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RV减速器的模态仿真及实验

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/己口l 7年I己月 第]6卷第1己期 理论与方法 RV减速器的模态仿真及实验* 朱 梦 张 方 秦远田 蒋祺 郑美珠 (1.南京航空航天大学振动工程研究中心南京210001;2.昆山光腾智能机械有限公司昆山215300) 摘要:RV减速器是工业机器人的核心零件,针对我国生产的减速器寿命短、噪声大等缺点,研究其动态特性意义重大。模 态特性是研究动态特性的基础,是研究的第一步。论文建立有限元模型,对RV减速器中的主要部件进行模态仿真,仿真结果 和实验结果相差不到5 ,在误差范围内,验证了仿真结果的可靠性以及有限元模型的准确性;用Bush单元简化轴承,施加约 束后对整体进行模态分析,前三阶固有频率远大于啮合频率,说明工作状态时在外部激励下结构共振的可能性小,为后续研 究结构的动态特性提供参考。 、 关键词:模态仿真;模态实验;啮合频率 . 中图分类号:TN102 文献标识码:A 国零标.准学科分类代码:520 604 Modal simulation and experiment of RV reducer Zhu Meng Zhang Fang Qin Yuantian Jiang Qi Zheng Meizhu (1.Vibration Engineering Research Center of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210001,China; 2.Kunshan Quanta Machinery Co.,Ltd.,Kunshan 215300,China) Abstract:RV reducer is the core part of industrial robot.It is of great significance tO study the dynamic characteristics because RV reducer produced in our country has a short life and high noise.Modal characteristics are the basis and the first step of studying dynamic characteristics.This paper establishes the finite element model of the main parts and com— pletes modal simulation.The deviation between simulation and experiment is less than 5 ,which means the accuracy of the finite element model and simulation results.Simplify bearing as bush element to connect the whole structure.The first three order natural frequenciesare far greater than the meshing frequency.There is no possibility of resonancein the external incentive.The whole works provide a reference for the further research of the dynamic characteristics of structure. Keywords:modal simulation;modal experiment;meshing frequency O 引 言 作用下产生的振动响应,可以避免结构共振现象的发生, 同时为RV减速器的故障诊断技术提供基础。同时,由于 目前,我国正在大力发展以机器人为代表的高端智能 结构系统的固有特性决定了结构系统对其他各种动力学 装备产业。