基于3D 打印的減速機(jī)傳動系統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ?/h1>
2020-08-17 05:38:54邱海飛
機(jī)械設(shè)計與制造 2020年8期
邱海飛
（西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123）
1 引言
減速機(jī)是典型的機(jī)械傳動裝置，在各種機(jī)械裝備中具有廣泛應(yīng)用。在實際工程領(lǐng)域，一般會根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)和功能要求來選擇相應(yīng)的減速機(jī)型號[1]。由于涉及齒輪傳動、箱體設(shè)計、軸校核、傳動比計算、機(jī)電控制等眾多因素[2]，加之以往的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣控制模塊開發(fā)大多存在脫節(jié)，使得減速機(jī)的開發(fā)不僅過程復(fù)雜，而且實驗難度大、設(shè)計周期長，不利于減速機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)與快速上市。通過綜合應(yīng)用數(shù)字樣機(jī)、3D 打印、C 語言編程及單片機(jī)開發(fā)等，實現(xiàn)了某型減速機(jī)傳動系統(tǒng)的控制模塊開發(fā)和實驗平臺搭建，為減速機(jī)產(chǎn)品的實驗研究提供了思路和技術(shù)借鑒。
2 傳動系統(tǒng)構(gòu)成
減速機(jī)的結(jié)構(gòu)大同小異，一般都是采用電動機(jī)作為動力輸入，然后經(jīng)過多級齒輪傳動來實現(xiàn)降速和增大扭矩[3-4]。某型二級減速機(jī)傳動系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1 所示。其中，高速齒輪2 和中間大齒輪3 為斜齒結(jié)構(gòu)，低速齒輪5 和中間小齒輪6 為直齒結(jié)構(gòu)。該減速機(jī)運行時，由電動機(jī)1 輸入動力扭矩，先經(jīng)過斜齒2、3 進(jìn)行一級減速，再由直齒6、5 實現(xiàn)二級減速，最后輸出增大扭矩并驅(qū)動負(fù)載4。
圖1 減速機(jī)傳動系統(tǒng)Fig.1 Drive System of the Reducer
3 數(shù)字化建模與仿真
3.1 數(shù)字樣機(jī)
根據(jù)圖1 所示結(jié)構(gòu)，采用“自上而下”設(shè)計模式，在SolidWorks平臺上建立減速機(jī)各組成零部件三維實體模型，并對其進(jìn)行虛擬裝配設(shè)計，如圖2 所示。由于該型減速機(jī)組成零部件較多，故建模和裝配過程需綜合考慮減速機(jī)各零部件之間的約束關(guān)系，避免出現(xiàn)干涉、碰撞等不利影響[5-6]，同時對于自由度未完全約束的運動件需采用相應(yīng)的機(jī)械配合，如齒輪副、旋轉(zhuǎn)副等。
圖2 數(shù)字樣機(jī)模型Fig.2 Model of Virtual Prototype
3.2 運動學(xué)仿真
利用Simulation/Motion 模塊對減速機(jī)傳動系統(tǒng)進(jìn)行運動學(xué)仿真。在減速機(jī)輸入軸（低速端）加載旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，并通過正弦函數(shù)構(gòu)建驅(qū)動表達(dá)式[7]，如式（1）所示。
式中：f（t）—以時間t 為自變量的速度函數(shù)（deg/s）；A—函數(shù)幅值。
假設(shè)減速機(jī)輸入軸初始速度為0deg/s，最高轉(zhuǎn)速為600r/min[8]，則幅值A(chǔ)=10，則輸入軸在一個周期（2π）內(nèi)的運動學(xué)變化曲線，如圖3 所示。分析可知，輸入軸在0s 處時角速度為0deg/s，角加速度為10deg/s2；而在1.57s 時輸入軸角速度迅速爬升至10deg/s，且角加速度隨之降低為0deg/s。由此可見，輸入軸驅(qū)動函數(shù)能夠滿足減速機(jī)快速啟動的性能要求，而且角速度和角加速度的變化符合物理學(xué)運動規(guī)律。
圖3 電機(jī)驅(qū)動函數(shù)曲線Fig.3 Drive Function Curve of the Motor
運行Motion 仿真分析，提取減速機(jī)輸入軸與輸出軸的運動學(xué)參數(shù)曲線，如圖4（a）、圖4（b）所示。由圖可知，在式（1）所示正弦函數(shù)驅(qū)動下，輸入軸的角速度、角加速度與輸出軸的變化規(guī)律完全一致，只是輸出軸的角速度及角加速度值明顯減小。比較1s時間點曲線值可知，輸入軸的角速度為8deg/s，輸出軸角速度為0.4deg/s，由此計算出減速機(jī)的減速比為20。
圖4 角速度與角加速度仿真曲線Fig.4 Simulation Curve of Angular Velocity and Angular Acceleration
