谐波减速器波发生器柔轮自动装配机开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究目的

谐波齿轮传动技术是20世纪50年代中期随着空间科学技术的发展，在薄壳弹性变形的理论基础上发展起来的一种新型传动技术，该齿轮传动技术是近代齿轮传动技术取得的重大突破。该传动的基本原理是由苏联工程师a.И.mocκвитин于1947年提出^[1]，美国c.w musser 教授于1953年发明了谐波齿轮减速器，在1959年获得专利授权，于1960年在纽约展出实物，并公开了该项技术的详细资料。使用证实,这种传动较一般的齿轮传动具有结构简单、体积小、重量轻、同轴性好、传动平稳且效率高、运动精度高、传动比大、承载能力强、可以实现零回差、并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作等一系列优点，这一新型传动一经出现，随即引起各国的普遍重视，各国学者几乎对这一传动的所有问题进行了不同程度的研究^[2]。

谐波齿轮传动是一种出现在弹性薄壳理论基础上的新型的传动技术，谐波齿轮传动原理与普通齿轮传动原理有本质区别，谐波齿轮是利用波发生器产生的机械波控制柔轮产生弹性形变来传递运动和力的新型传动装置，它是一种不同于建立在刚体力学基础上的新型机械传动，而是依靠弹性变形使用柔性构件来实现传动，它突破了机械传动采用刚性构件的模式，从而获得了一系列其他传动难以达到的特殊功能，正广泛应用于现代工业的诸多方面。谐波齿轮一般都是小模数齿轮，谐波齿轮传动装置大多具有小体积和超小体积传动的特性。目前，谐波齿轮传动技术已被广泛的应用于空间技术、能源、机器人、雷达通讯、机床、仪表、造船、汽车、武器、起重运输、医疗器械等各个工业领域，并已开始系列化生产谐波齿轮传动产品。由于传动比大，传动精度高等优点，谐波齿轮传动多用于机器人领域，在该领域的应用数量已超过总数量的60％^[3]。

随着军事装备的现代化，谐波齿轮传动更加广泛地应用于航空、航天、船舶潜艇、宇宙飞船、导弹导引头、导航控制、光电火控系统、单兵作战系统等军事装备中，如在战机的舵机和惯导系统中，在卫星和航天飞船的天线和太阳能帆板展开驱动机构中都得到应用。另外，精确打击武器和微小型武器是未来军事高科技的发展趋势之一。先后出现了微型飞机、便携式侦察机器人、微小型水下航行器、精确打击武器及灵巧武器和智能武器等新概念微小型武器系统。它们具有尺寸小、成本低、隐蔽性好、机动灵活等特征，在未来信息化战争、城市和狭小地区以及反恐斗争中将占据重要的位置和发挥不可替代的作用。为进一步提高打击精度，提高可靠性，降低成本，武器系统的关键功能部件正在向小型化方向发展，超小体积谐波齿轮传动装置常用来构成相关部件的传动装置，以提高武器系统的打击精确性^[4]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1谐波齿轮的结构^[10]

图1是谐波齿轮结构示意图。谐波减速器的三大核心部件为波发生器（Wave Generator，WG）、柔轮（Flexspline，FS）以及刚轮（Rigid Gear，RG）。谐波传动中，柔轮是一个挠性构件，其与波发生器装配后会产生可控的弹性变形，进而与刚轮啮合，最终实现传递扭矩和能量的功能。这种传动原理被称为波动变性原理。

图1谐波齿轮减速器的结构示意图见附件

一般地，未装配的柔轮是一个带齿的圆形薄壁零件，由于其内孔直径小于波发生器装配轴段的最大直径，因此在装配时柔轮会被强迫变形；波发生器是整个谐波减速器的装配中心和动力输入部件，刚轮在柔轮变形后与之啮合。

波发生器可分为双滚轮式、四滚轮式、偏心盘式、柔性轴承凸轮式等。本设计中所涉及到的是柔性轴承凸轮式波发生器。中间是一个椭圆形的凸轮，凸轮外是柔性轴承，在椭圆凸轮作用下使柔性轴承外圈也为椭圆形。

图2谐波齿轮减速器组装图见附件

柔轮有杯形、环形和钟形3种，最常用的是杯形柔轮，它是一个容易变形的薄壁圆筒外齿轮。而刚轮是一个刚性的内齿轮，由环状和带凸缘的两种，带凸缘刚轮虽然可提供径向定位，但加工复杂，而环状刚轮结构简单，加工方便，制造成本低故应用较为广泛。

