高精度行星减速器输出轴模态分析

1、项目概述   

    随着产业竞争加剧和国内用人成本提升，我国制造业向智能化、“无人化”转型升级，工业机器人需求大幅增加。“中国制造2025 计划”推动下，减速器作为工业机器人核心部件，其关键零件国产化及制造技术研究意义重大。

    精密行星减速器因刚性高、精度高、传动效率高等特点，广泛应用于工业机器人领域。输出轴作为二级高精度行星减速器的核心部件，与行星轮、外部部件相连并传递扭矩，其振动特性对传动系统的传动精度、使用寿命和振动噪声等性能影响显著，因此需研究其在自由无约束、轴承约束和啮合运转状态下的固有特性。

图1.1 高精度行星减速器结构图

2、项目难点分析

    现有研究多针对减速器整体传动系统或整机工作状态，对输出轴不同状态下的模态特性研究较少，且对薄弱环节的分析欠缺；部分研究仅分析固有频率，缺乏模态振型分布描述。

    一些研究虽涉及关键部件模态特性，但仅进行有限元仿真分析，缺少试验验证；同时，关于质量对固有频率的影响规律及轴承刚度对单一零部件固有特性的影响研究不足。

3、难点解决方案

    以90AF25-750T3WL 高精度二级行星减速器输出轴为研究对象，分析其传动原理及啮合频率，基于模态分析理论和实际工况，采用集中参数法建立输出级传动系统动力学模型，对不同状态输出轴固有频率进行理论数值分析。

    建立输出级有限元模型，运用有限元法对输出轴在自由、轴承约束及啮合运行状态下进行模态仿真分析，获取不同约束状态下的固有频率分布和模态振型。

图3.1 输出轴轴承自由网格划分图

图3.2 输出轴轴承啮合网格划分图

    开展了输出轴轴承自由状态、啮合状态下模态试验，同时开展输出轴质量变化及轴承刚度对输出轴固有频率的研究实验。

通过试验验证理论与仿真结果，研究质量及轴承刚度对固有频率的影响规律，确保分析的准确性和可靠性。

4、使用的仪器操作系统

    试验仪器：激励系统采用力锤；采集系统选用三向加速度传感器和INV3020高精度数据采集器。

    软件系统：使用ANSYS Workbench进行三维建模、网格划分和模态仿真分析；采用DASP模态分析软件进行试验数据的模态参数分析。

图4.1 测试系统结构图

图4.2 INV 3020C数据采集仪

5、试验结论

     通过对高精度行星减速器进行仿真和试验，得出以下结论，具体内容如下：

    1、输出轴额定转动频率为10Hz，最大工作转动频率为15Hz；行星轮额定啮合频率为1000Hz，最大啮合频率为1500Hz。输出轴啮合状态下一阶固有频率为10855Hz，远大于上述频率，不会引发共振。

    2、不同状态下，输出轴前10阶固有频率主要分布在6500Hz~31000Hz之间，模态振型多为平面内弯曲变形；啮合运行状态下各阶固有频率因轴承约束和轮齿啮合综合作用，明显高于自由状态和轴承约束状态。

   3、最大模态变形量为217.92mm，发生在输出轴端部；行星轮支承轴中部、边缘及输出轴端部模态变形量较大，为薄弱环节。

   4、输出轴固有频率随质量增大而减小，随轴承刚度增大而增大；仿真结果与理论数值分析、试验测试结果的相对误差均小于4%，证明仿真结果可靠。