其中,以RV减速器为主的精密仪器是工业机 载荷的响应,模态分析是分析动态特性的基础。现阶段对 器人的核心零部件,且其成本占整个机器人的成本的 结构的模态分析主要有两种方法:1)有限元软件仿真分 3O _1]。现阶段我国生产的RV减速器,工作一段时间后 析;2)实验。把这两种方法结合,互相验证,得到结构的模 出现针齿磨损严重、润滑脂中大量铁屑的现象,使用寿命 态特性。 短 ],因此对RV减速的传动原理、传动精度、动态特性等 的研究都是十分有必要的[3]。模态分析主要用于研究结 1 RV减速器啮合频率的计算 构或者机械零部件的动力学特性[4]。利用模态分析方法 RV减速器在传动过程中,中心轮与行星轮(第一级 求得结构的固有频率和振型,分析预测在内、外部激励的 啮合频率)、摆线轮与针齿(第二级啮合频率)啮合时存在 收稿日期:2017—07 *基金项目:国家自然科学基金(51305197)、机械结构力学及控制国家重点实验室(南京航空航天大学)自主研究课题 (Ol15K01)项目资助 中国科技核心期刊 国外电子测量技术 一5一 理论与 z簟 己口l 7年I己月 第]6卷第1己期■一表2主要部件材料参数表 啮合频率。轮齿间的啮合频率就是在传动过程造成的振动 的主频率l 。经过一系列的推导,第一级啮合频率 (Hz)、 第二级啮合频率 一、传动比的计算公式分别为 : (1) (2) (3) Z ・ ・f Zo・ 7 一・f ・ R一1+ p 式中:Z 为太阳轮齿数;Z 为行星轮齿数;Zo为摆线轮齿 数;Z 为针齿数;Z 为当量齿数; 为输入轴转速,r/s。 z 的计算公式为: 7 Z 一 ) 计算得到的啮合频率如表1所示。 表1算例参数表 2主要部件的模态仿真 模态分析主要根据外力功、内力功、惯性力功、阻尼力 功等功相等关系得出结构动力响应方程。再通过解耦将 方程中物理坐标变换为模态坐标,以便求出系统的模态参 数(固有频率和固有振型)。 有限元方法是数值方法求取复杂微分方程近似解的 有效的工具,它是基于变分原理的离散方法,可以很好的 拟合任意形状的边界,求解精度也能得到保证。 本文计算采用的是由美国Msc公司开发的Patran/ Nastran软件,Patran/Nastran,开放式、多功能的体系结 构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化身和交互图 形界面集于一身,构成一个完整CAE集成环境。 有限元模态仿真的步骤分为: 1)实体建模。在三维建模软件Solidworks中建模得 到实体模型,省略对整体结构影响不大的孔、倒角等 细节。 2)有限元建模。六面体单元相对于四面体单元计算 精度更高,计算结果和实际模型更符合,因此,采用六面体 单元来画网格。由于RV减速器的主要部件结构复杂,不 能利用Patran自带的六面体网格生成法生成网格,所以 将实体模型导人生成网格功能更强大的Hypermesh,生成 网格后导出.bdf文件。 3)Patran前处理。将.bdf文件导人Patran中,完成 材料属性、体单元属性、边界条件的设置。 4)计算分析并查看结果。提交给Nastran计算并查 看结果。 RV减速器主要部件及其材料参数如表2所示。 6一 国外电子测量技术 3 RV减速器主要部件模态实验 3.1实验原理和实验装置 模态实验的原理就是,通过模态测试,获得结构的非 参数模型,再通过模态参数识别方法,得到结构的模态参 数。模态实验系统主要有4个组成部分:被测结构、激励 系统、数据采集系统(传感器、放大器、信号采集仪)、数据 分析系统。通过激励系统给被测系统激励,力(加速度)传 感器接受信号,并且将信号转换成电荷(电压)信号。电荷 (电压)将信号放大后,形成随时间连续变化的模拟信号。 信号经过滤波,进入信号采集仪,通过采样和量化,被离散 变成数字信号。此时,激励和响应的数字信号还是随时间 的变化的。数字信号经过分析系统、傅里叶变换,转化成 频域信号,从而得到传递函数和功率谱估计。激励系统可 以给被测系统提供简谐波形、冲击波形、随机波形或是任 意波形的激励 ]。 在实验中使用的激励系统是力锤,由力压感传感器、锤 体、压盖等零件组成,给结构提供半正弦激励。