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摘 要：针对某些特殊场合需要的快速低振的工作需求，设计出一种利用蜗轮蜗杆驱动的快速运动装置，进行装置结构设计、参数计算。利用Solidworks软件建立三维模型，并进行实验样机制造和实验。实验结果表明：装置的执行机构在100ms内打开120€埃椅蕹寤鳎闵杓埔蟆？
关键词：快速低振 蜗轮蜗杆 结构设计 实验样机
中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）007-101-03
1 引言
目前越来越多的工厂采用了自动化控制，人工操作被机械或自动化设备所替代，要求执行机构具有增强工作安全性能和环境保护性能。快速运动装置是应用于某些场合要求在特殊情况下快速平稳地打开或关闭并能够精准定位，以实现某些特殊的动作和运动要求。本文根据快速低振机构的相关设计要求，设计出一种新型的快速低振运动装置，制造了样机并进行了相关实验。
2 快速运动装置结构设计
2.1 装置的运动方案比较
针对装置的运动要求，有两种传动方案，即曲柄滑块机构和蜗轮蜗杆机构，机构简图见图1和图2。
曲柄滑块机构就是利用驱动滑块带动曲柄转动。由于连杆机构在运动中产生的惯性力和惯性力矩不易平衡很容易使机构在运动时产生冲击、振动，使动力性能恶化，严重影响机构的稳定性，所以连杆机构不适合于高速工作的场合，而且连杆机构有动作延迟和传动累积误差，机构的构件和运动副数目多，传动效率越低，这对于这样一个对运动速度和精度要求极高的装置来说是致命的缺点。
1-滑块；2-连杆；3-曲柄（执行构件）
图1 曲柄滑块机构示意图
1-电机；2-蜗杆；3-蜗轮；4-夹子（执行构件）
图2 蜗轮蜗杆机构示意图
蜗轮蜗杆机构就是利用电机直接驱动蜗杆，从而蜗轮带动夹子打开。相比连杆机构，蜗轮蜗杆机构传动平稳、结构紧凑、具较大承载能力更能满足快速运动装置的设计要求，同时蜗轮蜗杆传动比范围大，可以利用这一特点降低对驱动器的输出要求。综合两种方案的优缺点，我们采用蜗轮蜗杆机构作为装置的传动机构。
2.2 总体方案设计
由于机构应用环境的特殊性，执行构件在设计时要求在100ms内完成所需动作，并要求机构产生的振动振幅不超过5 m。整体考虑装置及其结构，提出如图2所示的运动方案：采用电机直接驱动蜗杆，蜗杆两侧对称布置两个蜗轮（两个蜗轮的旋转方向相反），从而用蜗轮带动夹子运动，实现夹子的打开与闭合。
机构自由度计算：构件数：n=3，低副数：PL=3，高副数：PH=2
所以自由度F=3€？-3€？-2=1。
对于驱动器的选择，由于步进电机输出力矩会随转速升高而下降，从静止加速到工作转速需要上百毫秒，且启动频率过高或负载过大易丢步或堵转，停止时转速过高易出现过冲现象，所以步进电机不适合本设计方案的基本要求。
对考虑到装置运动的平稳性，且在运动过程中没有冲击，运动时间极短，控制的精度要求高，因此选用伺服电机。伺服电机运转平稳，无振动现象，具有较强的过载能力且不会出现丢步或过冲的现象，满足装置的需求。
根据夹子打开的角度（120€埃┘八枰氖奔洌？00ms）设计执行构件的运动规律为余弦加速度运动规律，如图3所示。
图3 速度、加速度时间曲线
角速度-时间曲线：
（1）
角加速度-时间曲线：
（2）
2.3装置主要零件设计
装置主要零件是蜗轮蜗杆，首先选择蜗轮类型，由于本实验装置要求精度高、功率大、速度快，采用渐开线蜗杆。
选择材料及热处理方式：蜗杆选用45钢，表面淬火处理，表面硬度大于45HRC。蜗轮材料选用铝青铜。蜗轮蜗杆主要参数：齿数z1=4，z2=29；模数m=2mm；蜗杆导程角 =19.65€埃渌问浴？
