超環(huán)面行星蝸桿傳動精度理論及精度檢測研究畢業(yè)論文

1、學校代號 10530 學 號 201007011467 分 類 號 th132 密 級 碩 士 學 位 論 文超環(huán)面行星蝸桿傳動精度理論及精度檢測研究學 位 申 請 人 劉詩奇指 導 教 師 楊世平 副教授學 院 名 稱 機械工程學院 學 科 專 業(yè) 機械工程 研 究 方 向 數(shù)字化設計與制造二一三年六月十三日the research on transimission precision theory and accuracy test of torodial drivecandidate liu shiqi supervisor associate prof. yang shiping co

2、llege school of mechanical engineering program mechanical engineering specialization digital design and manufacture degree master of engineering university xiangtan university date june 13, 2013 湘潭大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重

3、要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名：日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權湘潭大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名：日期： 年 月 日湘潭大學碩士學位論文摘 要超環(huán)面行星蝸桿傳動機構由于具有傳動效率高、傳動比大、結構緊湊、承載能力高等優(yōu)點，成為了近年

4、來國內外專家學者研究和探索的熱點。但是由于其關鍵零件中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈的廓面形狀復雜，對其精度理論與精度檢測的研究不足，這顯然不利于產品的應用推廣。為了解決這一問題，只有在對加工、裝配過程中產生的誤差，以及這些誤差對傳動性能的影響取得規(guī)律性認識的基礎上，才能有針對性地抑制誤差，達到提高產品精度的目的。本文從超環(huán)面行星蝸桿傳動機構關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。本文在分析超環(huán)面行星蝸桿傳動機構關鍵零件的加工工藝的基礎上，歸納出了中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈的廓面加工誤差因素，并建立了基于各加工誤差因素的超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論，得到了含加

5、工誤差的超環(huán)面內齒圈齒面方程。根據(jù)含加工誤差的超環(huán)面內齒圈齒面方程，采用微分法研究了各加工誤差因素對超環(huán)面內齒圈廓面誤差的影響，為根據(jù)超環(huán)面內齒圈的廓面誤差分析加工工藝原因提供了理論指導。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，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，通過正交試驗進行研究，分析了各誤差因素對行星架角位移偏差的影響規(guī)律，從而為有針對性地控制誤差因素提高傳動精度提供理論指導。 采用三坐標測量機對超環(huán)面內齒圈廓面進行了測量，并通過數(shù)據(jù)處理得到了超環(huán)面內齒圈的螺旋線誤差，此外，對超環(huán)面行星蝸桿傳動關鍵零件中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈的誤差測量項目進行了定義，

6、為超環(huán)面行星蝸桿傳動機構關鍵零件的檢測驗收提供了參考。關鍵詞：超環(huán)面行星蝸桿傳動；廓面誤差；傳動精度；測量abstractwith high transmission efficiency, transmission ratio, compact structure and high carrying capacity, toroidal drive has become a research focus by scholars both at home and abroad in recent years. however, because its key parts center worm

7、 and the stationary internal toroidal gear profile surface structure is complex, its error theory is quite inadequate, which is obviously not conducive to improve the accuracy of the product. to solve this problem, only on this basis that we have an understanding about the laws of those errors gener

8、ated in the manufacturing and assembly process, and influence they have on the transmission performance, can we target to inhibit those errors, to achieve the purpose of improving product accuracy. therefore, it is necessary to establish the toroidal planet worm drive error-based meshing theory to p

9、rovide a theoretical basis for the analysis of how various error factors effect meshing performance, as well as the relationship between the processing error and the center worm and the stationary internal toroidal gear profile error. specific works to be finished by this paper are as follows: on th

10、e basis of thorough analysis about the processing methods and procedures of the key parts of toroidal drive, this paper summarizes the processing error component of the center worm and stationary internal toroidal gear profile surface and establishes the theoretical basis of the toroidal planet worm

