CN108509690B - 一种提取谐波齿轮负载变形函数拟合用数据的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提取谐波齿轮负载变形函数拟合用数据的分析方法，属于机械设计与制造领域。该方法基于虚拟仿真技术，在三维软件中建立包含波发生器、柔性轴承、柔轮、刚轮的谐波减速器装配体模型。将装配体导入到ANSYS Workbench中，完成材料属性、单位量纲、接触定义、网格划分、约束、负载等方面的前处理设置。而后进行求解，并从求解结果中提取出位移量。将位移量导入到MATLAB中，利用曲线拟合工具箱进行傅里叶拟合，从而得到负载变形函数；提取出的数据可用于拟合负载变形函数，有利于修正刚轮齿形。

Description

一种提取谐波齿轮负载变形函数拟合用数据的分析方法

技术领域

一种提取谐波齿轮负载变形函数拟合用数据的分析方法，属于机械设计与制造领域。

背景技术

谐波减速器是机器人关节处的核心零部件，它的传动效率、寿命等性能指标的优劣，直接影响着机器人整体的工作性能。

由于在负载条件下，谐波减速器的子部件柔轮所受的载荷并不是轴对称的，柔轮齿间啮合力的分布也随负载大小的变化而变化，从而影响柔轮中性层变形曲线的变化，使其产生畸变。这些情况都对谐波减速器整体的传动效率与精度有一定影响。

因此，在设计过程中，需要考虑到负载的影响，给出区别于空载变形函数的柔轮负载变形函数。从而正确进行谐波齿轮传动的运动学分析，找到精确的运动规律，从而求解出符合实际要求的齿轮共轭齿廓形状。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种方法，得到有负载情况下谐波减速器柔轮的变形情况，提取出径向位移UX、切向位移UY并根据二者计算出角位移

通过数据拟合，得到其负载变形函数。

为实现以上目标，本发明采用如下的技术方案来实现：

一种提取谐波齿轮负载变形函数拟合用数据的分析方法，根据齿轮负载情况，建立谐波齿轮的三维装配体预处理模型，三维装配体预处理模型包括：波发生器、柔性轴承、柔轮和刚轮。

建立ANSYS静力学分析项目，并在工程数据中添加材料属性，将装配体文件导入到ANSYS静力学分析项目中，在“DesignModeler”环境中调整装配体文件的单位量纲，并通过“Generate”功能生成模型。然后在“Mechanical”环境中进行如下设置：

(1)设置全局直角坐标系以及柱坐标系。全局直角坐标系原点位于柔轮法兰的圆心处，全局直角坐标系的Z轴与柔轮和柔性轴承的转动中心轴重合；柱坐标系原点位于柔轮齿后截面的圆心处，柱坐标系的Z轴与柔轮和柔性轴承的转动中心轴重合。

(2)对波发生器与柔性轴承内圈进行接触设置，求解方法为“增广拉格朗日法”，类型为“无摩擦”；对柔性轴承内圈与柔性轴承滚珠进行接触设置，求解方法为“多点约束法”，类型为“固定”；对柔性轴承滚珠与柔性轴承外圈进行接触设置，求解方法为“罚函数法”，类型为“无摩擦”；对柔性轴承外圈与柔轮进行接触设置，求解方法为“增广拉格朗日法”，类型为“无摩擦”；对柔轮齿的齿面与刚轮齿的齿面进行接触设置，类型为“无摩擦”；

(3)对波发生器进行连接中的约束设置，连接类型为“体对地”，类型为“固定”；对柔轮进行连接中的约束设置，连接类型为“体对地”，类型为“转动副”；对刚轮进行连接中的约束设置，连接类型为“体对地”，类型为“固定”；

(4)对整个三维装配体预处理模型进行网格自由划分；

(5)对柔轮内壁进行环境中的约束设置，类型为“Remote Displacement”，约束其沿Z轴即柔轮和柔性轴承的转动中心轴的位移与转动；对柔性轴承内壁进行环境中的约束设置，类型为“Remote Displacement”，约束柔性轴承内壁绕X轴、Y轴以及Z轴即柔轮和柔性轴承的转动中心轴转动；对柔性轴承端面进行环境中的约束设置，类型为“Displacement”，约束柔性轴承端面沿Z轴即柔轮和柔性轴承的转动中心轴进行位移；

(6)在“Mechanical”环境中，对柔轮杯底进行环境中的负载设置，约束类型为“Joint”，力的类型为“Moment”，自由度为绕Z轴即柔轮和柔性轴承的转动中心轴。

