工业机器人用谐波减速器机械结构设计
时间：2020-10-13 04:03:04 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘要：谐波减速器具有高传动比、扭矩高承载能力大、侧隙小回转精度高、机械效率高、运转平稳安静、体积小重量轻等特点，非常适用于工业机器人机械臂，本文对谐波减速器的机械结构设计与功用进行了分析研讨。
Abstract：
Harmonic reducer has the characteristics of high transmission ratio， high torque， large bearing capacity， small backlash， high rotation accuracy， high mechanical efficiency， stable and quiet operation， small size and light weight. It is very suitable for industrial robot manipulators. The mechanical structure design and function of harmonic reducer are analyzed and discussed in this paper.
關键词：工业机器人机械臂;谐波减速器;结构设计
Key words：
industrial robot manipulator;harmonic reducer;structure design
中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）27-0094-02
0 引言
谐波减速器主要由谐波发生器、韧性材料制成的薄壁外齿轮（柔轮）、带有螺纹过孔的刚性内齿轮（刚轮）三个基本构件组成，详见图1，谐波发生器的柔性轴承与柔轮装配，使得韧性薄壁柔性外齿轮产生适度的弹性小变形，通过与刚性内齿轮的啮合传动来变速增矩，传递运动和动力。谐波发生器、柔轮、刚轮可任意固定其中1个部件，其余2个部件一个连接输入（主动），一个连接输出（从动），以实现减速或增速传动。工业机器人用谐波减速器，往往采用刚轮固定、谐波发生器主动、柔轮从动输出的形式，常用在工业机器人机械臂的R轴转动（4轴）、B轴摆动（5轴）、T轴转动（6轴）结构中。
1 谐波减速器的类别及传动比
谐波减速器一般用在工业机器人机械臂的R轴转动、B轴摆动、T轴转动结构中，可电机直驱，也可安装齿轮或同步带传动，有部件型、单元型之分，部件型只提供刚轮、柔轮、谐波发生器三个基本部件，用户可根据工作要求设计变速方式及安装方式，装配调试时需要进行谐波减速器与传动零件的拆分及安装，工作要求很高。单元型谐波减速器自身带有外壳及CRB交叉滚子轴承，刚轮、柔轮、谐波发生器、壳体、CRB轴承被整体设计成一个单元部件，有输入输出连接法兰或连接轴，输出采用高刚性、精密CRB交叉滚子轴承支承，可直接驱动负载。单元型谐波减速器有标准型、中空轴、轴输入三种基本结构形式，如图2所示。标准单元型谐波减速器用于平键连接输入轴（电机轴），适于电机直驱;中空轴单元型谐波减速器发生器凸轮开有大口径中空孔，减速器内部设计有支撑轴，适于中心孔穿线场合。
轴输入单元型谐波减速器发生器凸轮自带输入轴，减速器内部设计有支撑轴承，适用于需要在输入端安装齿轮或同步带传动场合。
谐波减速器在变速增矩传动过程中，谐波发生器每回转360°一圈，柔轮上任意点发生变形的重复次数称为波数，用n表示，有n=2和n=3两种，也就是双波和三波，双波传动的柔轮应力小强度高。谐波减速器的柔轮、刚轮齿距p相同，满足齿轮正确啮合传动条件，柔轮、刚轮的齿数不相同，刚轮齿数z2与柔轮齿数z1之差就等于波数n，即z2-z1=n，如果刚轮固定、谐波发生器主动、柔轮从动时，谐波减速器的传动比为i=-z1/（z2-z1），双波传动z2-z1=2，因为柔轮齿数很大，谐波减速器可获得很大的传动比，传动比为负，表示柔轮输出的转向与谐波发生器输入的转向相反，即逆时针输入顺时针输出，或顺时针输入逆时针输出。