合理设计其它辅助零件，通过Solidworks软件三维建模，得出模型如图4所示。执行构件固定在转动轴上，蜗轮带动转动轴转动，转轴在底座内采用角接触球轴承支撑。蜗杆两端安装端盖，避免轴向串动。电机与蜗杆采用弹性联轴器连接。其它零件根据各自的工作环境互不干涉进行设计。
3 实验样机的测试及结果
快速低振运动装置实物如图5所示，图a为装置初始状态，图b为装置快速打开后状态，执行构件打开120€啊？
a 执行构件关闭 b 执行构件打开120€？
图5 快速低振运动装置实物图
利用伺服装置PTP模式，通过伺服电机调试软件设定伺服电机运动曲线的一系列参数，如图6所示，根据夹子打开的角度为120€埃萯=7.25，则电机的角位移为435€啊K欧缁牟问柚眉？。
图6 伺服电机参数设置结果
表1 伺服电机参数设置表
待电机参数设置完毕，进行调试，经过5次实验，测得两执行构件打开的时间如表2所示。五次实验中，执行构件打开120€八璧氖奔渚滴？9.6ms，与设计要求的100ms误差仅为0.4%，证明该装置能够满足快速要求。
表2 实验数据记录表
①-角速度时间曲线，②-角加速度时间曲线
图7 伺服系统运动曲线
通过伺服系统软件对电机运动实时跟踪反馈，得到如图7所示的运动曲线，横坐标代表时间，单位ms，与设定的余弦加速度运动曲线相符，速度平稳，转矩也无异常突变，冲击小，满足低振动要求。
4 结论
本文设计了一种利用蜗轮蜗杆驱动的快速低振运动装置，建立了三维立体模型并制作出了试验样机。通过样机实验分析表明该装置能够在100ms的时间内快速打开120€埃也捎媒朴嘞壹铀俣仍硕媛桑挥兴俣瘸寤骱图铀俣瘸寤鳎懔松杓埔蟆U攵钥焖僭硕爸玫脑硕螅疚纳杓瞥隽艘桓瞿芄唤虾梅咸跫目焖俚驼褡爸茫岢隽艘桓鲎艿脑硕刂品桨福院蟮南喙匮芯康於ㄒ欢ǖ幕 ？ （基金项目：国家大学生创新实验计划项目（项目号：1110611056））
参考文献：
[1] LLE.Target Detection and Shroud Pull Sequencingfor Cryogenic-Target Operations on the OMEGA System[R].USA：LLE Review，2000.
[2] 罗继曼，孙志礼.对曲柄滑块机构运动精度可靠性模型的研究[J].机械科学与技术，2002（06）.
[3] 杨芬，周春国，刘凯，等.电动助力转向传动机构的建模与仿真分析[J].机械科学与技术，2008（6）.
[4] 周忆，左东，廖云飞，等.一种快速开合的低温靶防护罩设计分析[J].中国科技论文在线，2012（11）.
[5] 吴文宇，孙长青. 送经机构中蜗杆传动承载能力的计算分析[J].纺织机械，2003.
[6] Yang.Ge，Gaines，James A，Nelson，Bradley J.Open-structure reconfigurable experimental workstation for fast and reliable microassembly[J].Proc SPIE Int Soc Opt Eng，2000.
[7] 黄志瑛，李威.步进电机与交流伺服电机性能比较[J].广西轻工业，2010（3）.
[8] 黄茂林.机械原理[M].北京：机械工业出版社，2011.
[9] 徐声云.提高圆柱蜗杆减速器传动质量的方法[A].第五届江苏电机工程青年科技论坛暨江苏省电机工程学会2011年学术年会论文集[C].2011.
[10] 曾文忠.基于SolidWorks对机械零件结构的设计与应用[J].制造业自动化，2012，34（4）.
[11] Springfeld，P.Handling. know-how in hot shaping[J].Springer-VDI Verlag GmbH und Co.KG，June，2010.
