基于ADAMS非圓行星齒輪機構應用于機床行業展望

李兆維

摘要：利用Solidworks軟件，建立了精確的非圓行星齒輪機構三維模型，并使用ADAMS軟件對非圓行星齒輪機構進行運動學仿真分析。在此基礎上充分掌握非圓行星齒輪機構特點，并據此對非圓行星齒輪機構在數控機床行業的應用前景做以展望。

Abstract： An accurate 3D model of Non-circular Planetary Gear Mechanism is established by SolidWorks software， and ADAMS software is used to carry out kinematic simulation analysis of Non-circular Planetary gear mechanism. A prospect of the application of Non-circular Planetary gear mechanism in CNC machine tool industry is made， which is based on fully grasp the characteristics of Non-circular Planetary gear mechanism.

關鍵詞：自鎖;機械無級變速;過載保護

Key words： self-lock;mechanical stepless transmission;overload protection

0 ?引言

無極調速被廣泛應用于數控機床主傳動系統，這能夠使數控機床主軸在運轉過程中自動換速，獲得針對不同切削特性工件的合理切削速度。目前，數控機床大多采用交流伺服電機串聯機械變速機構，用以實現不同種類數控機床對轉速、功率、扭矩等特性的要求 [1]。本文介紹的非圓行星齒輪機構為機械式無級變速裝置，可實現自鎖，無級變速及過載保護功能，非圓齒輪的特點是結合了凸輪和齒輪的優勢，相比其他傳動機構的優點是能獲得非勻速比，能夠以變化的傳動比來傳遞較大的動力[2]，另外其過載保護功能可以使其在受到沖擊載荷等情況下避免價值量較高的刀具及零件受損，具備較高經濟效益。

1 ?非圓行星齒輪機構的原理

該機構的傳動方式屬于軟啟動和軟傳動的無級變速，主動齒輪動作后，作為動力輸入的中心非圓齒輪在動作過程中旋轉到節圓較長半軸時其半徑與輸出端的齒輪節圓相等，機構處于自鎖狀態實現等比例傳動。當數控機床加工過程中由于刀具磨損、工件材質不均等原因導致傳動機構輸出端所受扭矩加大時，行星圓柱齒輪受負載影響，使其內部彈簧受力，圓柱齒輪和非圓齒輪在同一軸線的彈簧螺旋連接，受力后的圓柱齒輪向相反方向轉動，非圓齒輪也跟著向相反方向轉動，按行星減速器（WW）機構減速。當負載扭矩超過限定的工作扭矩時，行星架向相反方向轉動，中心軸則停止轉動，從而實現了過載保護的功能。（圖1）

2 ?基于Adams非圓行星齒輪機構的運動學仿真

在深入了解了機構工作原理和非圓齒輪結構特點的基礎上，應用SolidWorks軟件建立了非圓行星齒輪機構三維模型（簡化了行星非圓齒輪內部部分零件以及柔性體）。對該機構施加不同載荷時，利用Adams軟件對其進行建模和仿真，得到了其在自鎖、正常工作以及過載保護情況下的幾種不同狀態[3]。

2.1 自鎖

該模型傳動形式是2K-H行星傳動，屬于外嚙合（WW）方式，在行星輪架作為從動端的情況下，其傳動比達到一定數值時會發生自鎖。當給輸入端齒輪轉速為300 r/min，在不施加外部負載的情況下，由圖2中不難發現，該機構運動不到2秒后，非圓齒輪、輸出齒輪和行星輪架轉速相同，此時機構處于自鎖狀態。（圖中橫坐標為時間，縱坐標為角速度，表示非圓齒輪;表示行星架;表示輸出齒輪;以下各圖同）

2.2 外載自鎖

對機構施加外載STEP（time，0，0，0.2，10000）+STEP（time，0.2，0，20，0），在圖3中可以發現非圓行星齒輪機構的自適應性，該機構在運動接近5s后非圓齒輪轉動某一角度，在固定傳動比下處于自鎖狀態。

2.3 無級變速

對該傳動機構施加外部載荷STEP（time，0，0，0.2，1000000）+STEP（time，0.2，0，20，0），在圖4中可見，輸出齒輪和行星輪架角速度變化滯后于非圓齒輪，但向同一方向運轉。由于非圓齒輪是通過傳動比變化來實現無極變速，所以輸出齒輪和行星輪架的角速度呈現周期性變化。但是在該機構的實際應用中，由于實際設計情況不同存在諸如彈簧、螺旋軸、螺母等撓度大小不一的撓性體，導致輸出齒輪和行星輪架的角速度基本是某一固定值，并且其數值比非圓齒輪角速度小。

2.4 過載保護

對該傳動機構施加外部載荷STEP（time，0，0，0.2，500000）+STEP（time，0.2，0，20，0），在圖5中可見，輸出齒輪的角速度在零附近振蕩，即在平衡位置接近處于靜止狀態，行星輪架的角速度為正，其運動方向與非圓齒輪相反。當外部載荷大于該機構所設定的額定載荷時，輸出齒輪停止轉動，從而實現了刀具及相關傳動部件的過載保護。

3 ?結論

非圓行星齒輪機構相比于傳統變速器結構更緊湊并且大大提升了承載能力，利用ADAMS軟件對機構進行建模和仿真，得到了其在自鎖、正常工作以及過載保護情況下的幾種不同狀態，驗證其理論功能適用于數控機床傳動系統。目前，非圓行星齒輪機構已用于深海石油開采作業等領域，其無級變速和過載保護等優點可在機床主運動及進給運動傳動系統中予以應用，進一步提升數控機床性能，豐富數控機床運行狀態選擇，減少意外發生，大幅提高數控機床精度保持性和使用壽命。

參考文獻：

[1]文懷興，夏田.數控機床系統設計[M].工業裝備與信息工程出版中心，2005.

[2]J Bernard. Optimization of Mechanism Timing Using Noncircular Gearing [J]. Mechanical Design and Synthesis. 1992.

[3]劉永平，楊存，孫旋.基于ADAMS的非圓齒輪運動學仿真分析[J].機械傳動，2014.