本发明涉及传动装置领域，特别涉及一种双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法及系统。
背景技术：
1、行星滚柱丝杠副因其具有小体积、高承载、高可靠性和长寿命等优点，被广泛应用于人形机器人、航空航天、汽车船舶等国防安全与战略新兴产业。行星滚柱丝杠相比于梯形丝杠，其周向增加了数根滚柱，通过滚动摩擦传动代替了梯形丝杠的滑动摩擦传动，从而极大地提高了传动效率。然而，现有行星滚柱丝杠副不具有自锁能力，这在一定程度上制约了行星滚柱丝杠副的进一步应用。
2、现有技术中，存在通过在行星滚柱丝杠副结构上串联了滑动丝杆结构实现自锁的方案。尽管该方法能在一定程度上实现自锁，然后该种方法不仅极大降低了行星滚柱丝杠副的传动效率，还使得行星滚柱丝杠副的体积和质量增加，使得行星滚柱丝杠小体积、轻质化和高效率等优点有所减少。此外，还存在通过增加辅助结构实现行星滚柱丝杠副的双向自锁。该辅助结构通过在螺母两端增加楔形自锁螺母和调整垫片，并通过调整垫片实现预紧力调整。尽管该方法在一定程度上能实现行星滚柱丝杠副的双向自锁，但是该设计方法是通过额外增加辅助结构，使得行星滚柱丝杠副结构更为复杂。
3、另外的，还有通过增加丝杆-滚柱侧和滚柱-螺母侧的摩擦力，从而提出一种可双向自锁行星滚柱丝杠副的设计方法。尽管通过增加两侧摩擦力的方式能实现行星滚柱丝杠副双向自锁，但通过增加摩擦力的方式实现行星滚柱丝杠副双向自锁，会导致行星滚柱丝杠副的传动效率显著降低。
技术实现思路
1、基于此，本发明的目的是提供一种双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法及系统，旨在解决现有技术中缺少一种无需额外增加辅助部件且传动效率高可以双向自锁的行星滚柱丝杠副的问题。
2、根据本发明实施例的一种双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法，所述方法包括：
3、获取待优化数模，并根据所述待优化数模确定特征参数信息，所述待优化数模为待优化行星滚柱丝杠副的数模，再根据自锁需求确定自锁不等式；
4、根据所述特征参数信息通过预设方法确定所述自锁不等式中各项变量对应的数值信息，并将所述数值信息代入所述自锁不等式分别确定第一当量摩擦角和第二当量摩擦角的数值范围信息，所述第一当量摩擦角为丝杆和滚柱之间的当量摩擦角，所述第二当量摩擦角为所述滚柱和螺母之间的当量摩擦角；
5、对所述待优化数模进行受力分析并确定待优化数模的载荷平衡方程组，且确定所述待优化数模的传动效率关系式，将所述特征参数信息代入所述载荷平衡方程和所述传动效率关系式，确定所述第一当量摩擦角、所述第二当量摩擦角和所述待优化数模传动效率之间的关系参数；
6、将所述数值范围信息和所述关系参数代入预设优化函数确定所述第一当量摩擦角和所述第二当量摩擦角对应最优的摩擦系数和牙侧角，以根据所述摩擦系数和所述牙侧角调整所述待优化数模确定目标数模；
7、所述自锁不等式为：
8、
9、
10、其中，和分别为丝杆和滚柱之间以及滚柱和螺母之间的当量摩擦角，、和分别为丝杆、滚柱和螺母的螺旋升角，和分别为丝杆和滚柱之间以及滚柱和螺母之间的摩擦系数， β为螺旋牙侧角。
11、另外，根据本发明上述实施例的一种双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法，还可以具有如下附加的技术特征：
12、进一步地，所述将所述数值信息代入所述自锁不等式分别确定第一当量摩擦角和第二当量摩擦角的数值范围信息的步骤包括：
13、根据第一预设方程组确定所述丝杆、所述滚柱和所述螺母的所述螺旋升角；
14、将所述螺旋升角代入所述自锁不等式确定所述数值范围信息；
15、所述第一预设方程组为：
16、
17、
18、其中，、和分别为丝杆、滚柱和螺母的头数， p为螺距，丝杆、滚柱和螺母的螺距相同，、和分别为丝杆、滚柱和螺母的中径。
19、进一步地，所述载荷平衡方程组为：
20、
21、
22、其中， krs和 krn分别为丝杆和滚柱之间以及滚柱和螺母之间的点接触形式下赫兹接触刚度， nt单根滚柱螺纹牙总数， as和 an分别为丝杆和螺母的有效接触面积， fn,j-1和 fn,j分别为滚柱第 j-1和 j个螺纹牙法向接触力， e为等效弹性模量， n为行星滚柱丝杠副内置滚柱的根数， fa为行星滚柱丝杠副总的轴向负载，为滚柱的螺旋升角， β为螺旋牙侧角。
23、进一步地，所述传动效率关系式为：
24、
25、
26、
27、其中， η为传动效率， p0为行星滚柱丝杠副输出功率， p为行星滚柱丝杠副摩擦损失功率， fa为行星滚柱丝杠副总的轴向负载， ωs为丝杆转速， mf0为行星滚柱丝杠副的总摩擦力矩。
28、进一步地，根据所述特征参数信息通过第二预设方程组确定所述行星滚柱丝杠副的总摩擦力矩，所述第二预设方程组为：
29、
30、
31、
32、
33、其中，和分别为丝杆和滚柱之间以及滚柱和螺母之间的自旋滑动摩擦力矩，和分别为丝杆和滚柱之间接触椭圆长轴和短轴半径，和分别为丝杆和滚柱之间接触椭圆长半轴的最小值和最大值， x为接触椭圆区域横轴坐标， y为接触椭圆区域纵轴坐标，和分别为滚柱和螺母之间接触椭圆长轴和短轴半径，和分别为滚柱和螺母之间接触椭圆长半轴的最小值和最大值。
34、进一步地，所述预设优化函数为：
35、