在实验中使 用的参数识别软件是in+P Analyzer。m+P Analyzer可以 进行精确高效的振动、噪声的测量与分析。同时支持数据 的导人、导出,可以应用于笔记本电脑,方便携带,不受测量 场地的。m+P Analyzer中有很多的测试模块,功能齐 全,广泛的应用结构动态特性分析,如:时域信号通程采集、 锤击法测模态、振动控制分析等。实验中用到的实验装置 只要有力锤、加速度传感器、ITl+P Analyzer平台。 图1模态测试系统框图 对于 多自由度系统,设输入信号,(£)和输出信号 z-( ),系统的非线性运动方程为嘲: [M]{立(f)}+[c]{主( ))+[ ,]{z(£)}一{_厂(£)}(5) 中国科技核心期刊 I己口J 7年J己月 第]6卷第1己期 式中:[M]、[C]、[K]分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚 度矩阵。 将公式拉氏变换后得到: 理论与方法 较小,就用平面用形米模拟摆线盘,并布嚣测点。m+P Analyzer中建立的摆线衙的几何模型如I皋】2所示。 ([M] +[c]S+[K]){X( )}一{F( )} 因此系统的传递函数为: (6) [H] 一面 下网1 ㈩ 图2 m+P Analyzer建模 求解系统的特征值方程,得到 个特征值分别为 、 ;,….cU:, 个特征值向量分别为{ 。},{ ),…,{ }。 { }一{ 。., . ,…, 1 } (8) 3.3实验结果及对比 { 2}一{ 2l, 22,…, 2 } {9 }一{ ,., ,…, 。} { }一{ . 祀,…, 珊} (9) (10) (11) 各零件实验所得闹仃频率与仿真结果的对比如表3 所示。 表3主要部件仿真以及实验固有频率表 { .},{ },…,{ }若阻尼满足瑞利假设。 I-M]一([ ) diag(m )[ ] [c]一([ ]T)diag(c,)[ ] EK3一([ ) diag( ,)[ 带入公式得: Hij( )= (I2) ~ (13) (14) ) 只要求出频响函数矩阵 中的任意一行或者一列。也 就求得了所有的模态参数。模态参数识别分为频域法和 各零件仿真结果的对比如 3~6所示 时域法。频域法,将响应信号通过傅里叶变换转换为频域 信号,并采用了平均方法,其抗噪性能较好。该方法需要 同时测得激励和响应信号,存在测量仪器多、费用较高 测点不易布置等缺点。时域法,直接采用测量的响应信 号,不需要傅里叶变换,避免了由于信号截断引起泄漏等 方面因素对识别结果精度的影响,在测试方面也节省了人 工及仪器。但是噪声干扰对结果影响较大。 3.2实验准备工作 {一;~●● ●86 5 3●, ㈣㈣ ㈣㈣㈣㈣ ㈣ 搏昙砉 胁 ㈨㈨ 罔3摆线盘的第一阶模态 模态实验中,被测试件的支承方式十分重要,结构在 不同的约束条件下模态参数大有不同。在实际的工作条 件下,构件一定处于某种约束状态下,通常很难模拟结构 的实际约束状态。常见的支承方式主要有两种:自由式和 接地式。在这次实验过程中.通过橡皮筋悬挂给部件自由 I 67十000I .+00 560 45枷34i 000 23I-000~} 式支承。橡皮筋的刚度很小,几乎不会对部件的刚度造成 影响,能够做到自由式支承。 在布置传感器测点 时应尽可能选择激振点或响应 点。对于单输入多输出测试系统,应该尽量多布置测点, ; 8:8 2 2-(0)00II 095j 0Il 20- 00 l 0}l 4 87.003● 8472-6l_005897-0I6-00但是也不能同时布置太多的传感器,因为传感器的质量会 对被测系统的同有特性造成影响。同时测点最好能均匀 图4输m糟的第一阶模态 从固有频率的对比衷可以看 .实验结粜和仿真结果 的同有频率基本一敛.误差控制在n1接受的范嗣内。因 此.通过实验验证了有限元模型的正确性以=I乏仿真结果的 可靠性,为接下来计算祭体的模态特性做准备。分析零件 的第一阶模态,可以看in,摆线船主要是仵. oz.平面内产 生弯曲,在摆线轮廓边缘处变形较大;输 盘主要是在 iZ'OZ平面内产生弯曲.同时带动连接压盖的3个支鹰作聚 拢分开的运动;压盘 撰线盘的主体一样.