11、 gearing, which laid a theoretical foundation for the analysis of the influence law that various error factors have on meshing performance, as well as the relationship between the processing error and the center worm and the stationary internal toroidal gear profile error. according to the stationar

12、y internal toroidal gear surface equation containing processing errors, to use differential to study the impact that various processing error factors have on stationary internal toroidal gear profile error provides a theoretical guidance for processing reasons which based on the toroidal ring gear p

13、rofile error analysis.the relationship between error factors of toroidal drive and its transimission precision is analysed. this paper uses cmm to measure the profile surface of the stationary internal toroidal gear and gains the stationary internal toroidal gear helix error by data processing. in a

14、ddition, this paper also defines the error measure program about the key parts of the toroidal drive the center worm and the stationary internal toroidal gear. thus it provides an idea of the check and acceptance inspection for the key parts of toroidal drive. key words: toroidal drive; profile erro

15、r; transimission precision; test目 錄摘 要iabstractii第1章 緒 論11.1 引言11.2 超環(huán)面行星蝸桿傳動研究現(xiàn)狀11.3 機械傳動精度研究現(xiàn)狀31.4 本文主要研究內容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62.1 超環(huán)面行星蝸桿傳動簡介62.2 超環(huán)面行星蝸桿傳動關鍵零件的加工方法介紹72.3 中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈廓面誤差分析82.4 基于誤差的圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論102.4.1 誤差分析102.4.2 基于誤差的坐標系建立102.4.3 坐標變換122.4.4 嚙合方程142.5 本章小結24第3章 超環(huán)面行星蝸桿

16、傳動機構關鍵零件的廓面誤差分析253.1 超環(huán)面內齒圈加工誤差對其廓面誤差的影響分析253.1.1 刀具切削點位置誤差對廓面誤差的影響263.1.2 刀具半徑誤差對廓面誤差的影響273.1.3 中心距誤差對廓面誤差的影響273.1.4 刀具回旋軸線誤差對廓面誤差的影響283.1.5 軸交角誤差對廓面誤差的影響293.1.6 工件軸向竄動誤差對廓面誤差的影響303.2 超環(huán)面內齒圈廓面誤差各影響系數(shù)的因素分析313.2.1 正交試驗法313.2.2 各廓面誤差影響系數(shù)因素研究313.2.3刀具切削點廓面誤差影響系數(shù)分析323.2.4 刀具半徑廓面誤差影響系數(shù)分析363.2.5 中心距廓面誤差影響

17、系數(shù)分析373.2.6 刀具回旋軸線誤差對廓面誤差的影響系數(shù)分析383.2.7 軸交角誤差對廓面誤差的影響系數(shù)分析393.3 本章小結40第4章 誤差對超環(huán)面行星蝸桿傳動精度影響分析414.1 超環(huán)面行星蝸桿傳動三維建模及裝配414.2包含誤差的超環(huán)面行星蝸桿傳動運動仿真444.2.1 導入模型454.4.2 添加約束454.2.3 仿真分析與結果后處理464.2.4 各誤差因素對行星架角位移偏差的影響分析494.3 本章小結51第5章 超環(huán)面行星蝸桿傳動機構關鍵零件的幾何精度測量525.1 三坐標測量儀的簡介525.2 基于三維cad模型的超環(huán)面內齒圈的cmm測量545.2.1 超環(huán)面內齒圈

18、的三維建模545.2.2 測針的選配組合555.2.3 三坐標測量儀回零以及數(shù)控系統(tǒng)清零565.2.4 測頭校準575.2.5 測量坐標系的建立575.2.6 測量程序和測量595.3 誤差評定605.3.1 廓面誤差615.3.2 螺旋線偏差615.3.3 軸向截面廓線偏差625.4 本章小結62總結與展望63參考文獻64致 謝67攻讀碩士學位期間發(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角行星輪轉角超環(huán)面內齒圈轉角中心蝸桿角速度行星輪角速度超環(huán)面內齒圈角速度相對速度中心距誤差工件軸向竄