完成设置后，对已完成预处理的模型进行求解，求解类型为“总变形量”。为了在求解结果中提取柔轮变形数据，在未变形的柔轮内壁上设置两条路径，“path1”和“path2”，两条路径各占柔轮内壁上完整圆弧的一半，两条路径的首末相连。在“Model”模块里面添加“Construction Geometry”模块，选择“Path”来提取，路径类型为“two point”，坐标系为柱坐标系，设置路径首末位置。

在“Solution”中插入“User Defined Result”，“Scoping Method”选择“Path”，在“Path”中选择上述设置的路径，在“Geometry”中选择模型中的柔轮，在“Expression”中命名为“UX”及“UY”，并设置单位为“位移”。完成求解后，即可得到径向位移和切向位移的数据。角位移通过公式

以及前面提取的数据求得，式中

表R示₀角位移，R₀表示柔轮未变形前半径，UY表示切向位移，ROTZ表示角位移分量。

最后，将提取出的径向位移、切向位移以及计算得到的角位移数据导入到MATLAB中，利用工具箱中的“曲线拟合工具箱”对数据进行傅里叶拟合，从而得到负载变形函数。

本发明可以获得如下有益效果：

1、区别于空载时的变形，该方法可求解得到负载条件下谐波减速器中的柔轮变形数据，并可提取出柔轮的径向位移、切向位移，并计算出角位移；

2、提取出的数据可用于拟合负载变形函数，有利于修正刚轮齿形；

3、该方法中的模型较为完整，考虑到了柔性轴承的变形对分析的影响。

附图说明

图1是本发明的流程图

图2是本发明的ANSYS分析结果示意图

图3是本发明的MATLAB函数拟合示意图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

根据实际工况，建立谐波齿轮的三维装配体模型，三维装配体模型包括以下几个子零件：波发生器，柔性轴承，柔轮，刚轮。

建立静力学分析项目，并在工程数据中添加材料属性，将装配体文件导入到项目中，在“DesignModeler”环境中调整文件的单位量纲，并通过“Generate”功能生成模型。然后在“Mechanical”环境中进行如下设置：

(1)设置全局直角坐标系以及柱坐标系。全局坐标系原点位于柔轮法兰的圆心处，全局直角坐标系Z轴与柔轮和柔性轴承的转动中心轴重合；柱坐标系原点位于柔轮齿后截面的圆心处，柱坐标系Z轴与柔轮和柔性轴承的转动中心轴重合。

(2)对波发生器与柔性轴承内圈进行接触设置，求解方法为“增广拉格朗日法”，类型为“无摩擦”；对柔性轴承内圈与柔性轴承滚珠进行接触设置，求解方法为“多点约束法”，类型为“固定”；对柔性轴承滚珠与柔性轴承外圈进行接触设置，求解方法为“罚函数法”，类型为“无摩擦”；对柔性轴承外圈与柔轮进行接触设置，求解方法为“增广拉格朗日法”，类型为“无摩擦”；对柔轮齿的齿面与刚轮齿的齿面进行接触设置，类型为“无摩擦”；

(3)对波发生器进行连接中的约束设置，连接类型为“体对地”，类型为“固定”；对柔轮进行连接中的约束设置，连接类型为“体对地”，类型为“转动副”；对刚轮进行连接中的约束设置，连接类型为“体对地”，类型为“固定”；

(4)对整个装配体进行网格自由划分；

(5)对柔轮内壁进行环境中的约束设置，类型为“Remote Displacement”，约束其沿Z轴(柔轮和柔性轴承的转动中心轴)的位移与转动；对柔性轴承内壁进行环境中的约束设置，类型为“Remote Displacement”，约束其绕X轴、Y轴以及Z轴(柔轮和柔性轴承的转动中心轴)的转动；对柔性轴承端面进行环境中的约束设置，类型为“Displacement”，约束其沿Z轴(柔轮和柔性轴承的转动中心轴)的位移；

(6)在“Mechanical”环境中，对柔轮杯底进行环境中的负载设置，约束类型为“Joint”，力的类型为“Moment”，自由度为绕Z轴(柔轮和柔性轴承的转动中心轴)。

