1、学校代号 10530 学 号 201007011467 分 类 号 TH132 密 级 硕 士 学 位 论 文超环面行星蜗杆传动精度理论及精度检测研究学 位 申 请 人 刘诗奇指 导 教 师 杨世平 副教授学 院 名 称 机械工程学院 学 科 专 业 机械工程 研 究 方 向 数字化设计与制造二一三年六月十三日The Research on Transimission Precision Theory and Accuracy Test of Torodial DriveCandidate Liu Shiqi Supervisor Associate Prof. Yang Shiping Co
2、llege School of Mechanical Engineering Program Mechanical Engineering Specialization Digital design and manufacture Degree Master of Engineering University Xiangtan University Date June 13, 2013 湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重
3、要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要超环面行星蜗杆传动机构由于具有传动效率高、传动比大、结构紧凑、承载能力高等优点，成为了近年来国内外专家学
4、者研究和探索的热点。但是由于其关键零件中心蜗杆和超环面内齿圈的廓面形状复杂，对其精度理论与精度检测的研究不足，这显然不利于产品的应用推广。为了解决这一问题，只有在对加工、装配过程中产生的误差，以及这些误差对传动性能的影响取得规律性认识的基础上，才能有针对性地抑制误差，达到提高产品精度的目的。本文从超环面行星蜗杆传动机构关键零件的加工工艺入手，对其精度理论、精度检测和评定进行了深入的研究，主要完成了以下工作。本文在分析超环面行星蜗杆传动机构关键零件的加工工艺的基础上，归纳出了中心蜗杆和超环面内齿圈的廓面加工误差因素，并建立了基于各加工误差因素的超环面行星蜗杆传动啮合理论，得到了含加工误差的超环面
5、内齿圈齿面方程。根据含加工误差的超环面内齿圈齿面方程，采用微分法研究了各加工误差因素对超环面内齿圈廓面误差的影响，为根据超环面内齿圈的廓面误差分析加工工艺原因提供了理论指导。以行星架角位移偏差作为衡量超环面行星蜗杆传动精度的指标，利用含误差的超环面行星蜗杆传动模型进行 ADAMS 运动仿真，通过正交试验进行研究，分析了各误差因素对行星架角位移偏差的影响规律，从而为有针对性地控制误差因素提高传动精度提供理论指导。采用三坐标测量机对超环面内齿圈廓面进行了测量，并通过数据处理得到了超环面内齿圈的螺旋线误差，此外，对超环面行星蜗杆传动关键零件中心蜗杆和超环面内齿圈的误差测量项目进行了定义，为超环面行星
6、蜗杆传动机构关键零件的检测验收提供了参考。关键词：超环面行星蜗杆传动；廓面误差；传动精度；测量湘潭大学硕士学位论文IIAbstractWith high transmission efficiency, transmission ratio, compact structure and high carrying capacity, toroidal drive has become a research focus by scholars both at home and abroad in recent years. However, because its key parts cente
7、r worm and the stationary internal toroidal gear profile surface structure is complex, its error theory is quite inadequate, which is obviously not conducive to improve the accuracy of the product. To solve this problem, only on this basis that we have an understanding about the laws of those errors
8、 generated in the manufacturing and assembly process, and influence they have on the transmission performance, can we target to inhibit those errors, to achieve the purpose of improving product accuracy. Therefore, it is necessary to establish the toroidal planet worm drive error-based meshing theor