[12] Craig R.Wuest，Edward I.Moses.The National Ignition Facility：Laser Performance and First Experiments[R].Madison，WI，United States：Lawrence Livermore National Laboratory，2004.
关键词：快速低振 蜗轮蜗杆 结构设计 实验样机
中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）007-101-03
1 引言
目前越来越多的工厂采用了自动化控制，人工操作被机械或自动化设备所替代，要求执行机构具有增强工作安全性能和环境保护性能。快速运动装置是应用于某些场合要求在特殊情况下快速平稳地打开或关闭并能够精准定位，以实现某些特殊的动作和运动要求。本文根据快速低振机构的相关设计要求，设计出一种新型的快速低振运动装置，制造了样机并进行了相关实验。
2 快速运动装置结构设计
2.1 装置的运动方案比较
针对装置的运动要求，有两种传动方案，即曲柄滑块机构和蜗轮蜗杆机构，机构简图见图1和图2。
曲柄滑块机构就是利用驱动滑块带动曲柄转动。由于连杆机构在运动中产生的惯性力和惯性力矩不易平衡很容易使机构在运动时产生冲击、振动，使动力性能恶化，严重影响机构的稳定性，所以连杆机构不适合于高速工作的场合，而且连杆机构有动作延迟和传动累积误差，机构的构件和运动副数目多，传动效率越低，这对于这样一个对运动速度和精度要求极高的装置来说是致命的缺点。
1-滑块；2-连杆；3-曲柄（执行构件）
图1 曲柄滑块机构示意图
1-电机；2-蜗杆；3-蜗轮；4-夹子（执行构件）
图2 蜗轮蜗杆机构示意图
蜗轮蜗杆机构就是利用电机直接驱动蜗杆，从而蜗轮带动夹子打开。相比连杆机构，蜗轮蜗杆机构传动平稳、结构紧凑、具较大承载能力更能满足快速运动装置的设计要求，同时蜗轮蜗杆传动比范围大，可以利用这一特点降低对驱动器的输出要求。综合两种方案的优缺点，我们采用蜗轮蜗杆机构作为装置的传动机构。
2.2 总体方案设计
由于机构应用环境的特殊性，执行构件在设计时要求在100ms内完成所需动作，并要求机构产生的振动振幅不超过5 m。整体考虑装置及其结构，提出如图2所示的运动方案：采用电机直接驱动蜗杆，蜗杆两侧对称布置两个蜗轮（两个蜗轮的旋转方向相反），从而用蜗轮带动夹子运动，实现夹子的打开与闭合。
机构自由度计算：构件数：n=3，低副数：PL=3，高副数：PH=2
所以自由度F=3€？-3€？-2=1。
对于驱动器的选择，由于步进电机输出力矩会随转速升高而下降，从静止加速到工作转速需要上百毫秒，且启动频率过高或负载过大易丢步或堵转，停止时转速过高易出现过冲现象，所以步进电机不适合本设计方案的基本要求。
对考虑到装置运动的平稳性，且在运动过程中没有冲击，运动时间极短，控制的精度要求高，因此选用伺服电机。伺服电机运转平稳，无振动现象，具有较强的过载能力且不会出现丢步或过冲的现象，满足装置的需求。
根据夹子打开的角度（120€埃┘八枰氖奔洌？00ms）设计执行构件的运动规律为余弦加速度运动规律，如图3所示。
图3 速度、加速度时间曲线
角速度-时间曲线：
（1）
角加速度-时间曲线：
（2）
2.3装置主要零件设计
装置主要零件是蜗轮蜗杆，首先选择蜗轮类型，由于本实验装置要求精度高、功率大、速度快，采用渐开线蜗杆。
选择材料及热处理方式：蜗杆选用45钢，表面淬火处理，表面硬度大于45HRC。蜗轮材料选用铝青铜。蜗轮蜗杆主要参数：齿数z1=4，z2=29；模数m=2mm；蜗杆导程角 =19.65€埃渌问浴？
合理设计其它辅助零件，通过Solidworks软件三维建模，得出模型如图4所示。执行构件固定在转动轴上，蜗轮带动转动轴转动，转轴在底座内采用角接触球轴承支撑。蜗杆两端安装端盖，避免轴向串动。电机与蜗杆采用弹性联轴器连接。其它零件根据各自的工作环境互不干涉进行设计。
