基于非圆齿轮转动的插齿机主运动机构的设计及研究

论文摘要

传统的插齿机主运动机构,通常采用对心的曲柄滑块机构实现往复的插齿运动。当曲柄为恒定转速驱动时,滑块的运动为非匀速的对称往复运动。这样的往复插齿运动形式,一方面由于不具有急回的特性,回程时间与插齿工作行程时间相同,不利于提高加工效率；另一方面,由于插齿行程中速度变化较大,在插齿过程中切削速度不一致,产生较大的切削冲击,影响齿面的一致性和齿面精度。当前插齿机正朝着高速的方向发展,当插齿速度提高时,急回特性和插齿行程匀速性显得更为主要。因此,获得插齿往复行程的急回特性,使插齿行程切削速度尽可能恒定,是高速插齿机的研发的重要内容。本文根据插齿机工作原理,分析了插齿主运动特点。讨论了实现急回特性的机构可选方案,对各种方案分别进行了结构特点分析比较。确定了以非圆齿轮传动机构为插齿机主运动急回机构的设计方案。本设计以非圆齿轮传动机构的相关尺寸参数作为变量,插齿行程的切削速度的平稳性和急回特性为目标进行优化设计。定义非圆齿轮性能约束、急回约束和边界约束,建立优化数学模型,确定优化方法,使用MATLAB软件进行优化计算,得到优化结果。将优化结果中得到的尺寸参数在Solidworks中完成实体建模,并将模型导入ADAMS软件中进行运动学分析。结果表明,经过优化设计后的机构运动状况与不采用非圆齿轮的机构相比,插齿行程速度特性和急回特性有了明显的改善。进行了非圆齿轮的结构设计。由优化设计中得到的传动比函数和两齿轮的中心距,得出了节曲线方程,对节曲线的凸性、传动压力角和根切状况进行校核计算,结果表明符合非圆齿轮的设计要求。对非圆齿轮高速运转时动平衡的状况进行了分析计算,设计了非圆齿轮的轮体结构,在结构上采取措施,尽可能减小由于非圆齿轮偏心产生的离心惯性力。对非圆齿轮的轮齿加工进行了初步研究,简要介绍了相关数控加工方法。进行了驱动箱传动机构的结构设计。完成了驱动箱数字样机的建模,并进行了仿真分析,验证了机构的运动特性。针对机构的受力和振动状况,对相关零件结构进行了有限元分析。通过惯性力对插齿机主运动机构的强度影响分析,求得传动机构所能承受的最大运转速度。通过改进设计,使最大转速满足高速插齿的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源和研究目的及意义
• 1.2 国内外相关技术研究与应用状况
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 2 插齿机主运动机构分析及方案设计
• 2.1 机床概况
• 2.2 主运动机构设计方案的选择
• 3 非圆齿轮传动主运动机构的优化设计
• 3.1 主运动机构的运动分析
• 3.2 主运动机构的优化计算
• 3.3 几何建模及运动仿真
• 4 非圆齿轮的设计、仿真以及加工分析
• 4.1 非圆齿轮的设计
• 4.2 非圆齿轮传动的三维建模与仿真
• 4.3 非圆齿轮静平衡的调整与研究
• 4.4 非圆齿轮的数控加工分析简介
• 5 主要结构的设计与仿真
• 5.1 设计方案
• 5.2 驱动箱内各装置的结构设计
• 5.3 传动箱体的模态分析
• 5.4 高速运转下曲柄轴的分析
• 5.5 插齿机主运动机构的高速化研究
• 6 全文总结与研究展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 非圆齿轮零件图