RV減速機虛擬樣機的建造研究
研究生：李霞
指導教師：李偉 教授
申請學位門類級別：工學碩士
專業名稱：機械設計及理論
研究方向：計算機集成制造
摘要
RV減速器是采用漸開線行星傳動和擺線針輪傳動相結合的ZK-V行星傳動。其主要特點是結構緊湊、速比大而且剛性大，因而越來越廣泛地應用于以機器人為代表的機電一體化領域。由于我國現有對該機構的研究方法較依賴于物理樣機，無法在產品設計階段發現潛在的問題并及時給予修改，改進研究方法對其進行必要的性能分析極具現實意義。本論文根據實示工程的需要，在多體動力學理論及有限元分析理論的基礎上，借助高端CAD／CAE/CAM軟件UG、ADAMS和ANSYS構建的集成系統平臺，建立了RV減速器的動力絲仿真與有限元分析的數字化虛擬樣機研究環境。
光成的工作主要包括：1.采用基于特征的參數化造型方法，完成RV減速器整機的參數化造型，為系統仿真及有限元分析做好必要的準備，同時通過對整個模型的靜態干涉檢驗，糾正了原有機構中存在的問題。2.利用機械系統仿真軟件ADAMS建立了RV減速器虛擬樣機模型，并分析了各種修形方式對該機構傳動誤差與空程角誤差的影響，得到較合理的組合修形方式。3.利用有限元分析軟件ANSYS建立了RV減速器整機的有限元分析模型，并對其進行模態分析，求出固有頻率和振型，研究了機構的振動問題。
本文所采用的分析方法處于當今制造業的前沿地位，是對我國傳統機械產品研發模式的大變革，得到的結論對RV減速器的設計和應用具有一定的指導意義。
關鍵詞：RV減速器，動力學仿真，有限元分析，虛擬樣機
第一章 緒論
1.1概述
第一臺RV(Rotary Vector）減速器于1986年山日本帝人公司研制成功并獲得日本專利，主要用于機器人上。RV傳動是在擺線針輪傳動基礎上發展起來的一種新型傳動，它具有體積小、重量輕、傳動比范圍大、傳動效率高等一系列優點，比單純的擺線針輪傳動具有更小的體積和更大的過載能力，因而在國內外受到廣泛重視，在機器人的傳動機構中，已在很大程度上逐漸取代單純的擺線針輪傳動和諧波齒輪傳動。我國于1989年由天津職業技術師范學校和天津減速機廠合作研制成功曲柄式減速機（即RV型傳動機構）以來，這些年也取得了一些進步。但目前我國近千家企業卻沒有真正意義上的綜合性能物理仿真試驗環境，從而在很大程度上阻礙了該類機構的優化與技術含量的進一步提高。究其原因，一方面是造價昂貴、成本高：另一方面是重復設計周期長、智能化程度低，不符合制造業高效、低成本、自動化的市場要求。因此長期以來不能擺脫向外國進口重要、精密減速機構的尷尬局面。虛擬樣機仿真理論的提出標志著制造業的變革，該技術是一門綜合多學科的技術，以數學、機械系統運動學、動力學和控制理論為核心，加上成熟的三維計算機圖形技術和基于圖形的用戶界面技術，將分散的零部件設計和分析技術（如零部件的CAD和Flex有限元分析）集成在一起，提供一個全新研發機械產品的設計方法。它通過設計中的反饋信息不斷地指導設計，保證產品尋優開發過程順利進行。
然而我國大多數相關企業仍停留在傳統的設計方法上，研發過程通常要經過設計、樣機試制、工業性試驗、改進定型和批量生產幾個步驟。由于這種基于物理樣機的設計研發模式的致命缺陷（成本高、周期長），往往使物理樣機的反復性試驗不夠充分，加上設計人員通常不愿為修改局部而給整機帶來不可欲知的結果，這就使我國的機械產品造型、結構和功能嚴重老化，從而在市場上缺乏競爭能力。這種基于樣機制造、試驗拘設計方法增加了新產品的研發周期和成本。產品結構越復雜，這種人力、物力、財力的浪費越嚴重，從而嚴重地制約了產品質量的提高。虛擬樣機技術的出現和逐漸成熟，為解決這些問題提供了強有力的工具和手段。
因此，本課題針對國產品點焊機器人中對RV減速器的迫切需要，運用了國外先進的虛擬樣機建造與仿真工具，建立了一個RV減速機虛擬樣機的分析環境，同時提出一個從虛擬建模到系統仿真和有限元分析的操作性較強的實現體系。該體系注重理論與矢際相結合，充分體現了高新技術轉化為生產力的可操作性與高質量、高效率的特性。
1.2虛擬樣機技術簡介
虛擬樣機技術就是在構建制造物理樣機之前，設計師利用計算機技術建立機械系統溝數字化模型，模擬該產品的各種真實工況進行仿真分析，預測分析該產品的各項性能，從而為改進產品設計，提高產品性能提供理論指導的一種新技術。
該技術是許多技術的綜合。它的核心部分是多體系統運動學與動力學建模理論及其技術實現。作為應用數學的一個分支的數值算法及時一地提供了求解這種問題的有效的快速算法。近年來的計算機可視化技術及動畫技術的發展為這項技術提供了友好的人機用戶界面。CAD/FEA等技術的發展為虛擬模型技術的應用提供了技術環境。
同傳統的基于物理樣機的設計研發方法相比，虛擬樣機設計方法具有以下特點:
