工业机器人核心部件-谐波减速器(机)讲解

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机器人驱动系统要求传动系统间隙小、刚度大、输出扭矩高以及减速比大，常用的减速机构有：
 1）RV减速机构；
 2）谐波减速机械；
 3）摆线针轮减速机构；
 4）行星齿轮减速机械；
 5）无侧隙减速机构；
 6）蜗轮减速机构；
 7）滚珠丝杠机构；
 8）金属带／齿形减速机构；
 9）球减速机构。 
其中谐波减速器广泛应用于小型的六轴搬运及装配机械手中，下面介绍其工作原理。




谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动），它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。 
（一）传动原理 
它主要由三个基本构件组成：
（1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮）2，它相当于行星系中的中心轮； 
（2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）1，它相当于行星齿轮；
（3）波发生器H，它相当于行星架。
作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。 
波发生器H是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成滚轮，与柔轮1的内壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器的总长。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿图示方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入……，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器H相反方向的缓慢旋转。 
在传动过程中，波发生器转一周，柔轮上某点变形的循环次数称为波数，以 n 表示。常用的是双波和三波两种。双波传动的柔轮应力较小，结构比较简单，易于获得大的传动比。故为目前应用 广的一种。 
谐波齿轮传动的柔轮和刚轮的周节相同，但齿数不等，通常采用刚轮与柔轮齿数差等于波数，即
z2－z1=n
式中 z2、z2--分别为刚轮与柔轮的齿数。 
当刚轮固定、发生器主动、柔轮从动时，谐波齿轮传动的传动比为 
i=-z1/(z2-z1)
双波传动中，z2－z1=2，柔轮齿数很多。上式负号表示柔轮的转向与波发生器的转向相反。由此可看出，谐波减速器可获得很大的传动比。 
（二）特点 
1．承载能力高 谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。 
2．传动比大 单级谐波齿轮传动的传动比，可达 i=70～500。 
3．体积小、重量轻。 
4．传动效率高、寿命长。 
5．传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。
6．由于柔轮承受较大的交变载荷，因而对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂。
谐波减速器在国内于六七十年代才开始研制，到目前已有不少厂家专门生产，并形成系列化。广泛应用于电子、航天航空、机器人等行业，由于它的独特 点，在化工行业的应用也逐渐增多。 
当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就近使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。

波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。

波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。

对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。

柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。

波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波，故称之为：“谐波”。

(1) 结构型式

    谐波传动减速器包括三个基本构件：波发生器、柔轮、刚轮(如图1所示)。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动，一为从动，可实现减速或增速(固定传动比)，也可变成两个输入，一个输出，组成差动传动。

图1

    (2) 工作原理

    谐波传动减速器的工作原理如图2a、b、c、d所示，当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆形的波发生器作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在波发生器短轴两端处，柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在椭圆长轴两侧，柔轮轮齿与刚轮轮齿处于不完全啮合状态。在波发生器长轴旋转的正方向一侧，称为啮入区；在长轴旋转的反方向一侧，称为啮出区。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2个，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。

图2