19、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)面內齒圈齒面切削點位置誤差接觸點處的誘導法曲率刀具切削點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

20、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1.1 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。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，機器設備在高速、高效、重載、智能、輕質和精密等方面的要求越來越高，為了滿足機器設備發(fā)展的要，機械傳動裝置就必須向著高效率、大功率、大傳動比、大扭矩、小體積和低成本的方向發(fā)展。為此，國內外研究人員研發(fā)出了各種新型傳動機構，比如說超環(huán)面行星蝸桿傳動、弧面凸輪機構、環(huán)面蝸桿傳動等1。其中超環(huán)面行星蝸動由于結合了行星傳動和蝸桿傳動的結構，因此具備了高傳動效率，大承

21、載能力，大傳動比，小空間體積和傳動平穩(wěn)等優(yōu)點，具有非常廣闊的應用前景。 雖然目前超環(huán)面行星蝸桿傳動機構還沒有實現(xiàn)產業(yè)化，但是國內外學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，導致樣機試驗時，在高速運轉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、傳動效率達不到預期值等問題。因此急需要建立基于誤差的超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論，用以研究各誤差因素對超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合性能的影響規(guī)律，從而在超環(huán)面行星蝸桿傳動機構零件實際加工時選擇合適的加工工藝路線和工藝設備提高加工精度。同時，為了使超環(huán)面行星蝸桿傳動滿足高速和高精度應用場合的要求，其關鍵零件中心蝸

22、桿和超環(huán)面內齒圈的幾何精度必須得到有效控制，因此，提出有效的幾何精度評定和檢測方法就成了一個亟需解決的問題。1.2 超環(huán)面行星蝸桿傳動研究現(xiàn)狀由于超環(huán)面行星蝸桿傳動（toroidal drive）具備承載能力高、空間體積小、傳動比大、傳動平穩(wěn)、傳動效率高等優(yōu)良的傳動特性3；自20世紀中期一經問世后，便吸引了國內外學者的廣泛關注。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。自20世紀80年代中期伊始，我國的研究人員也陸續(xù)開始了對超環(huán)面行星蝸桿傳動的研究。目前對于其嚙合理論方面的研究已經趨向成熟，但在承載能力、關鍵零件的加工方法和加工工藝以及傳動效率方面

23、的研究還處于探索階段，還很不成熟，在其誤差分析和檢測方面的研究更是基本處于空白階段。由于各國對其技術研究的保密性等原因，具有參考價值的研究成果一般很少公開發(fā)表，目前所知的國外學者的研究主要有：20世紀80年代，前西德亞琛工業(yè)大學的h.peeken4-6教授領導的課題組對超環(huán)面行星蝸桿傳動的設計和制造進行了相對全面的研究，包括其結構優(yōu)化設計、嚙合強度、加工工藝、裝配關系和承載能力等，并推導出了其載荷計算公式，制造出了超環(huán)面行星蝸桿傳動減速器的樣機。s.cierniak7-8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)化設計。toote9對圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動的偏載問題

24、進行了相關探索，并提出了相應的改進措施。由于預見到了超環(huán)面行星蝸桿傳動這一新型傳動機構開發(fā)應用的潛力與前景，國內學者根據(jù)國外十分有限的研究資料陸續(xù)對該傳動的嚙合理論、承載能力、加工方法和加工工藝、載荷分布、傳動效率以及樣機試驗等方面進行了大量深入系統(tǒng)的研究并取得一系列極具理論價值的重要成果。在嚙合理論研究方面，主要完成了嚙合方程、齒面方程、接觸線方程、螺旋線方程和壓力角方程的推導，并在數(shù)值計算的基礎上從理論方面分析了各嚙合參數(shù)對超環(huán)面行星蝸桿傳動特性的影響。福州大學姚立綱、魏國武等在建立了基于轉化機構的球形齒超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合坐標系，并在此基礎上建立了球形齒超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合理論體