(l）全新的研發模式。傳統的研發方法從設計到生產是一個串行過程，這種方法存在很多的弊端，比如重復設計、制造周期長等。而虛擬樣機技術真正實現了系統角度的產品優化，它基于并行工程（Concurrent Engineering)，使產品的概念設計階段就可以迅速也分析、比較多種設計方案，確定影響性能的敏感參數，并通過可視化技術設計產品、預測產品在真實工況下的特征以及所具有的響應，直至獲得最優工作性能。
(2）更低的研發成本、更短的研發周期、更高的產品質景。采用虛擬樣機設計方法有助于擺脫對物理樣機的依賴。通過計算機技術建立產品的數字化模型（即虛擬樣機）,可以完成無數次物理樣機無法講行的慮擬試驗（成本和時間條件不允許），從而無需制造及試驗物理樣機就可獲得最優方案，因此不但減少了物理樣機的數量，而且縮短了研發周期、提高了產品質量。
(3）該技術能幫助用戶設計、分析開發幾乎所有運動著的系統或產品。從簡單的連桿機構、小型機電產品到復雜的車輛、飛機和宇宙飛船，均可建造其虛擬樣機。
(4）實現動態聯盟的重要手段。目前世界范圍內廣泛地接受了動態聯盟的概念，即為了適應快速變化的全球市場，克服單個企業資源的局限性，出現了在一定時間內，通過Internet（或Intranet）臨時締結成的一種虛擬企業。為實現并行設計和制造，參盟企業之間產品信息的敏捷交流尤顯重要，而虛擬樣機是一種數字化模型，通過網絡輸送產品信息，具有傳遞快速、反饋及時的特點，進而使動態聯盟的活動具有高度的并行性。
從虛擬樣機技術在工業上成功應用的幾個例子可以更加清楚地了解該技術的優越：
1997年7月4日，美國航空航天局（NASA）的噴氣推進實驗室（JPL）成功地實現了火星探測器《探路號》在火星上的軟著陸，成為轟動一時的新聞。但人們并不知道，如果不是采用了一項新技術，這個計劃可能要失敗。在探測器發射以前，JPL的工程師們運用這項技術預測到由于制動火箭與火星風的相互作用，探測器很可能在著陸時滾翻并最后六輪朝上。工程師們針對這個問題修改了技術方案，保證了火星登陸計劃的成功；福特汽車公司在一個新車型的開發中也采用了這項技術，其設計周期縮短了70天。全公司充圍內，由于采用了這項技術，設計費用減少了4千萬美元，制造費用節省了10億美元。由于設計制造周期的縮短，新車上市早，額外贏利達到其成本的數倍；世界上最大的工程機械制造商卡特皮勒公司的工程師們在經過幾天培訓后，采用這項技術進行裝載機和挖掘機的工作裝置優化設計及分析，在一天時間內，他們對工作裝置進行了上萬個工位內運動及受力分析，很容易地實現了理想的設計。
1.3RV減速器傳動特點簡介
RV傳動作為一種新型傳動，從結構上看，其基本特點可概括如下:
(l）傳動比范圍大
通過改變第一級減速裝置中齒輪的齒數Z1和Z2，可以方便地獲得范圍較大的傳動比；其常用的傳動比范圍為I=57～192。
(2）結構緊湊
傳動機構置于行星架的兩支承主軸承內側，可使傳動的軸向尺寸大大縮小。
(3）使用壽命長
采用二級減速機構，低速級的針擺傳動公轉速度減小，傳動更加平穩，轉臂軸承個數增多且內外環相對轉速下降，可提高其壽命。
(4）剛性大，抗沖擊性能好
輸出機構采用兩端支承結構，比一般擺線減速機的輸出機構（懸臂梁結構）剛性大、抗沖擊性能高。
(5）傳動效率高。
因為除了針輪的針齒銷支承部件外，其它構件均為滾動軸承支承，所以其傳動效率高。
(6）只要設計合理，可以獲得高的運動精度。
1.4課題預期目標
本課題總的詳細目標為：
1.建立RV減速器整機的實體模型，該模型必須包括所有零件的完整信息，即各零件的表面積、體積、質量、慣性矩、材料和密度等信息，為后面的機械系統動力學仿真分析及有限元分析做準備。
2.根據減速器的傳動原理和實際工況，給其施加準確的約束、載荷及激勵，完成機構的仿真模型，進行仿真并驗證樣機建立正確。
3.為與減速器的實際工作環境吻合，對擺線輪進行修形，因實際中修形方式及修形封的選擇對RV減速器的傳動性能影響極大，研究修形方式和修形量的正確組合，獲得當最佳的傳動性能。
4.計算減速器整機的固有頻率，研究RV減速器的振動問題。
1.5課題意義
一.利用虛擬樣機技術研究RV減速器非常必要。RV傳動用在機器人中有著任何其它機構均無法比擬的優越，而我國研究它的幾家研發中心均沒有建立真正意義上的綜合性指虛擬樣機仿真試驗環境，均采用物理樣機試制-試驗-發現問題-改進-試驗-……-結果滿意-制造產品，但試驗周期長，制造物理樣機成本昂貴。虛擬樣機技術克服了上述弊端，能夠保證效率高、操作方便、質量可靠，成本低廉。
二．本課題對解決工程問題具有實際應用價值。因為以工程應用的實際課題為背景，采月新興先進的系統動力學理論方法，全面分析RV減速器的整體動力學性能，同時進行尤化設計與故障分析方面的探討。
三．利用虛擬樣機技術研發機構的思維值得推廣。以虛擬樣機理論為基礎，以RV減速器為研究對象，借助現代高新技術，嘗試用三維建模、系統仿真、有限元分析軟件來創建一個從設計到系統分析的結構體系與實用仿真環境有著深遠的意義，如將該方法運用到我國的某些機械行業，能推動我國機械行業的快速發展。
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