9、y to provide a theoretical basis for the analysis of how various error factors effect meshing performance, as well as the relationship between the processing error and the center worm and the stationary internal toroidal gear profile error. Specific Works to be finished by this paper are as follows:
10、 On the basis of thorough analysis about the processing methods and procedures of the key parts of toroidal drive, this paper summarizes the processing error component of the center worm and stationary internal toroidal gear profile surface and establishes the theoretical basis of the toroidal plane
11、t worm gearing, which laid a theoretical foundation for the analysis of the influence law that various error factors have on meshing performance, as well as the relationship between the processing error and the center worm and the stationary internal toroidal gear profile error. According to the sta
12、tionary internal toroidal gear surface equation containing processing errors, to use differential to study the impact that various processing error factors have on stationary internal toroidal gear profile error provides a theoretical guidance for processing reasons which based on the toroidal ring
13、gear profile error analysis.The relationship between error factors of toroidal drive and its transimission precision is analysed. This paper uses CMM to measure the profile surface of the stationary internal toroidal gear and gains the stationary internal toroidal gear helix error by data processing
14、. In addition, this paper also defines the error measure program about the key parts of the toroidal drive the center worm and the stationary internal toroidal gear. Thus it provides an idea of the check and acceptance inspection for the key parts of toroidal drive. Key Words: toroidal drive; profil
