【文章內(nèi)容簡介】 程中各原始加工誤差對其廓面誤差的影響，并通過正交試驗法研究了圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對該影響的作用。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(biāo)，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。4. 對超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)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的定義,并使用三坐標(biāo)測量機測量了超環(huán)面內(nèi)齒圈廓面上點的坐標(biāo)誤差，通過數(shù)值處理得到超環(huán)面內(nèi)齒圈的螺旋線誤差，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。第2章 基于加工誤差的超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論雖然前人建立了超環(huán)面行星蝸桿傳動的理想嚙合理論體系，但由于該傳動機構(gòu)在加工和裝配過程中不可避免地存在一些誤差，因此實際的嚙合過程總是存在一定的偏差，這些偏差的存在勢必會對傳動的嚙合性能、齒間載荷分配以及接觸線上載荷分配產(chǎn)生影響。因此，有必要對考慮誤差的超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合理論進行研究。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。 超環(huán)面行星蝸桿傳動簡介，它主要由中心蝸桿、行星蝸輪、超環(huán)面內(nèi)齒圈、滾動體（主要有球形滾動體、圓柱形滾動體、圓錐形滾動體和鼓形滾動體等）以及行星架等組成[2]，如圖21所示。該機構(gòu)工作時（一般做減速器使用），運動由中心蝸桿軸輸入并帶動行星蝸輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)超環(huán)面內(nèi)齒圈不動時，行星蝸輪作環(huán)狀的螺旋運動，并通過與輸出軸固聯(lián)的行星架實現(xiàn)運動輸出[3]。圖21 超環(huán)面行星蝸桿傳動與其他傳動系統(tǒng)相比，超環(huán)面行星蝸桿傳動由于融合了行星傳動和蝸桿傳動的結(jié)構(gòu)特點，因而其在嚙合特性方面也同時具備了行星傳動與蝸桿傳動的雙重優(yōu)點：（1） 承載能力高；類似于行星傳動，超環(huán)面?zhèn)鲃佑卸鄠€行星輪同時分擔(dān)載荷從而實現(xiàn)功率分流，多對行星輪輪齒參與嚙合，從而大幅度的提高了超環(huán)面行星蝸桿傳動的承載能力。（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(dāng)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。（3） 結(jié)構(gòu)緊湊，空間體積小；與其他常用機械傳動機構(gòu)（、擺針傳動、行星傳動）相比，超環(huán)面行星蝸桿傳動由于采取了與內(nèi)齒輪類似的嚙合方式——超環(huán)面內(nèi)齒圈的內(nèi)超環(huán)面作為內(nèi)齒圈齒面進行嚙合，因而其空間機構(gòu)緊湊，相量（傳遞單位功率減速器的質(zhì)量）低，故其在航空、航天等對空間要求比較高的機械設(shè)備中具有一定的應(yīng)用前景。（4） 工作平穩(wěn)、噪聲?。怀h(huán)面行星蝸桿傳動從本質(zhì)上講屬于一種滾動副環(huán)面蝸桿傳動[3]，中心蝸桿齒面為連續(xù)的螺旋齒面，同一時間參與嚙合的齒數(shù)比較多，當(dāng)行星蝸輪和中心蝸桿嚙合時，行星蝸輪輪齒是逐漸進入嚙合并逐漸退出嚙合的，因而該傳動機構(gòu)工作時運行平穩(wěn)且噪聲比較小。此外，由于行星蝸輪與中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈的嚙合是通過滾動體（滾動體可以自由轉(zhuǎn)動）實現(xiàn)的，因此該傳動實現(xiàn)了普通蝸桿從滑動副到滾動副的轉(zhuǎn)變，克服了蝸桿傳動摩擦磨損嚴重潤滑困難的缺點。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(dāng)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。為早日實現(xiàn)超環(huán)面行星蝸桿傳動的應(yīng)用，需要解決的問題很多，譬如說提高其關(guān)鍵零件的加工精度和加工效率、開發(fā)實用的CAD/CAM系統(tǒng)、研究切實可行的檢測技術(shù)、制定合理準確的裝配工藝路線等。 超環(huán)面行星蝸桿傳動關(guān)鍵零件的加工方法介紹超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論方面的研究已經(jīng)較為成熟，但是由于該傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵零件的表面特征相當(dāng)復(fù)雜，加上國外對于超環(huán)面行星蝸桿傳動關(guān)鍵技術(shù)的保密性，且國內(nèi)對該機構(gòu)的研究起步比較晚等因素的影響，導(dǎo)致目前其某些關(guān)鍵技術(shù)的理論與試驗尚需要進行進一步地研究和探討，尤其是在超環(huán)面行星蝸桿傳動關(guān)鍵零部件的加工方法、工藝路線和加工精度方面的研究成效甚微。