2 部件型谐波减速器机械结构
部件型谐波减速器外观及组件见图1，机械结构见图3，谐波发生器由柔性轴承、椭圆凸轮、十字滑块、轴套、弹性档圈、铜片构成，采用带轴心自动调整功能的欧式联轴节型结构，十字滑块凸榫一端连接椭圆凸轮，一端连接轴套，此种结构同轴度要求不是很高。凸轮外圆安装有一个能弹性变形的薄壁柔性滚珠轴承，轴承内圈固定在凸轮上，轴承外圈与柔轮的内壁相互压紧，柔轮是可以发生弹性变形的薄壁齿轮，柔轮与刚轮齿轮啮合传动，实现变速传动功能。机械传动时轴套可通过平键直接连接伺服电机输入轴，电机直驱轴套回转，轴套驱动十字滑块回转，十字滑块驱动椭圆凸轮回转，实现电机直驱谐波发生器旋转。
谐波发生器的作用就是迫使柔轮发生适度的弹性小变形，谐波发生器、柔轮装配完成后，迫使柔轮的横断面由原本的圆形变成椭圆形，椭圆长轴两端附近的轮齿与刚轮轮齿完全啮合，椭圆短轴两端附近的轮齿与刚轮轮齿完全脱开，椭圆轮廓上其他部位的轮齿则处于啮合与脱离分开的半啮合过渡状态。如果谐波发生器沿图4方向连续顺时针转动，柔轮的变形就连续变化，柔轮与刚轮的啮合状态也连续变化，啮入-啮合-啮出-脱开分离-再啮入-啮合-啮出-脱开分离……，循环往复，驱动柔轮相对于谐波发生器回转相反的方向缓慢转动，实现减速增矩。谐波减速器工作时，刚轮固定，电机或同步带传动驱动谐波发生器输入转动，柔轮作为从动轮输出转动，并带动负载工作运动。
3 单元型谐波减速器机械结构
3.1 標准单元型谐波减速器
标准单元型谐波减速器外观见图2，具体机械结构见图5，刚轮与柔轮齿轮啮合传动，实现减速增矩传动，谐波发生器由柔性轴承、椭圆凸轮、十字滑块、轴套、弹性档圈、铜片组成，采用带轴心自动调整功能的欧式联轴节型结构，轴套可通过平键直接连接伺服电机输入轴，电机直驱谐波发生器旋转产生输入转动，且同轴度要求不高。刚轮、CRB交叉滚子轴承外圈、机架用螺纹连接固定，柔轮、法兰、CRB交叉滚子轴承内圈、壳体法兰用螺纹连接，通过壳体法兰输出运动及动力。
3.2 轴输入单元型谐波减速器
轴输入单元型谐波减速器外观见图2，具体机械结构见图6，刚轮与柔轮齿轮啮合传动，实现减速增矩传动，谐波发生器由柔性轴承、椭圆凸轮等组成，采用刚性连接结构，输入轴直接与椭圆凸轮连接，输入轴与椭圆凸轮装配同轴度要求很高，输入轴外伸端可安装齿轮或同步带传动，输入轴必须采用两点支撑结构，两端各单向固定。齿轮或同步带传动带动输入轴回转，输入轴驱动椭圆凸轮回转，谐波发生器旋转形成输入转动，刚轮、CRB交叉滚子轴承内圈、机架、轴承座1用螺纹连接固定，柔轮、CRB交叉滚子轴承外圈、工作台、轴承座2用螺纹连接，通过工作台输出运动及动力。
综上对谐波减速器机械结构设计分析，谐波减速器具有良好的机械工作性能，具有显著的使用特点，传动比大、扭矩高承载能力强、零侧隙回转精度高、机械效率高、结构简单、体积小重量轻、运转平稳安静。但谐波发生器会产生轴向力，需要CRB交叉滚子轴承承受轴向力。
参考文献：
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[3]叶晖.工业机器人实操与应用技巧[M].二版.北京：机械工业出版社，2017.
基金项目：本文系浙江省高等教育“十三五”第二批教学改革研究项目《新工科智能制造背景下高职本科专业建设与实践——以机械工程专业为例》（jg20190736），课题建设阶段性研究成果;本文系温州职业技术学院教学建设与研究项目《新工科背景下高职本科机械工程专业人才培养体系构建与实践——以温州职业技术学院为例》（WZYzd201902）课题建设阶段性研究成果。
作者简介：郑红（1968-），女，江西南昌人，温州职业技术学院机械系副教授，高级工程师，硕士，主要研究与教学方向为机械设计与数控工艺。