15、e error; transimission precision; test湘潭大学硕士学位论文III目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪 论.11.1 引言.11.2 超环面行星蜗杆传动研究现状.11.3 机械传动精度研究现状.31.4 本文主要研究内容.5第 2 章 基于加工误差的超环面行星蜗杆传动啮合理论.62.1 超环面行星蜗杆传动简介.62.2 超环面行星蜗杆传动关键零件的加工方法介绍.72.3 中心蜗杆和超环面内齿圈廓面误差分析.82.4 基于误差的圆柱齿超环面行星蜗杆传动啮合理论.102.4.1 误差分析.102.4.2 基于误差的坐标系建立.102.4.3 坐
16、标变换.122.4.4 啮合方程.142.5 本章小结.24第 3 章 超环面行星蜗杆传动机构关键零件的廓面误差分析.253.1 超环面内齿圈加工误差对其廓面误差的影响分析.253.1.1 刀具切削点位置误差 对廓面误差的影响 .26R3.1.2 刀具半径误差 对廓面误差的影响 .27r3.1.3 中心距误差 对廓面误差的影响 .27a3.1.4 刀具回旋轴线误差 对廓面误差的影响 .283.1.5 轴交角误差 对廓面误差的影响 .2913.1.6 工件轴向窜动误差 对廓面误差的影响.30w3.2 超环面内齿圈廓面误差各影响系数的因素分析.313.2.1 正交试验法.313.2.2 各廓面误差
17、影响系数因素研究.313.2.3 刀具切削点廓面误差影响系数分析.323.2.4 刀具半径廓面误差影响系数分析.363.2.5 中心距廓面误差影响系数分析.37湘潭大学硕士学位论文IV3.2.6 刀具回旋轴线误差对廓面误差的影响系数分析.383.2.7 轴交角误差对廓面误差的影响系数分析.393.3 本章小结.40第 4 章 误差对超环面行星蜗杆传动精度影响分析.414.1 超环面行星蜗杆传动三维建模及装配.414.2 包含误差的超环面行星蜗杆传动运动仿真.444.2.1 导入模型.454.4.2 添加约束.454.2.3 仿真分析与结果后处理.464.2.4 各误差因素对行星架角位移偏差的影
18、响分析.494.3 本章小结.51第 5 章 超环面行星蜗杆传动机构关键零件的几何精度测量.525.1 三坐标测量仪的简介.525.2 基于三维 CAD 模型的超环面内齿圈的 CMM 测量 .545.2.1 超环面内齿圈的三维建模.545.2.2 测针的选配组合.555.2.3 三坐标测量仪回零以及数控系统清零.565.2.4 测头校准.575.2.5 测量坐标系的建立.575.2.6 测量程序和测量.595.3 误差评定.605.3.1 廓面误差.615.3.2 螺旋线偏差.615.3.3 轴向截面廓线偏差.625.4 本章小结.62总结与展望.63参考文献.64致 谢.67攻读硕士学位期间
19、发表的论文及研究成果.68湘潭大学硕士学位论文V物理量名称及符号表a中心距 i传动比21i行星轮与中心蜗杆的传动比 23行星轮与超环面内齿圈的传动比R行星轮半径 r圆柱滚子半径u圆柱滚子高 1中心蜗杆转角2行星轮转角 3超环面内齿圈转角1中心蜗杆角速度 2行星轮角速度3超环面内齿圈角速度 1v相对速度a中心距误差 w工件轴向窜动误差刀具回旋轴线误差 )(中心蜗杆齿面w工件轴向窜动误差 2行星蜗轮齿面r刀具半径误差 )3(超环面内齿圈齿面R切削点位置误差 12mk接触点处的诱导法曲率1xk刀具切削点 X 向廓面误差影响系数 y刀具切削点 Y 向廓面误差影响系数z刀具切削点 Z 向廓面误差影响系数
20、 2xk刀具半径误差 X 向廓面误差影响系数2yk刀具半径误差 Y 向廓面误差影响系数 z刀具半径误差 Z 向廓面误差影响系数3x中心距误差 X 向廓面误差影响系数 3yk中心距误差 Y 向廓面误差影响系数z中心距误差 Z 向廓面误差影响系数 4x刀具回旋轴线误差 X 向廓面误差影响系数4yk刀具回旋轴线误差 Y 向廓面误差影响系数zk刀具回旋轴线误差 Z 向廓面误差影响系数5x轴交角误差 X 向廓面误差影响系数 5y轴交角误差 Y 向廓面误差影响系数zk轴交角误差 Z 向精度影响系数 6xk工件轴向窜动误差 X 向精度影响系数6y工件轴向窜动误差 Y 向精度影响系数 z工件轴向窜动误差 Z
21、向精度影响系数湘潭大学硕士学位论文1第 1 章 绪 论1.1 引言机械传动装置是机器的重要组成部分，主要用来传递原动机的运动和动力变换其运动形式以满足工作装置的需要。随着现代工业技术的发展，机器设备在高速、高效、重载、智能、轻质和精密等方面的要求越来越高，为了满足机器设备发展的要 ，机求械传动装置就必须向着高效率、大功率、大传动比、大扭矩、小体积和低成本的方向发展。为此，国内外研究人员研发出了各种新型传动机构，比如说超环面行星蜗杆传动、弧面凸轮机构、环面蜗杆传动等 1。其中超环面行星蜗 动由于结合了行星传杆 传动和蜗杆传动的结构，因此具备了高传动效率，大承载能力，大传动比，小空间体积和传动平稳
