【正文】 中以明確方式標明。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。本文從超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)關(guān)鍵零件的加工工藝入手，對其精度理論、精度檢測和評定進行了深入的研究，主要完成了以下工作。 采用三坐標測量機對超環(huán)面內(nèi)齒圈廓面進行了測量，并通過數(shù)據(jù)處理得到了超環(huán)面內(nèi)齒圈的螺旋線誤差，此外，對超環(huán)面行星蝸桿傳動關(guān)鍵零件—中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈的誤差測量項目進行了定義，為超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)關(guān)鍵零件的檢測驗收提供了參考。 test目 錄摘 要 IAbstract II第1章 緒 論 1 引言 1 超環(huán)面行星蝸桿傳動研究現(xiàn)狀 1 機械傳動精度研究現(xiàn)狀 3 本文主要研究內(nèi)容 5第2章 基于加工誤差的超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論 6 超環(huán)面行星蝸桿傳動簡介 6 超環(huán)面行星蝸桿傳動關(guān)鍵零件的加工方法介紹 7 中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈廓面誤差分析 8 基于誤差的圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論 10 誤差分析 10 基于誤差的坐標系建立 10 坐標變換 12 嚙合方程 14 本章小結(jié) 24第3章 超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)關(guān)鍵零件的廓面誤差分析 25 超環(huán)面內(nèi)齒圈加工誤差對其廓面誤差的影響分析 25 刀具切削點位置誤差對廓面誤差的影響 26 刀具半徑誤差對廓面誤差的影響 27 中心距誤差對廓面誤差的影響 27 刀具回旋軸線誤差對廓面誤差的影響 28 軸交角誤差對廓面誤差的影響 29 工件軸向竄動誤差對廓面誤差的影響 30 超環(huán)面內(nèi)齒圈廓面誤差各影響系數(shù)的因素分析 31 正交試驗法 31 各廓面誤差影響系數(shù)因素研究 31 32 刀具半徑廓面誤差影響系數(shù)分析 36 中心距廓面誤差影響系數(shù)分析 37 刀具回旋軸線誤差對廓面誤差的影響系數(shù)分析 38 軸交角誤差對廓面誤差的影響系數(shù)分析 39 本章小結(jié) 40第4章 誤差對超環(huán)面行星蝸桿傳動精度影響分析 41 超環(huán)面行星蝸桿傳動三維建模及裝配 41 44 導(dǎo)入模型 45 添加約束 45 仿真分析與結(jié)果后處理 46 各誤差因素對行星架角位移偏差的影響分析 49 本章小結(jié) 51第5章 超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)關(guān)鍵零件的幾何精度測量 52 三坐標測量儀的簡介 52 基于三維CAD模型的超環(huán)面內(nèi)齒圈的CMM測量 54 超環(huán)面內(nèi)齒圈的三維建模 54 測針的選配組合 55 三坐標測量儀回零以及數(shù)控系統(tǒng)清零 56 測頭校準 57 測量坐標系的建立 57 測量程序和測量 59 誤差評定 60 廓面誤差 61 螺旋線偏差 61 軸向截面廓線偏差 62 本章小結(jié) 62總結(jié)與展望 63參考文獻 64致 謝 67攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及研究成果 