4 控制模塊開發(fā)
利用C 語言開發(fā)減速機(jī)傳動系統(tǒng)控制程序，考慮到不同工況對于減速機(jī)的性能要求，選用一種12V 直流電機(jī)作為動力輸入，并設(shè)置三檔輸入工作轉(zhuǎn)速，分別為60r/min、90r/min 和120r/min，可根據(jù)使用場所、負(fù)載大小及傳動效率等選擇相應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速。
電氣控制系統(tǒng)硬件主要由STC12C5A60S2 主控單片機(jī)、LCD12854 顯示屏、L298n 直流電機(jī)驅(qū)動模塊、DC-DC 降壓模塊、電源適配器及蜂鳴器模塊組成，各硬件之間通過電子元器件和連線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，并由主控單元（STC12C5A60S2）統(tǒng)一管理和調(diào)配程序指令。
圖5 STC12C5A60S2引腳結(jié)構(gòu)Fig.5 Pin Structure of STC12C5A60S2
STC12C5A60S2 芯片是由宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1T）單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051 單片機(jī)，其引腳結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。芯片內(nèi)部包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）、UART 串口、40 個管腳（4 組*8 個I/O）接口、高速A/D 轉(zhuǎn)換、看門狗及片內(nèi)R/C 振蕩器和外部晶振振蕩電路。
5 硬件平臺搭建
5.1 齒輪 3D 打印
利用美國Stratasys 公司的Dimension Elite 工業(yè)級3D 打印機(jī)制作減速機(jī)齒輪模型，Dimension Elite 采用FDM 熔融堆積成型技術(shù)構(gòu)建三維制件，打印前需在Catalyst EX 軟件中對齒輪模型進(jìn)行切片處理和模型包計算，如圖7 所示。為齒輪模型切片狀態(tài)，分層厚度為0.178mm。Dimension Elite 采用雙噴頭打印模式，成型過程由支撐材料與模型材料交疊鋪層，其中模型材料為ABS工程塑料，支撐材料為水溶性酸性材料，如圖7 所示。為3D 打印的齒輪模型，打印結(jié)束后需將其置于NAOH 溶液祛除支撐材料，然后再進(jìn)行相應(yīng)的工藝后處理，如打磨、拋光、開孔等[9-10]。
圖6 齒輪模型切片處理Fig.6 Slicing of Gear Model
圖7 齒輪模型3D 打印件Fig.7 3D Printing Model of the Gear
5.2 實驗?zāi)Ｐ?/h3>
對減速機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，利用亞克力板制作機(jī)架，按照齒輪中心距尺寸確定各傳動軸中心位置，并將光軸、聯(lián)軸器、菱形支座、電機(jī)及控制模塊進(jìn)行組裝，搭建形成如圖8 所示減速機(jī)控制系統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ汀?/p>
以此模型為研究平臺，通過控制板上的按鍵切換，分別測試在60r/min、90r/min 和120r/min 輸入轉(zhuǎn)速下的減速機(jī)傳動系統(tǒng)性能，以此評判各級齒輪傳動過程的平穩(wěn)性，同時驗證數(shù)字樣機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性以及運動學(xué)仿真結(jié)果的可行性。此外，通過控制程序改寫，該實驗?zāi)Ｐ瓦€可測試其他轉(zhuǎn)速下的減速機(jī)傳動特性，不僅可滿足多種工況下的減速機(jī)傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性測試，而且降低了減速機(jī)產(chǎn)品實驗研究的技術(shù)難度與綜合成本。
圖8 減速機(jī)控制系統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ虵ig.8 Experimental Model of Control System for Reducer
6 結(jié)語
通過數(shù)字樣機(jī)、3D 打印、C 語言編程及單片機(jī)開發(fā)，搭建形成了一種減速機(jī)傳動系統(tǒng)控制實驗?zāi)Ｐ?，該模型結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可方便快捷地實現(xiàn)不同工況轉(zhuǎn)速下的傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性測試，為減速機(jī)系統(tǒng)的振動和噪聲檢測提供了一種有效實驗平臺，有利于降低工程機(jī)械裝備研發(fā)的實驗難度和技術(shù)成本。