對中心蝸桿廓面和超環(huán)面內(nèi)齒圈廓面的加工，亞琛工業(yè)大學(xué)（Achen）采用的非切削加工成形方法主要有精密鑄造法、精密模鍛法、粉末冶金法和電化學(xué)成形法，而這四種成型方法只有當(dāng)超環(huán)面內(nèi)齒圈尺寸比較小的時候且行星蝸輪輪齒為滾珠才適用。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。國內(nèi)學(xué)者對這些方面都已做了許多探索，但用這些方法加工出的超環(huán)面行星蝸桿傳動樣機試驗時在高速運轉(zhuǎn)的情況下振動大、噪聲大、效率低，且不能進行批量生產(chǎn)。中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈廓面都屬于空間不可展變距螺旋面，加工比較困難，以前主要使用燒結(jié)、電塑、精鑄和旋風(fēng)銑削等方法，但是這些方法加工精度低，成本比較高，制成的樣機試驗時也無法正常運行。隨著數(shù)控機床技術(shù)的發(fā)展，使得復(fù)雜曲面零件的高精度數(shù)控加工有了實現(xiàn)的可能，使用數(shù)控機床加工超環(huán)面內(nèi)齒圈和中心蝸桿不僅提高了加工精度同時也改善了加工的靈活性，從理論上講，使用數(shù)控機床技術(shù)其廓面的加工有以下幾種方法：（1） 以中心蝸桿為例，把中心蝸桿廓面當(dāng)作自由曲面來處理，使用端面銑刀或球頭銑刀進行點位式加工，可以實現(xiàn)廓面的單側(cè)面非等徑加工，如圖22所示。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。 圖22 點位式加工示意圖（2）在五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心等通用機床上按廓面形成的包絡(luò)原理對廓面進行加工，缺點是機床調(diào)整比較復(fù)雜，加工成本比較高，只能應(yīng)用于單件、小批量加工的場合。（3）采用范成法在改裝過的滾齒機或其他機床改造后的專用機床上來加工，該方法的缺點是受機床原有精度的影響，加工精度和加工效率低，加工能力有限。（4）采用專用數(shù)控機床加工超環(huán)面內(nèi)齒圈和中心蝸桿是提高加工效率和加工精度最有效的手段，必將是未來加工超環(huán)面內(nèi)齒圈和中心蝸桿的主流方法。 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。實際加工完成的零件表面（“實際要素”）與理論零件表面（“理想要素”）在尺寸、位置以及微觀形貌上的差異稱為誤差，而兩者之間的符合程度稱為精度。誤差是絕對的不可避免的，而精度是相對的可以選擇的，因此在工程實踐當(dāng)中規(guī)定了公差，也就是允許出現(xiàn)的誤差。機器零件的誤差是一種消極因素，特別是對于裝配接觸面以及傳動部件嚙合面的誤差更是影響傳動部件傳動準確定、平穩(wěn)性以及傳動壽命的一個重要因素，因此在實際生產(chǎn)中要盡量采取各種有效的加工手段盡可能的抑制和消減誤差。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。對于超環(huán)面內(nèi)齒圈和中心蝸桿來講，就有不同于齒輪、蝸輪蝸桿、軸等零件的誤差規(guī)律，由于超環(huán)面內(nèi)齒圈和中心蝸桿廓面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對其誤差理論的研究基本處于空白，這顯然不利于提高超環(huán)面行星蝸桿傳動關(guān)鍵零件的加工精度。為了使這一問題得到解決，只有在認識加工、裝配過程中所產(chǎn)生各類誤差對傳動性能影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，才能有針對性地抑制和消減誤差，并最終制定出合理可行的公差標(biāo)準。一般來說，機械零部件的誤差來源于加工和裝配。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。因此，從多方面分析，中心蝸桿的加工誤差必須嚴格控制。對于超環(huán)面內(nèi)齒圈來講，由于制造難度大，因此加工誤差不容忽視。加工過程中，刀具誤差、機床誤差、安裝誤差等都將以一定的比例傳遞到超環(huán)面內(nèi)齒圈和中心蝸桿上去，因此把握它們之間的傳遞關(guān)系，有利于有針對性地抑制加工誤差，達到提高加工精度的目的。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。它的加工原理是基于超環(huán)面?zhèn)鲃訖C構(gòu)中行星蝸輪與超環(huán)面內(nèi)齒圈和中心蝸桿的嚙合關(guān)系。實踐表明，超環(huán)面內(nèi)齒圈和中心蝸桿廓面加工精度不僅取決于數(shù)控加工過程中編程時運動規(guī)律曲線的逼近程度，更與其加工工藝息息相關(guān)。中心蝸桿數(shù)控加工原理示意圖如圖23所示，加工時，機床主軸帶動中心蝸桿毛坯以做勻速回轉(zhuǎn)運動，刀具根據(jù)計算的從動件運動規(guī)律實現(xiàn)進給，并在動力刀頭的驅(qū)動下實現(xiàn)切削，精加工時銑刀的半徑和行星蝸輪輪齒的半徑相同，這樣銑刀包絡(luò)出的中心蝸桿廓面即為中心蝸桿的理論工作廓面。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。 