25、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。燕山大學的許立忠等11分別推導出了球齒、圓柱齒和圓錐齒中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈螺旋面的齒廓曲面方程、行星蝸輪與超環(huán)面內齒圈及中心蝸桿嚙合的接觸線方程，給出了界限曲線方程、誘導法曲率計算公式、接觸線切線與相對速度夾角的計算公式，分析了接觸線形狀和嚙合區(qū)位置，并引入傳動參數(shù)，得出了傳動參數(shù)對嚙合特性的影響規(guī)律。湘潭大學的譚援強、王亮等12推導出了圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動壓力角的計算公式。在承載能力方面，許立忠13-16推導出了超環(huán)面行星蝸桿傳動接觸應力的計算公式，給出了三種不同齒形的載荷分布計算公式，分析了傳動參數(shù)對載荷分布的影響

26、規(guī)律，并給出了三種不同齒形超環(huán)面行星蝸桿傳動載荷分布的統(tǒng)一計算公式。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。姚立綱18-24等人對超環(huán)面行星蝸桿傳動理論進行了深入的研究。楊傳民25提出了螺環(huán)傳動效率的簡易分析方法，并得出螺環(huán)傳動副的效率是變效率，適當選擇結構參數(shù)及采用滾動行星輪輪齒(特別是選用圓柱體輪齒),可以使螺環(huán)傳動副的效率大大提高的結論。湘潭大學的譚援強、王亮等1建立了圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動接觸理論，給出了圓柱齒超環(huán)面行星

27、蝸桿傳動接觸應力的計算公式。在超環(huán)面行星蝸桿傳動零件的加工制造方面，國內外學者參考其他復雜曲面零件的加工方法，試驗了各種加工方法實現(xiàn)關鍵零件超環(huán)面內齒圈和中心蝸桿加工的可能性并初步取得了一定的成果。在國內，武漢理工大學的陳定方26-28教授率先對這種傳動零件的進行了研究，并利用改裝的滾齒機于1996年前后制成國內首臺滾珠齒超環(huán)面行星蝸桿傳動試驗樣機；但由于加工精度不高，導致樣機試驗時摩擦嚴重，無法正常運轉，因此最終未能實現(xiàn)樣機試驗。許立忠教授對該種傳動零件的加工方法與加工工藝進行了深入的研究，而且在1999年制成了國內首臺滾錐齒超環(huán)面行星蝸桿傳動樣機，并進行了樣機試驗29。湘潭大學的譚援強，姜

28、勝強等30參考范成法在五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心加工出了超環(huán)面行星蝸桿傳動的關鍵零件，并制成了樣機。超環(huán)面內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成型法31；這四種成型方法只有當超環(huán)面內齒圈尺寸比較小的時候且行星蝸輪輪輪齒為滾珠才適用。切削成形法主要有數(shù)控中心加工法、專用機床加工法和普通機床改裝加工法等32-34。對于中心蝸桿的加工方法，張春麗等在分析中心蝸桿齒面形成的幾何原理并進行有關數(shù)據(jù)的簡化計算的基礎上，最終在數(shù)控銑床上加工出了中心蝸桿35；姚立綱等參考齒輪范成法利用改裝了的y3280滾齒機完成了中心蝸

29、桿的加工36；蔡英杰等基于行星蝸輪與中心蝸桿嚙合的原理，使用鏡面球頭銑刀模擬行星輪輪齒與中心蝸桿的嚙合過程，提出了中心蝸桿的數(shù)控加工方法，并完成了中心蝸桿的實際加工37。機電集成超環(huán)面?zhèn)鲃拥难芯?。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)鲃訖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, 集機械傳動、電氣控制、電磁傳動于一體的新型傳動機構,該機構克服了傳統(tǒng)機械機構只是簡單的傳遞力或力矩的缺點,將動力機構和機械變速機構融為一體,能夠更方便有效地控制機構的輸入和輸出39。機電集成超環(huán)面的提出為傳統(tǒng)超環(huán)面?zhèn)鲃拥陌l(fā)展提供了一種新的契機和可能，必將