3 实验样机的测试及结果
快速低振运动装置实物如图5所示，图a为装置初始状态，图b为装置快速打开后状态，执行构件打开120€啊？
a 执行构件关闭 b 执行构件打开120€？
图5 快速低振运动装置实物图
利用伺服装置PTP模式，通过伺服电机调试软件设定伺服电机运动曲线的一系列参数，如图6所示，根据夹子打开的角度为120€埃萯=7.25，则电机的角位移为435€啊K欧缁牟问柚眉？。
图6 伺服电机参数设置结果
表1 伺服电机参数设置表
待电机参数设置完毕，进行调试，经过5次实验，测得两执行构件打开的时间如表2所示。五次实验中，执行构件打开120€八璧氖奔渚滴？9.6ms，与设计要求的100ms误差仅为0.4%，证明该装置能够满足快速要求。
表2 实验数据记录表
①-角速度时间曲线，②-角加速度时间曲线
图7 伺服系统运动曲线
通过伺服系统软件对电机运动实时跟踪反馈，得到如图7所示的运动曲线，横坐标代表时间，单位ms，与设定的余弦加速度运动曲线相符，速度平稳，转矩也无异常突变，冲击小，满足低振动要求。
4 结论
本文设计了一种利用蜗轮蜗杆驱动的快速低振运动装置，建立了三维立体模型并制作出了试验样机。通过样机实验分析表明该装置能够在100ms的时间内快速打开120€埃也捎媒朴嘞壹铀俣仍硕媛桑挥兴俣瘸寤骱图铀俣瘸寤鳎懔松杓埔蟆U攵钥焖僭硕爸玫脑硕螅疚纳杓瞥隽艘桓瞿芄唤虾梅咸跫目焖俚驼褡爸茫岢隽艘桓鲎艿脑硕刂品桨福院蟮南喙匮芯康於ㄒ欢ǖ幕 ？ （基金项目：国家大学生创新实验计划项目（项目号：1110611056））
参考文献：
[1] LLE.Target Detection and Shroud Pull Sequencingfor Cryogenic-Target Operations on the OMEGA System[R].USA：LLE Review，2000.
[2] 罗继曼，孙志礼.对曲柄滑块机构运动精度可靠性模型的研究[J].机械科学与技术，2002（06）.
[3] 杨芬，周春国，刘凯，等.电动助力转向传动机构的建模与仿真分析[J].机械科学与技术，2008（6）.
[4] 周忆，左东，廖云飞，等.一种快速开合的低温靶防护罩设计分析[J].中国科技论文在线，2012（11）.
[5] 吴文宇，孙长青. 送经机构中蜗杆传动承载能力的计算分析[J].纺织机械，2003.
[6] Yang.Ge，Gaines，James A，Nelson，Bradley J.Open-structure reconfigurable experimental workstation for fast and reliable microassembly[J].Proc SPIE Int Soc Opt Eng，2000.
[7] 黄志瑛，李威.步进电机与交流伺服电机性能比较[J].广西轻工业，2010（3）.
[8] 黄茂林.机械原理[M].北京：机械工业出版社，2011.
[9] 徐声云.提高圆柱蜗杆减速器传动质量的方法[A].第五届江苏电机工程青年科技论坛暨江苏省电机工程学会2011年学术年会论文集[C].2011.
[10] 曾文忠.基于SolidWorks对机械零件结构的设计与应用[J].制造业自动化，2012，34（4）.
[11] Springfeld，P.Handling. know-how in hot shaping[J].Springer-VDI Verlag GmbH und Co.KG，June，2010.
[12] Craig R.Wuest，Edward I.Moses.The National Ignition Facility：Laser Performance and First Experiments[R].Madison，WI，United States：Lawrence Livermore National Laboratory，2004.