(jìn)行實(shí)體建模、虛擬裝配。為了使模型在Adams中的分析過(guò)程中盡量簡(jiǎn)單化，在進(jìn)行裝配時(shí)可以將氣缸、電機(jī)、軸承、螺栓等起輔助作用的零部件省略，導(dǎo)入Adams后用一些相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副來(lái)代替。由于行星銷齒輪機(jī)構(gòu)同時(shí)具有內(nèi)嚙合和外嚙合，這就需要比較精確地造型和裝配技術(shù)。采用直接裝配法[6]進(jìn)行裝配，同時(shí)利用干涉檢查命令對(duì)行星銷齒輪的裝配結(jié)果進(jìn)行檢查。圖3即是為完成總體裝配的行星式銷齒輪研磨機(jī)的三維模型(此處隱去了上研磨盤)。

2 研磨機(jī)Adams虛擬樣機(jī)動(dòng)態(tài)仿真

2.1 模型簡(jiǎn)化及導(dǎo)入Adams

在Solidworks實(shí)體設(shè)計(jì)中完成實(shí)體建模后，將其轉(zhuǎn)化為與Adams具有相同核心實(shí)體造型技術(shù)的Parasolid格式文件導(dǎo)入Adams中。具體做法是先將建好的Solidworks實(shí)體文件另存為x_t類型文件，然后再重新命名為擴(kuò)展名為xmt_txt類型的文件。 運(yùn)行Adams/View后用導(dǎo)入命令(import)選定轉(zhuǎn)換過(guò)的文件導(dǎo)入。然后在Adams/View對(duì)各構(gòu)件的名稱、材料等基本信息進(jìn)行設(shè)定。

圖3 研磨機(jī)三維模型

2.2 約束的添加及驅(qū)動(dòng)

機(jī)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)添加各種約束實(shí)現(xiàn)的[7]。為了進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，需要對(duì)導(dǎo)入到Adams/View中的模型各構(gòu)件之間添加正確的約束[8]。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析對(duì)簡(jiǎn)化后的虛擬行星式銷齒輪研磨機(jī)施加如下約束：內(nèi)銷齒輪相對(duì)于地面的固定副；中心銷齒輪(太陽(yáng)輪)相對(duì)于地面的旋轉(zhuǎn)副；行星輪相對(duì)于太陽(yáng)輪的接觸副；行星輪相對(duì)于內(nèi)銷齒輪的接觸副；工件相對(duì)于行星輪的圓柱副；工件相對(duì)于下磨盤的接觸副；工件相對(duì)于上磨盤的接觸副；下研磨盤相對(duì)于大地的旋轉(zhuǎn)副；上研磨盤相對(duì)于大地的旋轉(zhuǎn)副。在此模型中，共有三個(gè)驅(qū)動(dòng)：太陽(yáng)輪、上研磨盤和下研磨盤。工件被放在行星盤的孔中可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，上表面(加工面1)與上磨盤平面接觸，下表面(加工面2)與下磨盤平面接觸，因此其轉(zhuǎn)動(dòng)的方向是隨著與上研磨盤和下研磨盤接觸面之間的摩擦力矩的變化而改變。圖4為創(chuàng)建了約束副和驅(qū)動(dòng)的行星式銷齒輪研磨機(jī)(圖中隱去了上研磨盤)虛擬樣機(jī)，行星輪孔中的黑色部分為工件。

圖4 模型虛擬樣機(jī)

2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及模型完善

對(duì)上述所建行星式銷齒輪研磨機(jī)虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。輸入驅(qū)動(dòng)載荷值：太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速120r/min，下研磨盤自轉(zhuǎn)速-160r/min，上研磨盤自轉(zhuǎn)速165r/min，仿真時(shí)間t=0.5s，步長(zhǎng)steps=100。圖5(a)顯示了行星輪的公轉(zhuǎn)角速度曲線。利用PostProcessor統(tǒng)計(jì)分析命令，可得出行星輪公轉(zhuǎn)角速度及自轉(zhuǎn)速度平均值分別為189.90deg/s、403.80 deg/s，與按照公式(1)和(2)計(jì)算得出的190.59deg/s和405.0deg/s值相比較，誤差分別為0.36%及0.30%，滿足傳動(dòng)比要求，證明建立的模型是準(zhǔn)確的。同時(shí)從曲線可以看出，其角速度比較大的波動(dòng)。這是由于太陽(yáng)輪和行星輪之間、行星輪和內(nèi)齒圈之間的約束采用的是接觸副而不是齒輪副，從而在太陽(yáng)輪與行星輪、行星輪與內(nèi)齒圈嚙合時(shí)產(chǎn)生了比較大的接觸應(yīng)力及微量位移(行星輪與內(nèi)齒圈接觸力見(jiàn)圖6(a))。

