超环面行星蜗杆传动精度理论及精度检_测研究毕业论文(编辑修改稿)

超环面行星蜗杆传动精度理论及精度检_测研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

系数 1zk 刀具切削点 Z 向廓面误差影响系数 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 2zk 刀具半径误差 Z 向廓面误差影响系数 3xk 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 3zk 中心距误差 Z 向廓面误差影响系数 4xk 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 4zk 刀具回旋轴线误差 Z 向廓面误差影响系数 5xk 轴交角误差 X 向廓面误差影响系数 5yk 轴交角误差 Y 向廓面误差影响系数 5zk 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 6yk 工件轴向窜动误差 Y 向精度影响系数 6zk 工件轴向窜动误差 Z 向精度影响系数 湘潭大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 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 求 ，机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 杆 传 动由于结合了 行星传动 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。 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[46]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 全面的湘潭大学硕士学位论文 2 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。 [78]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。 Toote[9]对圆柱 齿 超环面行星蜗杆传动的偏载问题进行了 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 [1316]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 [1824]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 [2628]教授率先对这种传动零件的 加 工 制 造 进行了研究，并利用改装的滚齿机于 1996 年前后制成国内首台滚珠齿超环面行星蜗杆传动试验样机 ； 但由于加工精度不高，导致样机试验 时 摩擦严重，无法正常运转，因此最终未能实现样机试验。 许立忠 教授对该种传动零件的加工方法与加工工艺进行了深入的研究，而且在 1999 年制成了国内首台滚锥齿超环面行星蜗杆传动样机，并进行了样机试验 [29]。 湘潭大学的谭援强，姜胜强等 [30]参考范成法在五轴联动数控加工湘潭大学硕士学位论文 3 中心加工出了超环面行星蜗杆传动的关键零件，并制成了样机。 超环面内齿圈的加工方法主要分为非切削加工成形方法和切削加工成形方法，其中非切削加工成形方法主要有精密铸造法、粉末冶金法、精密模锻法和电化学成型法 [31]； 这四种成型方法只有当超环面内齿圈尺寸比较小 的 时候且行星蜗轮轮轮齿为滚珠才适用。 切削成形法主要有数控 中心加工法、专用机床加工法和普通机床改装加工法等 [3234]。 对于中心蜗杆的加工方法，张春丽等在分析中心蜗杆齿面形成的几何原理并进行有关数据的简化计算的基础上，最终在数控铣床上加工出了中心蜗杆 [35]；姚立纲等参考齿轮范成法利用改装了的 Y3280滚齿机完成了中心蜗杆的加工 [36]；蔡英杰等基于行星蜗轮与中心蜗杆啮合的原理，使用镜面球头铣刀模拟行星轮轮齿与中心蜗杆的啮合过程，提出了中心蜗杆的数控加工方法，并完成了中心蜗杆的实际加工 [37]。 机电集成超环面传动的研究。 针对传统超环面传动系统的摩擦损耗过大问题 [38]，许立忠教授提出了一种新型超环面传动 — 机电集成超环面传动，机电集成超环面传动是以超环面行星蜗杆传动为基础 , 集机械传动、电气控制、电磁传动于一体的新型传动机构 ,该机构克服了传统机械机构只是简单的传递力或力矩的缺点 ,将动力机构和机械变速机构融为一体 ,能够更方便有效地控制机构的输入和输出 [39]。 机电 集成超环面 的提出为 传统 超环面传动的发展提供了一种新的契机和可能，必将成为超环面传动研究新的热点。 