30、成為超環(huán)面?zhèn)鲃友芯啃碌臒狳c。在嚙合誤差理論和幾何精度檢測方面，魏國武3等建立了基于誤差的球形齒超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論體系，并分析了誤差對中心蝸輪和超環(huán)面內齒圈在行星蝸輪齒面上的接觸線、行星蝸輪與中心蝸輪和超環(huán)面內齒圈嚙合時齒面誘導法曲率以及中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈計算圓上的螺旋升角的影響。但是該嚙合誤差理論還很不全面，首先沒有分析產生各誤差的具體原因，其次也沒有對加工誤差與超環(huán)面關鍵零件幾何誤差之間的關系進行探討，此外也沒有提出超環(huán)面關鍵零件的幾何精度評定與檢測方法。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領域以及坦克和潛艇等重要軍事領域。這些場合都

31、對傳動精度要求非?？量蹋覈鴮Τh(huán)面行星蝸桿傳動精度這方面的研究相當匱乏，故有必要大力開展對誤差控制和精度評定方面的研究。1.3 機械傳動精度研究現(xiàn)狀對于機械傳動部件精度的研究一般都致力于解決兩個問題：第一個是對于機構的精度評價問題；第二個是對于精度的控制問題。對于精度的評價問題一般是從設計要求出發(fā)建立幾何形狀與設計要求之間的關系，根據(jù)其關系建立合理的精度指標并設計測量精度指標的儀器確定精度測量的方法。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零部件幾何精度的之間的關系，根據(jù)幾何偏差尋找產生誤差的原因，并通過調整工藝參數(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。對于機械

32、傳動部件的精度研究是一個永恒的課題，自從應用最普遍的傳動部件齒輪出現(xiàn)后，人們就開始了對其精度的研究。因為對于一個機械構件而言其關鍵部位的精度是其存在和實現(xiàn)功能的生命線。為了使設計的產品達到預定的功能設計人員必須合理的規(guī)范其設計公差來控制零部件的精度，而加工人員則應想方設法采用各種工藝方法使加工出來的零件滿足設計要求。對于傳動部件的精度檢測一方面是為了檢測傳動構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生誤差的原因。作為傳動部件其主要功能是實現(xiàn)運動和動力的傳遞，對于一般傳動部件一般有四個方面的要求，第一是運動平穩(wěn)性，傳遞運動的平穩(wěn)性很大程度上決定了傳動部件產生的振動等級，同時傳遞運動的

33、平穩(wěn)性能使傳動部件在工作使減少沖擊力，延長傳動部件的壽命，同時也使與之配合工作的軸系類零件處于比較優(yōu)越的工作環(huán)境，對減少產品故障具有重要作用。第二個方面的要求是運動的準確性，運動的準確性是指實際加工出來的傳動機構在工作時其被動件實際的位置與理論位置的差別。對于單純傳遞動力的傳動部件而言對運動的精度要求不是很高，但是對于協(xié)調工作的傳動部件，例如凸輪構件，連桿傳動等其運動精度對其功能的實現(xiàn)尤其重要。第三個方面的要求是傳動動力時其承載的均勻性。對于動力傳遞構件，特別是大功率傳動其承載的均勻性對于其傳動性能以及壽命有重要的影響40。另一個要求是防止傳動部件之間在傳動過程中產生干涉而影響傳動性能。為了使

34、設計出的傳動部件滿足以上四個要求從而實現(xiàn)其預期的功能，國內外大量專家學者都開展了大量的關于精度體系的研究，以最常見的傳動構件齒輪為例，對于齒輪的精度研究主要經歷了三個階段發(fā)展到了第四個階段。第一個階段是幾何學精度研究階段，主要將齒輪當作幾何構件，對其中的參與嚙合的各幾何要素定義其幾何精度，采用生產實際中總結出的參數(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。這種方式有利于對其進行加工工藝分析，提高產品加工質量，但是其中忽略了傳動構件的其他許多特征，例如加載變形等。其采用的測量方法主要是對齒輪各幾何參數(shù)采用專用儀器進行測量，在這個階段主要把齒輪當作一個幾何構件而不考