68物理量名稱及符號表中心距傳動比行星輪與中心蝸桿的傳動比行星輪與超環(huán)面內(nèi)齒圈的傳動比行星輪半徑圓柱滾子半徑圓柱滾子高中心蝸桿轉(zhuǎn)角行星輪轉(zhuǎn)角超環(huán)面內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)角中心蝸桿角速度行星輪角速度超環(huán)面內(nèi)齒圈角速度相對速度中心距誤差工件軸向竄動誤差刀具回旋軸線誤差中心蝸桿齒面工件軸向竄動誤差行星蝸輪齒面刀具半徑誤差超環(huán)面內(nèi)齒圈齒面切削點位置誤差接觸點處的誘導(dǎo)法曲率刀具切削點X向廓面誤差影響系數(shù)刀具切削點Y向廓面誤差影響系數(shù)刀具切削點Z向廓面誤差影響系數(shù)刀具半徑誤差X向廓面誤差影響系數(shù)刀具半徑誤差Y向廓面誤差影響系數(shù)刀具半徑誤差Z向廓面誤差影響系數(shù)中心距誤差X向廓面誤差影響系數(shù)中心距誤差Y向廓面誤差影響系數(shù)中心距誤差Z向廓面誤差影響系數(shù)刀具回旋軸線誤差X向廓面誤差影響系數(shù)刀具回旋軸線誤差Y向廓面誤差影響系數(shù)刀具回旋軸線誤差Z向廓面誤差影響系數(shù)軸交角誤差X向廓面誤差影響系數(shù)軸交角誤差Y向廓面誤差影響系數(shù)軸交角誤差Z向精度影響系數(shù)工件軸向竄動誤差X向精度影響系數(shù)工件軸向竄動誤差Y向精度影響系數(shù)工件軸向竄動誤差Z向精度影響系數(shù)V第1章 緒 論 引言機械傳動裝置是機器的重要組成部分，主要用來傳遞原動機的運動和動力變換其運動形式以滿足工作裝置的需要。 雖然目前超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)還沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是國內(nèi)外學(xué)者都曾制造樣機進行試驗，遺憾的是由于沒有考慮誤差對傳動性能的影響以及加工精度等問題，導(dǎo)致樣機試驗時，在高速運轉(zhuǎn)的情況下時間一長就會出現(xiàn)噪聲和振動較大、嚙合齒面磨損、傳動效率達不到預(yù)期值等問題。國外方面，德國最先開始這方面的研究，緊隨其后，美國、日本的研究人員也開始了這方面的研究。[78]對超環(huán)面行星蝸桿傳動的行星蝸輪輪齒的運動阻力問題進行了研究并進行了優(yōu)化設(shè)計。福州大學(xué)姚立綱、魏國武等在建立了基于轉(zhuǎn)化機構(gòu)的球形齒超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合坐標系，并在此基礎(chǔ)上建立了球形齒超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合理論體系[3]，此外還探討了不同形狀滾子對超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合特性的影響[10]。在超環(huán)面行星蝸桿傳動摩擦理論的研究方面，許立忠[17]分別從摩擦、磨損與潤滑三個方面系統(tǒng)全面地給出了超環(huán)面行星蝸桿傳動效率隨行星輪轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律和計算公式、齒面磨損量分布規(guī)律以及彈性油膜厚度分布規(guī)律和計算公式。在超環(huán)面行星蝸桿傳動零件的加工制造方面，國內(nèi)外學(xué)者參考其他復(fù)雜曲面零件的加工方法，試驗了各種加工方法實現(xiàn)關(guān)鍵零件超環(huán)面內(nèi)齒圈和中心蝸桿加工的可能性并初步取得了一定的成果。超環(huán)面內(nèi)齒圈的加工方法主要分為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鑄造法、粉末冶金法、精密模鍛法和電化學(xué)成型法[31]；這四種成型方法只有當超環(huán)面內(nèi)齒圈尺寸比較小的時候且行星蝸輪輪輪齒為滾珠才適用。針對傳統(tǒng)超環(huán)面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)的摩擦損耗過大問題[38]，許立忠教授提出了一種新型超環(huán)面?zhèn)鲃印獧C電集成超環(huán)面?zhèn)鲃?，機電集成超環(huán)面?zhèn)鲃邮且猿h(huán)面行星蝸桿傳動為基礎(chǔ), 集機械傳動、電氣控制、電磁傳動于一體的新型傳動機構(gòu),該機構(gòu)克服了傳統(tǒng)機械機構(gòu)只是簡單的傳遞力或力矩的缺點,將動力機構(gòu)和機械變速機構(gòu)融為一體,能夠更方便有效地控制機構(gòu)的輸入和輸出[39]。超環(huán)面行星蝸桿傳動被認為是已知機械傳動的最佳形式之一，特別適于航空和航天等尖端技術(shù)領(lǐng)域以及坦克和潛艇等重要軍事領(lǐng)域。對于精度的控制問題主要是研究制造過程各工藝因素與機構(gòu)零部件幾何精度的之間的關(guān)系，根據(jù)幾何偏差尋找產(chǎn)生誤差的原因，并通過調(diào)整工藝參數(shù)或者機床補償?shù)确椒ㄌ岣呒庸ぞ葟亩_到精度控制的作用。