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1 引言
減速機(jī)是典型的機(jī)械傳動裝置，在各種機(jī)械裝備中具有廣泛應(yīng)用。在實際工程領(lǐng)域，一般會根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)和功能要求來選擇相應(yīng)的減速機(jī)型號[1]。由于涉及齒輪傳動、箱體設(shè)計、軸校核、傳動比計算、機(jī)電控制等眾多因素[2]，加之以往的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣控制模塊開發(fā)大多存在脫節(jié)，使得減速機(jī)的開發(fā)不僅過程復(fù)雜，而且實驗難度大、設(shè)計周期長，不利于減速機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)與快速上市。通過綜合應(yīng)用數(shù)字樣機(jī)、3D 打印、C 語言編程及單片機(jī)開發(fā)等，實現(xiàn)了某型減速機(jī)傳動系統(tǒng)的控制模塊開發(fā)和實驗平臺搭建，為減速機(jī)產(chǎn)品的實驗研究提供了思路和技術(shù)借鑒。
2 傳動系統(tǒng)構(gòu)成
減速機(jī)的結(jié)構(gòu)大同小異，一般都是采用電動機(jī)作為動力輸入，然后經(jīng)過多級齒輪傳動來實現(xiàn)降速和增大扭矩[3-4]。某型二級減速機(jī)傳動系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1 所示。其中，高速齒輪2 和中間大齒輪3 為斜齒結(jié)構(gòu)，低速齒輪5 和中間小齒輪6 為直齒結(jié)構(gòu)。該減速機(jī)運行時，由電動機(jī)1 輸入動力扭矩，先經(jīng)過斜齒2、3 進(jìn)行一級減速，再由直齒6、5 實現(xiàn)二級減速，最后輸出增大扭矩并驅(qū)動負(fù)載4。
圖1 減速機(jī)傳動系統(tǒng)Fig.1 Drive System of the Reducer
3 數(shù)字化建模與仿真
3.1 數(shù)字樣機(jī)
根據(jù)圖1 所示結(jié)構(gòu)，采用“自上而下”設(shè)計模式，在SolidWorks平臺上建立減速機(jī)各組成零部件三維實體模型，并對其進(jìn)行虛擬裝配設(shè)計，如圖2 所示。由于該型減速機(jī)組成零部件較多，故建模和裝配過程需綜合考慮減速機(jī)各零部件之間的約束關(guān)系，避免出現(xiàn)干涉、碰撞等不利影響[5-6]，同時對于自由度未完全約束的運動件需采用相應(yīng)的機(jī)械配合，如齒輪副、旋轉(zhuǎn)副等。
圖2 數(shù)字樣機(jī)模型Fig.2 Model of Virtual Prototype
3.2 運動學(xué)仿真
利用Simulation/Motion 模塊對減速機(jī)傳動系統(tǒng)進(jìn)行運動學(xué)仿真。在減速機(jī)輸入軸（低速端）加載旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，并通過正弦函數(shù)構(gòu)建驅(qū)動表達(dá)式[7]，如式（1）所示。
式中：f（t）—以時間t 為自變量的速度函數(shù)（deg/s）；A—函數(shù)幅值。
假設(shè)減速機(jī)輸入軸初始速度為0deg/s，最高轉(zhuǎn)速為600r/min[8]，則幅值A(chǔ)=10，則輸入軸在一個周期（2π）內(nèi)的運動學(xué)變化曲線，如圖3 所示。分析可知，輸入軸在0s 處時角速度為0deg/s，角加速度為10deg/s2；而在1.57s 時輸入軸角速度迅速爬升至10deg/s，且角加速度隨之降低為0deg/s。由此可見，輸入軸驅(qū)動函數(shù)能夠滿足減速機(jī)快速啟動的性能要求，而且角速度和角加速度的變化符合物理學(xué)運動規(guī)律。
圖3 電機(jī)驅(qū)動函數(shù)曲線Fig.3 Drive Function Curve of the Motor
運行Motion 仿真分析，提取減速機(jī)輸入軸與輸出軸的運動學(xué)參數(shù)曲線，如圖4（a）、圖4（b）所示。由圖可知，在式（1）所示正弦函數(shù)驅(qū)動下，輸入軸的角速度、角加速度與輸出軸的變化規(guī)律完全一致，只是輸出軸的角速度及角加速度值明顯減小。比較1s時間點曲線值可知，輸入軸的角速度為8deg/s，輸出軸角速度為0.4deg/s，由此計算出減速機(jī)的減速比為20。
圖4 角速度與角加速度仿真曲線Fig.4 Simulation Curve of Angular Velocity and Angular Acceleration
4 控制模塊開發(fā)