圖23 中心蝸桿數(shù)控加工原理示意圖 圖24 超環(huán)面內(nèi)齒圈加工示意圖按照這種加工原理，影響中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈廓面誤差的因素很多，如中心距誤差、刀具回旋軸線誤差、工件軸向竄動誤差、刀具半徑尺寸誤差、切削點半徑誤差、軸交角誤差等等，這些誤差稱之為單項誤差，這些單項誤差能夠幫助分析工件廓面誤差產(chǎn)生的工藝原因并能控制零部件精度，再者這些單項誤差與中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈廓面誤差存在一定的關(guān)系，研究它們之間的關(guān)系可以找出影響廓面誤差的主要原因，以便于在實際加工時有針對性選擇加工設(shè)備和工藝路線，所以說各單項誤差的分析十分重要。下面的章節(jié)將在建立基于誤差的圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論基礎(chǔ)上，根據(jù)含誤差的中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈齒面方程，通過具體計算實例來分析中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈加工時，各誤差因素對廓面誤差影響大小和變化規(guī)律，為超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)的設(shè)計和制造提供理論依據(jù)。 基于誤差的圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論 誤差分析一般來說，機械零部件的誤差來源于加工和裝配，對于以圓柱體作為滾動體的超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)而言，當(dāng)然同樣也存在著加工誤差和裝配誤差，這些誤差均對該傳動的嚙合性能、齒間載荷分配、接觸線上載荷分配、裝配干涉、傳動精度等有影響，所以必須對它們進行研究分析，為解決這些問題打下理論基礎(chǔ)。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。通過對超環(huán)面關(guān)鍵零件的加工工藝過程的深入分析，本文從等徑加工方法入手，主要考慮了以下一些加工誤差因素，如表21所示。表21 加工誤差因素 誤差符號誤差名稱產(chǎn)生原因中心距誤差刀具和工件毛坯裝夾誤差、對刀誤差刀具回旋軸線誤差刀具安裝誤差、編程誤差工件軸向竄動誤差工件毛坯軸向定位誤差刀具半徑誤差刀具磨損切削點位置誤差刀具振動、編程誤差軸交角誤差安裝誤差、機床精度、對刀誤差由于中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈采取等徑加工時刀具和工件的嚙合形式與超環(huán)面行星蝸桿傳動運行時的嚙合形式類似，只是超環(huán)面行星蝸桿傳動運行時參與嚙合的是行星蝸輪而不是刀具，決定行星蝸輪與中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈位置關(guān)系的是箱體以及軸系零件而不是機床夾具，故本章建立的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從某種程度上來說包含了零件的幾何誤差和整個傳動機構(gòu)的裝配誤差，因此具有實際的理論價值。 基于誤差的坐標(biāo)系建立基于上節(jié)所考慮的各單項誤差，建立如圖25所示基于誤差的坐標(biāo)系，由于行星蝸輪與中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈之間的嚙合坐標(biāo)系一致，因此將它們綜合表示在圖25中。如圖25所示，為不考慮加工誤差時中心蝸桿的靜坐標(biāo)系（即參考坐標(biāo)系），為考慮加工誤差時中心蝸桿的動坐標(biāo)系；為不考慮加工誤差時行星蝸輪的靜坐標(biāo)系，為考慮加工誤差時行星蝸輪的動坐標(biāo)系；為不考慮加工誤差時超環(huán)面內(nèi)齒圈的靜坐標(biāo)系，為考慮加工誤差時超環(huán)面內(nèi)齒圈的動坐標(biāo)系。標(biāo)系分別與中心蝸桿、行星蝸輪和超環(huán)面內(nèi)齒圈固定連接并隨著它們繞軸分別以的角速度旋轉(zhuǎn)，分別為中心蝸桿齒面、行星蝸輪齒面和超環(huán)面內(nèi)齒圈齒面相對于靜坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角。如圖26所示為不考慮加工誤差時行星蝸輪輪齒的靜坐標(biāo)系，為考慮加工誤差時行星蝸輪輪齒的動坐標(biāo)系，與行星蝸輪輪齒固定連接，與圖24一致同如上所述。圖25 基于加工誤差的行星蝸輪與中心蝸桿（超環(huán)面內(nèi)齒圈）嚙合坐標(biāo)圖26 基于加工誤差的行星蝸輪輪齒坐標(biāo)系在圖25和圖26中，表示行星蝸輪與中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈之間的中心距，為行星蝸輪的計算圓半徑。 坐標(biāo)變換 根據(jù)上節(jié)建立的基于加工誤差的空間坐標(biāo)系，可以求得各個坐標(biāo)系之間的變換矩陣。 行星蝸輪輪齒與行星蝸輪1. 到的坐標(biāo)變換矩陣 (21)2. 到的坐標(biāo)變換矩陣 (22)3. 到的坐標(biāo)變換矩陣 (23) 行星蝸輪與中心蝸桿嚙合1. 到的坐標(biāo)變換矩陣 (24) (25) (26) (27) 行星蝸輪與超環(huán)面內(nèi)齒圈嚙合1. 到的坐標(biāo)變換矩陣 (28) (29) (210)(211) 嚙合方程 行星蝸輪齒面方程行星蝸輪齒面是中心蝸桿齒面和超環(huán)面內(nèi)齒圈齒面的包絡(luò)母面，如圖26所