在啮合误差理论和几何精度检测方面，魏国武 [3]等建立了基于误差的球形齿超环面行星蜗杆传动啮合理论体系，并分析 了误差对中心蜗轮和超环面内齿圈在行星蜗轮齿面上的接触线、行星蜗轮与中心蜗轮和超环面内齿圈啮合时齿面诱导法曲率以及中心蜗杆和超环面内齿圈计算圆上的螺旋升角的影响。 但是该啮合误差理论还很不全面，首先没有分析产生各误差的具体原因，其次也没有对加工误差与超环面关键零件几何误差之间的关系进行探讨，此外也没有提出超环面关键零件的几何精度评定与检测方法。 超环面行星蜗杆传动被认为是已知机械传动的最佳形式之一，特别适于航空和航天等尖端技术领域以及坦克和潜艇等重要军事领域。 这些场合都对传动精度要求非常苛刻，而我国对超环面行星 蜗杆传动精度这方面的研究相当匮乏，故有必要大力开展对误差控制和精度评定方面的研究。 机械传动精度研究现状 对于 机械传动部件 精度的研究一般都致力于解决两个问题：第一个是对于机构的精度评价问题；第二个是对于精度的控制问题。 对于精度的评价问题一般是从设计要求出发建立几何形状与设计要求之间的关系，根据其关系建立合理的精度指标并设计测量精度指标的仪器 确定精度测量的方法。 对于精度的控制问题主要是研究制造过程 各工艺因素 与机构 零部件 几何精度的之间的关系，根据几何偏差寻找产生误差的原因，并通过调整工艺参数或者机床补偿 等方法提高加工精度从而达到精度控制的作用。 对于机械传动部件的精度研究是一个永恒的课题，自从应用最普遍的传动部件齿轮湘潭大学硕士学位论文 4 出现后，人们就开始了对其精度的研究。 因为对于一个机械构件而言其关键部位的精度是其存在和实现功能的生命线。 为了使设计的产品达到预定的功能设计人员必须合理的规范其设计公差来控制零部件的精度，而加工人员则应想方设法采用各种工艺方法使加工出来的零件满足设计要求。 对于传动部件的精度检测一方面是为了检测传动构件的精度是否满足传动需要，另一方面的目的是为了 寻找 产生误差的原因。 作为传动部件其主要功能是实现运动 和动力的传递，对于一般传动部件一般有 四 个方面的要求，第一是运动平稳性，传递运动的平稳性很大程度上决定了传动部件产生的振动等级，同时传递运动的平稳性能使传动部件在工作使减少冲击力，延长传动部件的寿命，同时也使与之配合工作的轴系类零件处于比较优越的工作环境，对减少产品故障具有重要作用。 第二个方面的要求是运动的准确性，运动的准确性是指实际加工出来的传动机构在工作时其被动件实际的位置与理论位置的差别。 对于单纯传递动力的传动部件而言对运动的精度要求不是很高，但是对于协调工作的传动部件，例如凸轮构件，连杆传动等其运动精 度对其功能的实现尤其重要。 第 三 个方面的要求是传动动力时其承载的均匀性。 对于动力传递构件，特别是大功率传动其承载的均匀性对于其传动性能以及寿命有重要的影响 [40]。 另一个要求是防止传动部件之间在传动过程中产生干涉而影响传动性能。 为了使设计出的传动部件满足以上 四 个要求从而实现其预期的功能，国内外大量专家学者都开展了大量的关于精度体系的研究，以最常见的传动构件齿轮 为例 ，对于齿轮的精度研究主要经历了三个阶段 发展到了第四个阶段。 第一个阶段 是 几何学精度 研究 阶段，主要将齿轮当作几何构件， 对其中的参与啮合的各几何要素定义 其几何精度， 采用生产实际中总结出的参数来合理的限制齿轮各个单独的几何参数的范围，从而确立最早的齿轮精度评价体系。 这种方式有利于对其进行加工工艺分析，提高产品加工质量，但是其中忽略了传动构件的其他许多特征，例如 加 载变形等。 其采用的测量方法主要是对 齿轮 各几何参数采用专用仪器进行测量，在这个阶段主要把齿轮当作一个几何构件而不考虑其传动功能 ， 所以这个阶段对于齿轮精度的研究是粗浅的。 第二个阶段是运动学精度 研究 阶段，把齿轮当作是一种能够传递运动的几何体，不仅把齿轮的几何规范保留下来同时把齿轮当作一种传递运动的几何体， 故而提出了各种综合运动精度表征量，如切向综合运动精度等。 这一阶段人们开始利用啮合原理等理论手段来研究齿轮的几何误差对于传递运动精度的影响。 这个阶段人们制订了比较完备的齿轮精度体系和各种测量齿轮等传动部件精度的方法，为传动工业以及机械工业的发展提供了条件。 第三个阶段是动力学精度评价阶段，在该阶段不仅把啮合传动部件当成传递运动的构件而且将其作为传递动力的部件考虑其传动动力的平稳性和载荷的平均性。 例如在齿轮精度评价体系里加入了各种关于啮合动力传动方面的因素，啮合斑点等。 第 四 个阶段由于社会的发展在许多方面对机械 的要求越来越高，如工作在复杂应力湘潭大学硕士学位论文 5 状态或者复杂的环境状态，工作载荷复杂等各种复杂的工作环境， 特别是对于高速重载条件下对传动部件的要求越来越高， 为了适应这些状况下对传动部件的要求，对于啮合传动部件进行动态啮合精度研究 很有必要。 同时 随着人们对于传动 机构 经验的积累以及各种新的科学技术的发展，特。