零侧隙球形滚子包络内啮合蜗杆传动原理及关键技术研究

To satisfy the modern industrial needs on the precision transmission for zero backlash、large transmission ratio、high transmission efficiency、small volume、high precision and high reliability, a novel zero-backlash sphere roller enveloping internal meshing worm gear is proposed. This project study on the meshing function、transmission performance、friction and abrasion principle、method of implement for zero backlash based on the gear meshing theory、differential geometric theory、advanced mechanism theory and friction and abrasion theory etc., build the meshing theory of zero-backlash sphere roller enveloping internal meshing worm gear, erected the optimal design method and theory for zero-backlash sphere roller enveloping internal meshing worm gear in multivariable space and the variation of the design variables et al. Based on the complex surface machining and measurement technique, this study focus on the key manufacture technology and process、platform test 、precision measurement method and theory for the zero-backlash sphere roller enveloping internal meshing worm gear, solve the key technology problem for the high precision manufacturing on the tooth profile of worm, acquire the key design and manufacturing process and method, and develop the prototypes and investigate the transmission precision、transmission efficiency and bearing capacity et al. According to the experiment to lay the theory and practice foundation of engineering application for zero-backlash sphere roller enveloping internal meshing worm gear. This study has great scientific value in developing the theory of new precision mechanical transmission, meanwhile, the zero-backlash sphere roller enveloping internal meshing worm gear could be widely used in robot、precision manufacturing、aerospace、weaponry etc.

针对现代工业对零侧隙、大速比、高效率、小体积、高精度、高可靠性精密传动的重大需求，提出一种新颖的零侧隙球形滚子包络内啮合蜗杆传动。项目基于齿轮啮合原理、微分几何学、高等机构学以及摩擦学等，对其啮合函数、传动性能、摩擦磨损原理、零侧隙实现方法等关键科学问题进行分析研究，构建零侧隙球形滚子包络内啮合蜗杆精密传动的啮合理论，建立零侧隙球形滚子包络内啮合蜗杆在多变量空间及复杂可变约束条件下的最优化方法和设计理论；基于复杂曲面加工与检测技术，开展传动制造关键技术与工艺、台架实验、精度检测方法与理论的研究，解决传动副齿面高精加工关键技术难题，掌握内啮合蜗杆设计制造关键工艺和方法，研制样机并通过实验对其传动精度、传动效率及承载能力等进行研究分析，为其工程应用奠定理论与实践基础。项目的研究对于推动新型精密传动理论的发展具有重要的科学意义，同时可广泛应用于机器人、精密制造、航空航天、武器装备等领域。

面向现代工业领域对于传动装置的高性能需求，针对传统齿轮传动装置难以满足零侧隙、大速比、高效率、小体积、高精度、高可靠性的技术难点，提出一种新颖的零侧隙球形滚子包络内啮合蜗杆传动。基于齿轮啮合原理、微分几何学、高等机构学等研究方法，构建零侧隙球形滚子包络内啮合蜗杆传动的啮合方程，从理论上阐释了该传动的啮合原理与啮合性能，并构建了齿侧间隙的优化设计方法；利用MTALAB与CREO软件建立了零侧隙球形滚子包络内啮合蜗杆传动的高精度三维模型，并提出了一种复杂齿面的五轴联动数控磨削方法；基于半隐式运动粒子法（MPS），建立了零侧隙球形滚子包络内啮合蜗杆传动的润滑仿真模型，突破传统有限体积法(FVM)难以精确划分齿面运动边界的难点问题，利用TAGUCHI理论及ANOVA方法建立了多目标参数的润滑性能优化方法，厘清了零侧隙球形滚子包络内啮合蜗杆传动设计参数对润滑性能的影响；采用ANSYS与RECURDYN软件，构建了零侧隙球形滚子包络内啮合蜗杆传动的运动学与动力学模型，揭示了载荷波动、疲劳寿命与工况环境间的内在联系；按照GB/T 35089-2018《机器人用精密齿轮传动装置试验方法》，成功研制了零侧隙球形滚子包络内啮合蜗杆传动的性能测试平台，能够测试精密减速器的传动误差、静态回差、动态回差、温升、噪声等多项关键参数，为后续的结构优化奠定基础。本项目的科学意义在于提出了一种新的精密传动装置，并建立了理论分析、仿真建模、加工制造的系列化研究方法。目前，相关研究成果已获得国家发明专利授权9项，发表SCI论文11篇，其中中科院一区收录4篇，培养硕士研究生7名。