對于傳動部件的精度檢測一方面是為了檢測傳動構(gòu)件的精度是否滿足傳動需要，另一方面的目的是為了尋找產(chǎn)生誤差的原因。第三個方面的要求是傳動動力時其承載的均勻性。第一個階段是幾何學(xué)精度研究階段，主要將齒輪當作幾何構(gòu)件，對其中的參與嚙合的各幾何要素定義其幾何精度，采用生產(chǎn)實際中總結(jié)出的參數(shù)來合理的限制齒輪各個單獨的幾何參數(shù)的范圍，從而確立最早的齒輪精度評價體系。這一階段人們開始利用嚙合原理等理論手段來研究齒輪的幾何誤差對于傳遞運動精度的影響。第四個階段由于社會的發(fā)展在許多方面對機械的要求越來越高，如工作在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)或者復(fù)雜的環(huán)境狀態(tài)，工作載荷復(fù)雜等各種復(fù)雜的工作環(huán)境，特別是對于高速重載條件下對傳動部件的要求越來越高，為了適應(yīng)這些狀況下對傳動部件的要求，對于嚙合傳動部件進行動態(tài)嚙合精度研究很有必要 。而超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)作為一種對于傳動精度要求很高的傳動部件，研究其加工誤差以及單項誤差對于傳動精度的影響對于促進高精度超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)的應(yīng)用推廣有重要意義。3. 以行星架角位移偏差作為衡量超環(huán)面行星蝸桿傳動精度的指標，通過正交試驗法，利用含誤差的超環(huán)面行星蝸桿傳動模型進行ADAMS運動仿真從而實現(xiàn)正交試驗方案，得出不同誤差因素水平下的行星架角位移，分析了各誤差因素對行星架角位移偏差的影響規(guī)律。本章從超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)關(guān)鍵零件的加工方法入手，得到了影響該傳動嚙合性能的主要加工誤差因素，并建立了基于加工誤差的圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論體系。（2） 傳動比范圍廣且能實現(xiàn)較大傳動比，傳動效率高；該種傳動為滾動蝸桿副嚙合而蝸輪采用行星輪結(jié)構(gòu)，因此類似于蝸桿傳動，當中心蝸桿旋轉(zhuǎn)一周時，行星蝸輪只旋轉(zhuǎn)一個齒，因而能夠?qū)崿F(xiàn)大傳動比。雖然超環(huán)面行星蝸桿傳動具有其他傳動系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)越性，但由于其結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵零件的表面特征相當復(fù)雜，難于實現(xiàn)加工和裝配，所以目前暫時無法實現(xiàn)產(chǎn)品化。對于中心蝸桿廓面及內(nèi)齒圈廓面加工的切削成形法主要有數(shù)控中心加工法、普通機床改裝加工法和專用機床加工法等。這種方法的缺點是中心蝸桿與刀具間己經(jīng)失去了原來中心蝸桿與滾子間的包絡(luò)關(guān)系，控制過程復(fù)雜，由于銑刀與中心蝸桿廓面是點接觸，加工效率低，刀具磨損嚴重，表面質(zhì)量差，同時數(shù)據(jù)處理量大，因而不可避免地造成加工誤差大。 中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈廓面誤差分析和其它任何零件一樣，超環(huán)面?zhèn)鲃雨P(guān)鍵零件超環(huán)面內(nèi)齒圈和中心蝸桿在加工過程中，由于機床夾具刀具系統(tǒng)存在幾何誤差，以及加工過程中出現(xiàn)受力變形、熱變形、振動和磨損等的影響，不可避免地存在加工誤差。對于不同的零件，其誤差產(chǎn)生的原因以及造成的不良影響及其消除和抑制的方法和規(guī)律都不盡相同。在超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)裝配時，為便于裝配，中心蝸桿的溝槽寬度一定要比滾子直徑稍大些，也就是說必定有間隙存在，有了間隙也就有了沖擊的可能，在高速、高精度的超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)中，間隙應(yīng)該是越小越好。目前國內(nèi)用于超環(huán)面內(nèi)齒圈和中心蝸桿的加工方法并不成熟，但在數(shù)控加工技術(shù)已漸普及的情況下，采用數(shù)控機床加工中心加工超環(huán)面內(nèi)齒圈和中心蝸桿等復(fù)雜曲面的零件必將會成為普遍采用的加工方法。