基于刚柔耦合的RV减速器关键零件疲劳寿命分析与优化设计

作     者：李彦章 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于立娟

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：工业机器人 RV减速器 疲劳寿命 刚柔耦合分析 优化设计 

摘      要：工业机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠,是实现工业智能化的核心设备,也是未来智能制造领域发展的基石。近几年,我国工业机器人及其核心部件得到了长足的发展,但跟国际先进水平相比,国产工业机器人尤其关节减速器在运行过程中失效率偏高、先进功能和性能难以维持,可靠性问题突出。而提升减速器的疲劳寿命和可靠性关键在于提升其核心零部件的疲劳寿命和可靠性,因此,针对国产RV减速器关键零件开展疲劳寿命和性能分析研究,具有重要的理论意义和实际应用价值。本文依托吉林大学数控装备可靠性教育部重点实验室,对国产RV减速器开展参数化建模、动力学仿真、基于刚柔耦合的疲劳寿命分析以及摆线轮多目标优化设计。本文主要的研究内容如下:(1)以国产RV-20E型RV减速器为研究对象,分析了RV减速器的基本原理和典型失效模式,根据渐开线行星齿轮和摆线轮齿廓曲线的形成原理,利用Solid Works软件绘制了标准的渐开线曲线方程和摆线轮齿廓曲线,建立了RV减速器的参数化三维零件模型和装配模型。对RV减速器进行模态分析,对比分析关键零部件的模态分析值与理论计算的零件啮合频率和转动频率,验证了整机模型的有效性和准确性。(2)开展了RV减速器的动力学仿真。在RecurDyn中建立了RV减速器在最大输入转速工作状态下的动力学模型,通过动力学仿真分析得到各关键传动部件的转速和整机传动比,验证了模型的准确性。并由仿真得到了接触力等数据,分析了传动机构间啮合力的变化规律。(3)提出了基于刚柔耦合的RV减速器关键传动零件疲劳寿命分析方法。采用FFlex方法对摆线针轮和行星齿轮机构进行柔性化处理,建立了RV减速器整机的刚柔耦合模型,并开展了基于Recur Dyn的RV减速器整机刚柔耦合分析,根据实际工况得出传动机构的危险部位和最大应力云图;利用Durability模块,对RV减速器零件的疲劳耐久性进行分析评估,得出摆线针轮和渐开线齿轮的疲劳寿命云图。(4)提出了基于改进鲸鱼优化算法的摆线轮齿廓多目标优化设计。根据常用摆线轮修形方法的特点,分析了摆线轮齿廓修形方法及修形方程的优缺点,开展了以“等距+移距修形为变量,以摆线轮齿面最大接触力及与转角修形的逼近程度同时最小为优化目标,建立了基于改进鲸鱼优化算法的摆线轮齿廓多目标优化模型,得到了摆线轮齿廓修形参数,并对摆线轮齿廓进行了优化设计与建模,重新进行了刚柔耦合分析与对比验证。结果表明,优化的摆线齿廓有效降低了摆线轮最大接触力和传动误差,显著提高了疲劳寿命。通过本文研究,提出了一套完整的RV减速器参数化建模、关键零部件疲劳寿命分析和多目标优化设计研究方案,为后续开展工业机器人整机优化设计方案提供参考。