35、慮其傳動功能，所以這個階段對于齒輪精度的研究是粗淺的。第二個階段是運動學精度研究階段，把齒輪當作是一種能夠傳遞運動的幾何體，不僅把齒輪的幾何規(guī)范保留下來同時把齒輪當作一種傳遞運動的幾何體，故而提出了各種綜合運動精度表征量，如切向綜合運動精度等。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。這個階段人們制訂了比較完備的齒輪精度體系和各種測量齒輪等傳動部件精度的方法，為傳動工業(yè)以及機械工業(yè)的發(fā)展提供了條件。第三個階段是動力學精度評價階段，在該階段不僅把嚙合傳動部件當成傳遞運動的構件而且將其作為傳遞動力的部件考慮其傳動動力的平穩(wěn)性和載荷的平均性。例如在齒輪精度評價

36、體系里加入了各種關于嚙合動力傳動方面的因素，嚙合斑點等。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，如工作在復雜應力狀態(tài)或者復雜的環(huán)境狀態(tài)，工作載荷復雜等各種復雜的工作環(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 。同時隨著人們對于傳動機構經驗的積累以及各種新的科學技術的發(fā)展，特別是計算機技術的發(fā)展，科學模擬計算能力的增強，人們開始把齒輪當作一種傳遞運動和動力的幾何部件甚至開始考慮在運動過程中的熱變形等環(huán)境因素。各種計算機模擬技術以及實驗技術為傳動部件的研究提供了基礎，傳動部件動態(tài)運動精度的

37、研究被提上了議程。超環(huán)面行星蝸桿傳動機構相對齒輪來講還是很不成熟的產品，雖然人們對于其設計和研究已經積累了不少經驗，但是對于其傳動精度的研究還很少。而超環(huán)面行星蝸桿傳動機構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的應用推廣有重要意義。1.4 本文主要研究內容通過對超環(huán)面行星蝸桿傳動國內外研究現(xiàn)狀的回顧與分析，不難發(fā)現(xiàn)國內外專家學者對超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合誤差理論與精度檢測方面的研究還十分不足，本文力圖在已有的研究基礎上為解決這些問題作出一點貢獻。本文具體研究內容如下：1. 對超環(huán)面行星蝸桿傳動機構關鍵零件超環(huán)面內

38、齒圈和中心蝸桿常用的加工方法進行了深入系統(tǒng)的分析和研究，并以此為基礎，分析了超環(huán)面內齒圈和中心蝸桿的各原始加工誤差，建立了基于常見加工誤差的圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論。2. 采用全微分法研究了超環(huán)面內齒圈在實際加工過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各結構參數(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，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

39、動機構關鍵零件中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈的誤差測量項目進行了的定義,并使用三坐標測量機測量了超環(huán)面內齒圈廓面上點的坐標誤差，通過數(shù)值處理得到超環(huán)面內齒圈的螺旋線誤差，為超環(huán)面行星蝸桿傳動機構關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關鍵零件的加工方法

40、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。2.1 超環(huán)面行星蝸桿傳動簡介超環(huán)面行星蝸桿傳動是由美國coulter公司的m.r.kuehnle于1966年首先提出的發(fā)明專利，它主要由中心蝸桿、行星蝸輪、超環(huán)面內齒圈、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2-1所示。該機構工作時（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，當超環(huán)面內齒圈不動時，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2-1 超環(huán)面行星蝸桿傳動與其他傳動系統(tǒng)相比，超

41、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構特點，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構，因此類似于蝸桿傳動，當中心蝸桿旋轉一周時，行星蝸輪只旋轉一個齒，因而能夠實現(xiàn)大傳動比。（3） 結構緊湊，空間體積??；與其他常用機械傳動機構（、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齒輪類似的嚙合方式超環(huán)面

