基于ADAMS的機器人輸入齒電機軸斷裂的建模、仿真與強度分析研究

張宏強 付曉玲

摘 要：工業機器人的輸入齒輪傳動是一種很重要的傳動方式，得到了普遍的應用。沿嚙合線作用在輸入齒齒面上的法向載荷較大，輸入齒同時受到扭矩和彎矩，受力點與其相連的電機軸根部形成懸臂梁，機器人在啟動停止力矩下，電機軸容易斷裂，為了解決這一問題，對機器人的一軸輸入齒傳動基于ADAMS進行動力學建模與仿真，在較短的加減速時間里，得到輸入齒的最大力矩，利用第三強度理論和第四強度理論，找到了電機軸斷裂的原因：輸入齒與電機軸為整體的懸臂梁撓度太大，實際強度應力大于許用強度應力。嚴格控制加工件的尺寸精度，輸入齒上安裝軸承，減少輸入齒的撓度，徹底解決了電機軸斷裂。

關鍵詞：輸入齒輪；法向載荷；第三強度理論；撓度

引言

工業機器人逐漸在不同領域的深入進軍，在減輕人們勞動強度、在惡劣環境、提高生產效率等中越來越展現出自動化生產給使用者帶來的優越性和先進性，例如在碼垛、機床上下料、噴涂、焊接、打磨等領域的應用。所以工業機器人傳動機構的可靠性設計尤為重要。工業機器人個關節的傳動方式有很多種，例如齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動、滾珠絲杠傳動等，其中輸入齒嚙合RV減速機正齒輪的傳動屬于齒輪傳動，在工業機器人傳動中占70%以上，尤其是對于重載工業機器人，在一二軸的傳動中更為普遍。一軸電機軸容易斷裂的問題在實際工程中頻繁發生，為此基于ADAMS進行動力學建模與仿真，較為準確地得到電機所受的最大力矩，用第三強度理論和第四強度理論，分析為過大的撓度使齒輪應力集中而斷裂，對傳動結構進行了優化，徹底解決了此問題的發生。

1 一軸輸入齒傳動建模

1.1 外力分析

輸入齒電機軸受力：彎曲Ft；扭轉T1。

1.2 內力分析

輸入齒電機軸彎矩圖、扭矩圖，可得電機軸根部位危險截面。即：

1.3 應力分析

2 基于ADAMS的機器人輸入齒的仿真研究

為了能夠理論得到機器人輸入齒的扭矩，利用ADAMS對機器人一軸輸入齒進行仿真，結果如圖7所示。

具體仿真函數如下：

if（time-0.1：step（time，0，0d，0.1，350d），350d，if（time-0.4：350d，350d，if（time-0.5：step（time，0.4，350d，0.5，0d），0d，if（time-0.6：step（time，0.5，0d，0.6，-350d），-350d，if（time-0.9：-350d，-350d，if（time-1：step（time，0.9，-350d，1，0d），0d，if（time-1.1：step（time，1，0d，1.1，-350d），-350d，if（time-1.4：-350d，-350d，if（time-1.5：step（time，1.4，-350d，1.5，0d），0d，if（time-1.6：step（time，1.5，0d，1.6，350d），350d，if（time-1.9：350d，350d，if（time-2：step（time，1.9，350d，2，0d），0d，0d）

3 選用強度理論，對輸入齒電機軸進行強度計算

用第三強度理論：

在工業機器人的實際應用過程中，由于機器人轉座尺寸加工錯誤（如圖8），導致輸入齒與減速機的嚙合點嚴重錯位，產生一個很大的彎曲撓度，這樣增大了彎曲力。

所以輸入齒電機軸強度依然不夠，發生斷裂。

4 機器人一軸轉座加工精度控制研究和輸入齒加軸承支承強度校核

根據以上分析研究，第一，機器人必須控制轉座加工精度，RV減速機C系列給出的定位銷孔的理論位置度為Φ0.05，所以加工必須應在這個公差之內；第二，在加工件合格的情況下，機器人輸入齒中部應加軸承，減少輸入齒的撓度變形。

5 結語

由以上仿真與強度分析可得，在機器人轉座加工符合尺寸公差的情況下，在輸入齒上安裝軸承支承，減小了輸入齒電機軸的撓度，解決了電機軸的斷裂問題。

此解決方案在機器人輸入齒電機軸的設計中可得到推廣應用。

參考文獻

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（作者單位：埃夫特智能裝備股份有限公司）