超環(huán)面內(nèi)齒圈加工示意圖如圖24所示，其加工原理與中心蝸桿相同，在此就不再贅述。為了便于分析，本文僅考慮加工誤差對超環(huán)面行星蝸桿傳動的影響，嘗試建立基于加工誤差的圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合理論。如圖25所示，為不考慮加工誤差時中心蝸桿的靜坐標系（即參考坐標系），為考慮加工誤差時中心蝸桿的動坐標系；為不考慮加工誤差時行星蝸輪的靜坐標系，為考慮加工誤差時行星蝸輪的動坐標系；為不考慮加工誤差時超環(huán)面內(nèi)齒圈的靜坐標系，為考慮加工誤差時超環(huán)面內(nèi)齒圈的動坐標系。 坐標變換 根據(jù)上節(jié)建立的基于加工誤差的空間坐標系，可以求得各個坐標系之間的變換矩陣。1. 中心蝸桿的軸截面方程設(shè)坐標系與軸截平面固定連接，建立坐標系如圖27所示。得到一界函數(shù)表達式后即可得到一界曲線的方程為：(250)式（250）中同式（213）一致，與式（240）一致。由此可得二界曲線的方程為： （261)上式中即為行星蝸輪與中心蝸桿的嚙合函數(shù)對求偏導(dǎo)數(shù)，令即為行星蝸輪與中心蝸桿嚙合時的二界函數(shù)，如下式所示： (262)故根據(jù)式（258）便可得行星蝸輪與中心蝸桿嚙合的二界曲線為：（263）b．行星蝸輪與內(nèi)超環(huán)面齒輪嚙合時的二界函數(shù)及二界曲線根據(jù)齒輪嚙合原理，類似于行星蝸輪與超環(huán)面內(nèi)齒圈嚙合時的二界函數(shù)與二界曲線的求解過程，同樣的可以求出行星蝸輪與內(nèi)超環(huán)面齒輪嚙合時的二界函數(shù)為： (264)行星蝸輪與超環(huán)面內(nèi)齒圈嚙合時的二界曲線為：（265） 誘導(dǎo)法曲率求解兩共軛曲面在某一嚙合點處沿任意切線方向兩曲面的法曲率之差稱為該方向的誘導(dǎo)法曲率[66]。根據(jù)齒輪嚙合理論，行星蝸輪與中心蝸桿嚙合時兩共軛齒面的誘導(dǎo)法曲方程和行星蝸輪與超環(huán)面內(nèi)齒圈嚙合時時兩共軛齒面的誘導(dǎo)法曲方程分別如下式（266）和（267）所示。第3章 超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)關(guān)鍵零件的廓面誤差分析第2章完成了超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)關(guān)鍵零件在等徑加工過程中由于工件安裝誤差和刀具誤差等因素影響下的齒面方程，本章主要研究各種加工誤差對超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)關(guān)鍵零件廓面坐標誤差的影響，這對分析廓面誤差的來源有重要作用，同時也為超環(huán)面關(guān)鍵零件的廓面誤差測量結(jié)果分析提供了理論依據(jù)。根據(jù)第2章建立的含加工誤差的超環(huán)面內(nèi)齒圈齒面方程（233）以及誤差的獨立性原則可求得上述各影響系數(shù)的表達式，為了研究分析方便不考慮各誤差要素相互之間的耦合影響，分析其中一種誤差時假設(shè)其他誤差不存在。根據(jù)式(233)和（23）有(未列出項為零)： (39)由式（32）及（33）有： (310)將式（39）代入式（310）得： (311) 中心距誤差對廓面誤差的影響在實際加工過程中，由于刀具的安裝誤差和數(shù)控機床本身的精度限制及對刀誤差等原因造成刀具回旋中心與超環(huán)面內(nèi)齒圈軸線之間的距離誤差即中心距誤差。根據(jù)齒面方程(233)和(32)有： (321)由式（32）及（33）有： (322)將式（318）代入式（319）得： (323)根據(jù)工件軸向竄動誤差對超環(huán)面內(nèi)齒圈廓面誤差影響系數(shù)可知，工件軸向竄動誤差對超環(huán)面內(nèi)齒圈廓面,方向誤差沒有影響，在軸方向誤差的影響量與工件軸向竄動量相等。正因為正交試驗是用部分試驗來代表了全面試驗，所以它不可能像全面試驗?zāi)菢訉Ω饕蛩匦?yīng)、交互作用一一分析，當交互作用存在時，有可能出現(xiàn)交互作用的耦合[45]。為了盡可能地減少試驗次數(shù)，根據(jù)超環(huán)面行星蝸桿傳動設(shè)計的常用結(jié)構(gòu)參數(shù)制成如表31所示的四因素四水平正交表進行方案設(shè)計，為確定各因素對各廓面誤差影響系數(shù)的影