完成设置后，对已完成预处理的模型进行求解，求解类型为“总变形量”。为了在求解结果中提取柔轮变形数据，在未变形的柔轮内壁上设置两条路径，“path1”和“path2”，两条路径各占柔轮内壁上完整圆弧的一半，首末相连。首先，在“Model”模块里面添加“Construction Geometry”模块，选择“Path”来提取，路径类型为“two point”，坐标系为柱坐标系，设置路径首末位置。

在“Solution”中插入“User Defined Result”，“Scoping Method”选择“Path”，在“Path”中选择上述设置的路径，在“Geometry”中选择模型中的柔轮，在“Expression”中命名为“UX”及“UY”，并设置单位为“位移”。完成求解后，即可得到径向位移和切向位移的数据。角位移通过公式

以及前面提取的数据求得。

Claims (1)

1.一种提取谐波齿轮负载变形函数拟合用数据的分析方法，其特征在于：根据齿轮负载情况，建立谐波齿轮的三维装配体预处理模型，三维装配体预处理模型包括：波发生器、柔性轴承、柔轮和刚轮；

建立ANSYS静力学分析项目，并在工程数据中添加材料属性，将装配体文件导入到ANSYS静力学分析项目中，在“DesignModeler”环境中调整装配体文件的单位量纲，并通过“Generate”功能生成模型；然后在“Mechanical”环境中进行如下设置：

(1)设置全局直角坐标系以及柱坐标系；全局直角坐标系原点位于柔轮法兰的圆心处，全局直角坐标系的Z轴与柔轮和柔性轴承的转动中心轴重合；柱坐标系原点位于柔轮齿后截面的圆心处，柱坐标系的Z轴与柔轮和柔性轴承的转动中心轴重合；

(2)对波发生器与柔性轴承内圈进行接触设置，求解方法为“增广拉格朗日法”，类型为“无摩擦”；对柔性轴承内圈与柔性轴承滚珠进行接触设置，求解方法为“多点约束法”，类型为“固定”；对柔性轴承滚珠与柔性轴承外圈进行接触设置，求解方法为“罚函数法”，类型为“无摩擦”；对柔性轴承外圈与柔轮进行接触设置，求解方法为“增广拉格朗日法”，类型为“无摩擦”；对柔轮齿的齿面与刚轮齿的齿面进行接触设置，类型为“无摩擦”；

(3)对波发生器进行连接中的约束设置，连接类型为“体对地”，类型为“固定”；对柔轮进行连接中的约束设置，连接类型为“体对地”，类型为“转动副”；对刚轮进行连接中的约束设置，连接类型为“体对地”，类型为“固定”；

(4)对整个三维装配体预处理模型进行网格自由划分；

(5)对柔轮内壁进行环境中的约束设置，类型为“Remote Displacement”，约束其沿Z轴即柔轮和柔性轴承的转动中心轴的位移与转动；对柔性轴承内壁进行环境中的约束设置，类型为“Remote Displacement”，约束柔性轴承内壁绕X轴、Y轴以及Z轴即柔轮和柔性轴承的转动中心轴转动；对柔性轴承端面进行环境中的约束设置，类型为“Displacement”，约束柔性轴承端面沿Z轴即柔轮和柔性轴承的转动中心轴进行位移；

(6)在“Mechanical”环境中，对柔轮杯底进行环境中的负载设置，约束类型为“Joint”，力的类型为“Moment”，自由度为绕Z轴即柔轮和柔性轴承的转动中心轴；

完成设置后，对已完成预处理的模型进行求解，求解类型为“总变形量”；为了在求解结果中提取柔轮变形数据，在未变形的柔轮内壁上设置两条路径，“path1”和“path2”，两条路径各占柔轮内壁上完整圆弧的一半，两条路径的首末相连；在“Model”模块里面添加“Construction Geometry”模块，选择“Path”来提取，路径类型为“two point”，坐标系为柱坐标系，设置路径首末位置；

在“Solution”中插入“User Defined Result”，“Scoping Method”选择“Path”，在“Path”中选择上述设置的路径，在“Geometry”中选择模型中的柔轮，在“Expression”中命名为“UX”及“UY”，并设置单位为“位移”；完成求解后，即可得到径向位移和切向位移的数据；角位移通过公式

以及提取的数据求得；式中，

为转角位移，R₀为柔轮未变性前半径，UY为切向位移，ROTZ为角位移向量；

将提取出的径向位移、切向位移以及计算得到的角位移数据导入到MATLAB中，利用工具箱中的“曲线拟合工具箱”对数据进行傅里叶拟合，从而得到负载变形函数图形。

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