42、內齒圈的內超環(huán)面作為內齒圈齒面進行嚙合，因而其空間機構緊湊，相量（傳遞單位功率減速器的質量）低，故其在航空、航天等對空間要求比較高的機械設備中具有一定的應用前景。（4） 工作平穩(wěn)、噪聲??；超環(huán)面行星蝸桿傳動從本質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)面內齒圈的嚙合是通過滾動體（滾動體可以自由轉動）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變，克服了蝸桿傳動摩擦磨損嚴重潤滑困難的缺點。

43、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，但由于其結構和關鍵零件的表面特征相當復雜，難于實現(xiàn)加工和裝配，所以目前暫時無法實現(xiàn)產品化。為早日實現(xiàn)超環(huán)面行星蝸桿傳動的應用，需要解決的問題很多，譬如說提高其關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、制定合理準確的裝配工藝路線等。2.2 超環(huán)面行星蝸桿傳動關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較為成熟，但是由于該傳動機構的結構和關鍵零件的表面特征相當復雜，加上國外對于超環(huán)面行星蝸桿傳動關鍵技術的保密性，且國內對該機構的研究起步比較晚等因素的影響，導致目前其某些關鍵技術的理論

44、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)面內齒圈廓面的加工，亞琛工業(yè)大學（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成形法，而這四種成型方法只有當超環(huán)面內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。國內學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的情況下振動大、噪聲大、效率低，且不能進行批量生產。中心

45、蝸桿和超環(huán)面內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、電塑、精鑄和旋風銑削等方法，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)控機床技術的發(fā)展，使得復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)廓面的單側面非等徑加工，如圖2-2所示。這種方法的缺點是中心蝸桿與刀具間己經失去了原來中心蝸桿與滾子間的包絡

46、關系，控制過程復雜，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2-2 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原理對廓面進行加工，缺點是機床調整比較復雜，加工成本比較高，只能應用于單件、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)面內齒圈和中心蝸桿的主流方法。2.3 中

47、心蝸桿和超環(huán)面內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鍵零件超環(huán)面內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

48、，因此在實際生產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)面內齒圈和中心蝸桿廓面結構的復雜性，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、裝配過程中所產生各類誤差對傳動性能影響規(guī)律的基礎上，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裝配時，為便

49、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中，間隙應該是越小越好。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)面內齒圈和中心蝸桿上去，因此把握它們之間的傳遞關系，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。目前國內用于超環(huán)面內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)面內齒圈和中心蝸桿等復雜曲面的零件

50、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構中行星蝸輪與超環(huán)面內齒圈和中心蝸桿的嚙合關系。實踐表明，超環(huán)面內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。中心蝸桿數(shù)控加工原理示意圖如圖2-3所示，加工時，機床主軸帶動中心蝸桿毛坯以做勻速回轉運動，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)面內齒圈加工示意圖如圖2-4所示，其加工原理與中心蝸桿相同，在此就不再贅述。 圖2-3 中心蝸桿數(shù)控加工原

51、理示意圖 圖2-4 超環(huán)面內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)面內齒圈廓面誤差存在一定的關系，研究它們之間的關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上，根據(jù)含誤差的中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈齒

52、面方程，通過具體計算實例來分析中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈加工時，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的設計和制造提供理論依據(jù)。2.4 基于誤差的圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論2.4.1 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而言，當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。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

53、傳動的嚙合理論。通過對超環(huán)面關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2-1所示。表2-1 加工誤差因素誤差符號誤差名稱產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)面內齒圈位置關系的是箱體

54、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的裝配誤差，因此具有實際的理論價值。2.4.2 基于誤差的坐標系建立基于上節(jié)所考慮的各單項誤差，建立如圖2-5所示基于誤差的坐標系，由于行星蝸輪與中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈之間的嚙合坐標系一致，因此將它們綜合表示在圖2-5中。如圖2-5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)面內齒圈的靜坐標系，為考慮加工誤差時超環(huán)面內齒圈的動坐標系。標系分別