圖5 行星輪公轉(zhuǎn)角速度

圖6 行星輪與內(nèi)齒圈接觸力

盡管這樣做更符合研磨機(jī)運(yùn)行的實(shí)際工況且在仿真時(shí)能得到更多的運(yùn)行信息，但為了使這些影響降到最低，需要對(duì)模型尤其是接觸副部分進(jìn)行完善。本模型采用的是基于碰撞函數(shù)的接觸算法(IMPACT-Function-based contact)，在材料選定后，則其剛度(Stiffness)就已確定?？梢酝ㄟ^(guò)改變瞬時(shí)法向力指數(shù)(Force Exponent)、阻尼系數(shù)(Damping)、全阻尼滲透變形量(Penetration Depth)減少接觸力的波動(dòng)幅度。參數(shù)調(diào)整后再次進(jìn)行仿真，得到的行星公轉(zhuǎn)角速度和接觸力分別為圖5(b)和圖6(b)所示。結(jié)果顯示調(diào)整后的角速度、接觸力波動(dòng)幅度顯著減少，提高了模型的精度。

研磨軌跡對(duì)研磨效率和研磨質(zhì)量有著重要影響，是認(rèn)識(shí)研磨過(guò)程機(jī)理的基礎(chǔ)。研磨軌跡曲線可以分為兩類：研磨盤上的一點(diǎn)相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡以及工件上的一點(diǎn)相對(duì)于研磨盤的運(yùn)動(dòng)軌跡。前者對(duì)于研磨工件表面形貌、紋理有著重要作用，而后者對(duì)于揭示研磨去除率、研磨盤的磨損有著重要意義。許多學(xué)者主要是解析法建立磨具與工件之間的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)研究?jī)煞N軌跡及其變化規(guī)律，而在Adams中利用Create Trace Spline命令可以很方便地描繪出兩種軌跡。圖7 為在不同參數(shù)下工件相對(duì)于下研磨盤的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖7 工件相對(duì)于研磨盤運(yùn)動(dòng)軌跡

3 結(jié)論

在實(shí)際研磨過(guò)程中，操作者無(wú)法測(cè)量工件及研磨盤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，只能依靠操作經(jīng)驗(yàn)不斷試驗(yàn)才能提高研磨加工效率和零件加工精度。通過(guò)在Solidworks軟件中建立了行星式銷齒輪研磨機(jī)的三維實(shí)體模型，采用Adamas虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，指出了通過(guò)改變接觸副參數(shù)提高模型準(zhǔn)確性的方法。為進(jìn)一步研究工件運(yùn)動(dòng)特性、提高研磨加工效率、保證工件研磨加工精度奠定了基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯 趙冰)

Modeling and Movement Simulation of Planetary Pin Gear Lapping Machine Based on Solidworks and Adams

WU Yao-yu, XUE Pei-jun

(College of Mechanical and Electrical Engineering and Vehicle Engineering, Zhongzhou University, Zhengzhou 450044, China)

The model of the planetary pin gear lapping machine with the solidworks software is built, and then Adamas converts the model to virtual prototype.The accuracy of the model is verified by calculation and kinematics simulation.At the same time, the method to improve the accuracy of the model by changing the parameters of contact pair is pointed out, which lays a foundation for further study of the workpiece movement characteristics, improving the efficiency of grinding process, and ensuring the workpiece grinding machining accuracy.

Solidworks; Adams; planetary lapping machine; pin gear; virtual prototype

2016-01-27

2015年度河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“基于Adams仿真的高效研磨用半永久性超硬材料研磨盤研制”(152102210017)

吳耀宇(1965—)，男，河南鄭州人，碩士，中州大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院教授，主要從事精密加工的教學(xué)和研究。

10.13783/j.cnki.cn41-1275/g4.2016.02.022

TS803

A

1008-3715(2016)02-0108-04