22、等优点，具有非常广阔的应用前景。虽然目前超环面行星蜗杆传动机构还没有实现产业化，但是国内外学者都曾制造样机进行试验，遗憾的是由于没有考虑误差对传动性能的影响以及加工精度等问题，导致样机试验时，在高速运转的情况下时间一长就会出现噪声和振动较大、啮合齿面磨损、传动效率达不到预期值等问题。因此急需要建立基于误差的超环面行星蜗杆传动啮合理论，用以研究各误差因素对超环面行星蜗杆传动啮合性能的影响规律，从而在超环面行星蜗杆传动机构零件实际加工时选择合适的加工工艺路线和工艺设备提高加工精度。同时，为了使超环面行星蜗杆传动满足高速和高精度应用场合的要求，其关键零件中心蜗杆和超环面内齿圈的几何精度必须得到有效控
23、制，因此，提出有效的几何精度评定和检测方法就成了一个亟需解决的问题。1.2 超环面行星蜗杆传动研究现状由于超环面行星蜗杆传动（Toroidal Drive）具备承载能力高、空间体积小、传动比大、传动平稳、传动效率高等优良的传动特性 3；自 20 世纪中期一经问世后，便吸引了国内外学者的广泛关注。国外方面，德国最先开始这方面的研究，紧随其后，美国、日本的研究人员也开始了这方面的研究。自 20 世纪 80 年代中期伊始，我国的研究人员也陆续开始了对超环面行星蜗杆传动的研究。目前对于其啮合理论方面的研究已经趋向成熟，但在承载能力、关键零件的加工方法和加工工艺以及传动效率方面的研究还处于探索阶段，还很
24、不成熟，在其误差分析和检测方面的研究更是基本处于空白阶段。由于各国对其技术研究的保密性等原因，具有参考价值的研究成果一般很少公开发表，目前所知的国外学者的研究主要有：20 世纪 80 年代，前西德亚琛工业大学的湘潭大学硕士学位论文2H.Peeken4-6教授领导的课题组对超环面行星蜗杆传动的设计和制造进行了相对全面的研究，包括其结构优化设计、啮合强度、加工工艺、装配关系和承载能力等，并推导出了其载荷计算公式，制造出了超环面行星蜗杆传动减速器的样机。S.Cierniak 7-8对超环面行星蜗杆传动的行星蜗轮轮齿的运动阻力问题进行了研究并进行了优化设计。Toote9对圆柱齿超环面行星蜗杆传动的偏载
25、问题进行了相关探索，并提出了相应的改进措施。由于预见到了超环面行星蜗杆传动这一新型传动机构开发应用的潜力与前景，国内学者根据国外十分有限的研究资料陆续对该传动的啮合理论、承载能力、加工方法和加工工艺、载荷分布、传动效率以及样机试验等方面进行了大量深入系统的研究并取得一系列极具理论价值的重要成果。在啮合理论研究方面，主要完成了啮合方程、齿面方程、接触线方程、螺旋线方程和压力角方程的推导，并在数值计算的基础上从理论方面分析了各啮合参数对超环面行星蜗杆传动特性的影响。福州大学姚立纲、魏国武等在建立了基于转化机构的球形齿超环面行星蜗杆传动的啮合坐标系，并在此基础上建立了球形齿超环面行星蜗杆传动的啮合理
26、论体系 3，此外还探讨了不同形状滚子对超环面行星蜗杆传动啮合特性的影响 10。燕山大学的许立忠等 11分别推导出了球齿、圆柱齿和圆锥齿中心蜗杆和超环面内齿圈螺旋面的齿廓曲面方程、行星蜗轮与超环面内齿圈及中心蜗杆啮合的接触线方程，给出了界限曲线方程、诱导法曲率计算公式、接触线切线与相对速度夹角的计算公式，分析了接触线形状和啮合区位置，并引入传动参数，得出了传动参数对啮合特性的影响规律。湘潭大学的谭援强、王亮等 12推导出了圆柱齿超环面行星蜗杆传动压力角的计算公式。在承载能力方面，许立忠 13-16推导出了超环面行星蜗杆传动接触应力的计算公式，给出了三种不同齿形的载荷分布计算公式，分析了传动参数对
27、载荷分布的影响规律，并给出了三种不同齿形超环面行星蜗杆传动载荷分布的统一计算公式。在超环面行星蜗杆传动摩擦理论的研究方面，许立忠 17分别从摩擦、磨损与润滑三个方面系统全面地给出了超环面行星蜗杆传动效率随行星轮转角的变化规律和计算公式、齿面磨损量分布规律以及弹性油膜厚度分布规律和计算公式。姚立纲 18-24等人对超环面行星蜗杆传动理论进行了深入的研究。杨传民 25提出了螺环传动效率的简易分析方法，并得出螺环传动副的效率是变效率，适当选择结构参数及采用滚动行星轮轮齿(特别是选用圆柱体轮齿), 可以使螺环传动副的效率大大提高的结论。湘潭大学的谭援强、王亮等 1建立了圆柱齿超环面行星蜗杆传动接触理论，给出了圆柱齿超环面行星蜗杆传动接触应力的计算公式。在超环面行星蜗杆传动零件的加工制造方面，国内外学者参考其他复杂曲面零件的加工方法，试验了各种加工方法实现关键零件超环面内齿圈和中心蜗杆加工的可能性并初步取得了一定的成果。在国内，武汉理工大学的陈定方 26-28教授率先对这种传