郜是一个网艋, 闻外电子测量技术 一 7 分布,尽量反应结构的轮廓,这样不但可以避免漏掉某一 阶固有频率 ],而且可以在模态分析时得到比较清楚明 了的振型图。在模态分析软件中,也要按照测点的分布情 况建立模型。 以摆线盘为例,摆线盘可以近似看做一个圆盘。 m+P Analyzer中是通过点、直线来建模的。不可能得到圆 弧,就用六边形来代替圆。摆线盘的厚度和直径的比值比 中国科技核心期刊 理论与方法 己口I 7年J己月 第]5卷第f己期__ 罔5压盖的第一阶模态 图7轴承边界条件 从如图8所示轴承的位移云网中可以看 .给内圈施 加扭矩时不会带动外圈的运动,保证了轴承的内外圈之间 9 8 8 7 7 6 6 5 4 4 3 29 7 6 5 3 2,● 5 9 8 7-__,一 的相对运动。Bush单元有6个方向的弹性系数.也能反映 ●●5 2 ●5 9 8 7●5 9 8 7,一,一,一1 ,.,一,一,一,-,J 3轴承的各向刚度, 此用Bush JC采简化轴承是可取的。 1J 8 褂 弘 腮 咖 ㈣㈣㈣㈣㈣咖 O O O 0 O O O 0 O O O O O 0 O O 罔6针齿壳的第一阶模态 主要是在oi"O2:平面内产生弯曲,在轮廓边缘处变形较火; 针齿壳主要的在aTOZ平面内被托伸,整体变形较大。 图8轴承位移云图 4.2各零件间的约束处理 1)输入轴:输入轴与电机相联,在进行模态分析时约 束端面节点的所有自由度。 4整体结构的模态仿真 4.1轴承的简化 2)齿轮啮合:行星轮和中心轮分别设置接触体。采用粘 U^28406284O62OO n 0O0000OO00OOOO 轴承 ” 主要用于支撑、固定机械旋转结构,确保结构 只有轴向的旋转运动.利用滚动体降低结构在运动过程中 的摩擦 ,并保证回转精度。轴承刚度对机械结构的动 力学特性有重要影响。减速器巾有很多的轴承,众多的滚 接算法,没置粘接容限,将齿轮啮合处距离小于容限值的网 格粘接起来。这样给建立有限元模型减少了难度.也省去 了约束齿轮接触线上相同坐标节点的所有自由度的麻烦。 0 O0OO000OOOO0OO O 00000O00O00OOO 3333333333333440 3)行星轮与曲柄轴:行星轮和曲柄轴靠键槽约柬.没 有相对运动,建模时简化为圆柱面接触。保持两者有限元 网格的一致性。将两者接触面共节点处理。 4)有轴承处的连接:结构中有3类轴承,分别为连接 轴和摆线盘问轴承、连接轴和输出盘或压盖间轴承、连接 针齿壳和输出盘或压盖问轴承。将轴承处理为Bush单元 来连接结构起到约束轴向和径向运动.传递周向运动。 5)摆线轮与针齿:工作时,两摆线轮分别和一半针齿 的针齿啮合。分别将两摆线_蕊、各一半的针齿设置成接触 子给建立有限元模型增加了工作量,且滚子和内外圈之间 的接触面给零件间连接造成困难,也增加了计算时间. 此在进行模态仿真时需要简化轴承。 Bush单元 ”是有6个方向弹性系数和6个方向阻尼 系数的弹簧 阻尼单元,对于轴承的简化只考虑Bush 单元的弹簧特性.不考虑其阻尼特性。Bush单元的6个 弹性系数分为3个平动方向和3个转动方向,即 r、【 ,、 Uz、R.z、Ry、Rz。 边界条件罔如图7所示.图中的实心部分和空心部分 为简化后轴承的内外圈.在中心处建立两个节点,将内罔 外壁上的节点和中心节点建立MPC,将外罔内壁上 的 节点和中心节点建立MPC,在两单元之间建立2D的bar 单元.用于建立Bush单元属性。将轴旋转方向的弹性系 数设置为0,其他方向暂时设为1e8。约束3个相隔较远 外圈节点的所有自由度,起到固定作用,在内罔上施加扭 体,共设置4个接触体,分别设置粘接算法.将啮合线处的 网格粘接,约束所有自由度。 6)输}II盘与压盖:建模时.保持接触而上节点的一致 性,共节点处理将两者连接为一体。 7)针齿:针齿内嵌入在针齿壳中.建模时保持接触面上 节点的一致性,共节点处理,约束接触面节点的所有自南度。 8)针齿壳:研究采用的是针齿壳固定,输 趣输…的 矩,进行静力计算。 8 同外电子测量技术 传动方式,因此约束针齿壳外表面所有『I南度。 己口l 7年f己月 弟北吞弟j第]6卷第1己期  H月 4.3整体结构的模态仿真结果 理论与方法 条什以及载荷 ,汁 静/J.