36、其中，和分别为丝杆和滚柱之间以及滚柱和螺母之间的摩擦系数， β为螺旋牙侧角， fn,j为滚柱第j个螺纹牙法向接触力， η为传动效率，和分别为丝杆和滚柱之间以及滚柱和螺母之间的当量摩擦角，、和分别为丝杆、滚柱和螺母的螺旋升角。
37、进一步地，所述以根据所述摩擦系数和所述牙侧角调整所述待优化数模确定目标数模的步骤之后包括：
38、确定所述摩擦系数和所述牙侧角对应的理论传动效率；
39、对所述目标数模进行仿真模拟，以确定所述目标数模对应的试验传动效率并判断所述目标数模是否能够实现双向自锁；
40、若所述目标数模能够实现双向自锁，且所述试验传动效率与所述理论传动效率的比值在预设范围内，则输出所述目标数模用于加工生产。
41、本发明实施例的另一个目的在于提供一种双向自锁行星滚柱丝杠副设计系统，所述系统包括：
42、参数获取模块，用于获取待优化数模，并根据所述待优化数模确定特征参数信息，所述待优化数模为待优化行星滚柱丝杠副的数模，再根据自锁需求确定自锁不等式；
43、自锁条件模块，用于根据所述特征参数信息通过预设方法确定所述自锁不等式中各项变量对应的数值信息，并将所述数值信息代入所述自锁不等式分别确定第一当量摩擦角和第二当量摩擦角的数值范围信息，所述第一当量摩擦角为丝杆和滚柱之间的当量摩擦角，所述第二当量摩擦角为所述滚柱和螺母之间的当量摩擦角；
44、传动效率关系确定模块，用于对所述待优化数模进行受力分析并确定待优化数模的载荷平衡方程组，且确定所述待优化数模的传动效率关系式，将所述特征参数信息代入所述载荷平衡方程和所述传动效率关系式，确定所述第一当量摩擦角、所述第二当量摩擦角和所述待优化数模传动效率之间的关系参数；
45、目标数模确定模块，用于将所述数值范围信息和所述关系参数代入预设优化函数确定所述第一当量摩擦角和所述第二当量摩擦角对应最优的摩擦系数和牙侧角，以根据所述摩擦系数和所述牙侧角调整所述待优化数模确定目标数模。
46、本发明实施例的另一个目的是提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述的双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法的步骤。
47、本发明实施例的另一个目的是提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法的步骤。
48、本发明通过获取待优化丝杆副的数模，并根据数模得到相应的参数，并确定不等式，将参数代入不等式后，得到待优化丝杆副的双向自锁条件下，对应摩擦当量的取值范围，再通过对数模进行受力分析，以确定丝杆副的载荷平衡条件，以及传动效率关系式，并确定摩擦当量和载荷平衡以及传动效率之间的关系参数，并将该关系参数、取值范围代入预设的优化函数，进而对丝杆副的参数进行优化，以得到最优的摩擦系数和螺旋牙侧角，进而确定该型号尺寸的丝杆副的优化参数，从而通过该数模对应的参数进行调整，可以实现丝杆副的双向自锁功能且保证丝杆副的传动效率和载荷分布一致性。采用该设计方法，无需增设额外的辅助部件，且保证了丝杆副的传动性能，通过调整摩擦系数和螺旋牙侧角即可，无需修改丝杆副其他外形尺寸，保证了丝杆副与现有行业其他零部件之间的适配性。因此，本发明解决了现有技术中缺少一种无需额外增加辅助部件且传动效率高可以双向自锁的行星滚柱丝杠副的问题。
1.一种双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法，其特征在于，所述将所述数值信息代入所述自锁不等式分别确定第一当量摩擦角和第二当量摩擦角的数值范围信息的步骤包括：
3.根据权利要求1所述的双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法，其特征在于，所述载荷平衡方程组为：
4.根据权利要求1所述的双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法，其特征在于，所述传动效率关系式为：
5.根据权利要求4所述的双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法，其特征在于，根据所述特征参数信息通过第二预设方程组确定所述行星滚柱丝杠副的总摩擦力矩，所述第二预设方程组为：
6.根据权利要求1所述的双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法，其特征在于，所述预设优化函数为：
7.根据权利要求1所述的双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法，其特征在于，所述以根据所述摩擦系数和所述牙侧角调整所述待优化数模确定目标数模的步骤之后包括：
8.一种双向自锁行星滚柱丝杠副设计系统，其特征在于，用于实现如权利要求1至7中任意一项所述的双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法，所述系统包括：
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述的双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法的步骤。
10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1－7任一所述的双向自锁行星滚柱丝杠副设计方法。