利用C 語言開發(fā)減速機(jī)傳動系統(tǒng)控制程序，考慮到不同工況對于減速機(jī)的性能要求，選用一種12V 直流電機(jī)作為動力輸入，并設(shè)置三檔輸入工作轉(zhuǎn)速，分別為60r/min、90r/min 和120r/min，可根據(jù)使用場所、負(fù)載大小及傳動效率等選擇相應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速。
電氣控制系統(tǒng)硬件主要由STC12C5A60S2 主控單片機(jī)、LCD12854 顯示屏、L298n 直流電機(jī)驅(qū)動模塊、DC-DC 降壓模塊、電源適配器及蜂鳴器模塊組成，各硬件之間通過電子元器件和連線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，并由主控單元（STC12C5A60S2）統(tǒng)一管理和調(diào)配程序指令。
圖5 STC12C5A60S2引腳結(jié)構(gòu)Fig.5 Pin Structure of STC12C5A60S2
STC12C5A60S2 芯片是由宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1T）單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051 單片機(jī)，其引腳結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。芯片內(nèi)部包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）、UART 串口、40 個管腳（4 組*8 個I/O）接口、高速A/D 轉(zhuǎn)換、看門狗及片內(nèi)R/C 振蕩器和外部晶振振蕩電路。
5 硬件平臺搭建
5.1 齒輪 3D 打印
利用美國Stratasys 公司的Dimension Elite 工業(yè)級3D 打印機(jī)制作減速機(jī)齒輪模型，Dimension Elite 采用FDM 熔融堆積成型技術(shù)構(gòu)建三維制件，打印前需在Catalyst EX 軟件中對齒輪模型進(jìn)行切片處理和模型包計算，如圖7 所示。為齒輪模型切片狀態(tài)，分層厚度為0.178mm。Dimension Elite 采用雙噴頭打印模式，成型過程由支撐材料與模型材料交疊鋪層，其中模型材料為ABS工程塑料，支撐材料為水溶性酸性材料，如圖7 所示。為3D 打印的齒輪模型，打印結(jié)束后需將其置于NAOH 溶液祛除支撐材料，然后再進(jìn)行相應(yīng)的工藝后處理，如打磨、拋光、開孔等[9-10]。
圖6 齒輪模型切片處理Fig.6 Slicing of Gear Model
圖7 齒輪模型3D 打印件Fig.7 3D Printing Model of the Gear
5.2 實驗?zāi)Ｐ?/h3>
對減速機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，利用亞克力板制作機(jī)架，按照齒輪中心距尺寸確定各傳動軸中心位置，并將光軸、聯(lián)軸器、菱形支座、電機(jī)及控制模塊進(jìn)行組裝，搭建形成如圖8 所示減速機(jī)控制系統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ汀?/p>
以此模型為研究平臺，通過控制板上的按鍵切換，分別測試在60r/min、90r/min 和120r/min 輸入轉(zhuǎn)速下的減速機(jī)傳動系統(tǒng)性能，以此評判各級齒輪傳動過程的平穩(wěn)性，同時驗證數(shù)字樣機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性以及運動學(xué)仿真結(jié)果的可行性。此外，通過控制程序改寫，該實驗?zāi)Ｐ瓦€可測試其他轉(zhuǎn)速下的減速機(jī)傳動特性，不僅可滿足多種工況下的減速機(jī)傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性測試，而且降低了減速機(jī)產(chǎn)品實驗研究的技術(shù)難度與綜合成本。
圖8 減速機(jī)控制系統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ虵ig.8 Experimental Model of Control System for Reducer
6 結(jié)語
通過數(shù)字樣機(jī)、3D 打印、C 語言編程及單片機(jī)開發(fā)，搭建形成了一種減速機(jī)傳動系統(tǒng)控制實驗?zāi)Ｐ?，該模型結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可方便快捷地實現(xiàn)不同工況轉(zhuǎn)速下的傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性測試，為減速機(jī)系統(tǒng)的振動和噪聲檢測提供了一種有效實驗平臺，有利于降低工程機(jī)械裝備研發(fā)的實驗難度和技術(shù)成本。
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