验 r Jti l{Ll I1 元简化轴乐 的 行性;整体结构的模急仿 lJl】  I作状念的激 过・系刮的简化处JII¨ 装 女, 连接成 体的fJ fj 9. 交 I :{!} l_n 【L粜&【】I鐾I )~11所,J;。 222  O 780t9_((川§1…Il ・(】(】【1黑  】・(}【1()一 I t1)00 l 3+()()() :l  .35l7l 8t0【)f0} 《 O gO0(j『J(f)l l1()J lI f、● 从 rf1 I-JI以 … ・阶 彳丁摸念.主要是『I1心部件的 轴向旋午々." 轮J 肜 :第二阶土 两摆线 的 间rn】弯l{Ii变彤: 阶{ 世 阳摆线盘的反向巧I1}1变彤。 前 阶 仃儆念分圳'工J: :{( 3 Hz、t 82.IIIz、I 88O.t Hz 繁休的前 阶 I仃粕! fII 僻划的 ・绒、第二缄啮合 频半卡H后很远.运动过 I- 十勾 振的ItJ‘能性小。 5 结 论 经过以 究僻刮 沧:建市有 模型.同时 虑 整体分忻摸J 适披处的I叫 处胛, 个零什进行模怠仿 的结粜车1J 验所 fIj肚不到5 .验 丫仿 纳 的 rl】T锥Jr} 以技仃 J 的准确忭;建立轴承模型施J;11边 卜.结构 振的IIf能 较小。小殳I. 的小足住于. 怵 构复杂,内部有 多川隙. 以 验的准确性.并 lI_ 要洲量结构运动状急卜的傲怠. ^ 额外没 炙上1. I 量大.因此没仃做祭体结构的f‘!念 。 参考文献 1 J 数必,f口J艾杰,符远堋. 机 人 减速器综述[J J. f1J【眯与液压.2()1 .1:{(1:{):1 6. 2 朱梦,张力 .书远【【I.等.RV减 4,8 ¨ Ⅻ O n 0 6 7 2 动,7.9 6 、80 J学仿真及其 3 0 8 7 q 4 9川H" ¨ : 一 最大接触力的汁 I J 1.【f 外IU r洲 技术.2Ol 7. 36(6):26 3(). …㈣㈨…㈣ ∞㈣㈤ ’冯一i宾.RV减述器卡5l怠分析l I) .rf匕I :北方I‘、 大 学:.2¨1 6. 1 肖村{十.¨U尔.RV减速器 轮的有限兀模态分 析 -】].机械f 帅,20t) )(【)): 1 .  l鳆超.少街 仃 减述器动怠特 分析及非线性振 动研究lI)1.重从:妪从大 :,2Ol:{. 6】刘景亚.二7欠包 少 仃 f 轮他动啮合特悱及 动力学研究【=I)!.最』尺:煎从夫 :, I 2. 7] 陈锋.高速电 轴的卡l!态 j J JlI裁 验研究}I)1.最J夫: 醺庆大学.20O8. 8]:E盛辉.模惫分析 缃 伽 l圳心f HI}-的 沦方 法和文验研究[I)].A==连:久连 I。人 :.2()¨. 余好义.{j .臻j MXI、I An的仃 庀模J 槔序 设计_J J. 外电子洲 投术. () .:{ (I()):9,6 l()(). 0 j 杨邸践.吕瑞宏.刈破. .}乜徽 J 、 姆波 忿能节 衔 分nj特fit!们f了 f.I .仪 f辽 、j::{K,2()1 .:{( (1 1): 16(12 76l0. 1 j 张晖, 明f .r华平. .丛】 验十I!态分解法的桥 梁心变信 _洚l噪力‘法研究ll l1_IIz j 洲 技术,2ol 6. 3|j(10):l 66 1 70. 2j楼汀 . 轮精轴承2^合邝砌,J 、 :答数识别及 动 态性能研究[T)].K沙:-f 南久 ’ :.2oI 1. 叫陈碉旗.赵一呜.陈畅.鹱川删“¨¨1 JJ尺度分解的滚 动轴承敞障诊断 J].电 i{l!lJ ‘j仪器学报.2()l 5, 2【)(11):1 6 77 1 682. I l张铁庇.1 星必J fjJ分析‘ 中勾没汁研究 I)].南 ‘ :I轲 航空航尺 :.!【¨2. 5] SUN T.XlN(;F.Y【)L.-/.I —a rch L)1]dynamic per forma ̄IC(、of sl;tr l㈦【 kerl f lust rtlli3(・ntat{o ̄1,20l 5, 2(1):l 7 26. 作者简介 q外电子测l1}托水 9 

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