谐波齿轮工作时，波发生器安装在柔轮内部，柔轮的外齿和刚轮的内齿啮合，装配体如图2所示。

2.2设计的基本内容

谐波齿轮传动是一种出现在弹性薄壳理论基础上的新型的传动技术。其传动原理与普通齿轮传动相比有本质的区别，它属于柔性传动方式，通过利用机械波控制柔性齿轮的弹性变形来传递运动和动力。目前谐波减速器柔轮和凸轮组件主要依靠人工装配，劳动强度大，生产效率不高、装配质量不稳定。为提高该工序的生产能力，拟设计谐波减速器柔轮自动装配机，提高效率、改善装配质量。

2.3拟采用的技术方案及措施

2.3.1谐波发生器工作原理^[10]

谐波齿轮减速器的波发生器是椭圆环状，其横截面有长轴和短轴，长轴的长度略大于柔轮的内直径，短轴长度略小于柔轮内直径。将波发生器安装进柔轮以后，波发生器可以使柔轮变为椭圆形，此时波发生器能保持柔轮和刚轮的轮齿在柔轮的最大变形区域完全啮合，在柔轮最小变形区域完全分离。其中，刚轮的齿数略大于柔轮的齿数。波发生器能保持柔轮和刚轮的轮齿在柔轮的最大变形区域完全啮合，在柔轮最小变形区域完全分离。处于波发生器长轴和短轴之间的轮齿则处于啮入和啮出的过渡状态，如图3所示。

图3谐波齿轮原理图见附件

当刚轮固定，波发生器连续转动时，就使柔轮变形状态发生变化，柔轮的外齿将依次啮入和啮出刚轮的内齿，但柔轮比刚轮的齿数略少，柔轮实现其相对于刚轮的反向旋转，波发生器转过一周，柔轮和刚轮的相对转动相差两者的齿数差，从而实现变速传动。柔轮齿圈上的任意一点的径向位移将呈近似于正弦波形的变化，所以这种传动称为谐波传动。谐波传动中，波发生器可以是一个直径不一的双波或多波零件，其最大直径大于柔轮内孔直径，因此装配时，波发生器在柔轮内孔向外迫使柔轮产生变形，进而柔轮再与刚轮配合和传动，如图 4所示^[11]。

图4装配示意图见附件

图4中，实线 S1 为柔轮变形前内孔截面；虚线 S2 为波发生器外轮廓曲线；点划线 S3 为刚轮轮廓；点 P11 为实线 S1 与 X 轴正半轴的交点；点 P21 为实线 S1 与 Y 轴负半轴的交点；点 P31 为实线 S1 与 X 轴负半轴的交点；点 P41 为实线 S1 与 Y 轴正半轴的交点；点 P12 为虚线 S2 与 X 轴正半轴的交点；点 P22 为虚线 S2 与 Y 轴负半轴的交点；点 P32 为虚线 S2 与 X 轴负半轴的交点；点 P42 为虚线 S2 与 Y 轴正半轴的交点；点 P13为点划线 S3 与 X 轴正半轴的交点；点 P23 为点划线 S3 与 Y 轴负半轴的交点；点 P33为点划线 S3 与 X 轴负半轴的交点；点 P43 为点划线 S3 与 Y 轴正半轴的交点。

图4中，柔轮变形前是一个圆形的零件。当柔轮和波发生器装配后，会变形成波发生器的形状，表现为点 B 和点 D 外扩至点 B1 和点 D1 的位置；点 A 和点 C 内缩至点 A1 和点 C1 的位置。此时，柔轮长轴方向上的点 B1 和 D1 和刚轮的点 B2 和 D2重合，柔轮与刚轮啮合。

2.3.2对于谐波减速器波发生器柔轮自动装配机拟采用的技术方案及措施^[12]

2.3.2.1概述

对于完整的谐波减速器波发生器柔轮自动装配设备，自动装配机首先需要满足功能上的要求，同时在总体布局上，要合理、有效地完成指定动作，并考虑系统及结构的安全性、有效性，具有一定的自动检测功能。设计自动装配机时，需要利用机械、电气、控制等一系列的相关知识。一个合格的设备需要从装配工序出发，并确定装配中的压力、装配速度等因素，确定机械结构，最后进行校核，优化。其中波发生器已装配好，且经检测合格。

2.3.2.2装配工序分析

为满足最终装配精度高和装配速度快的要求，本设备需要以下各项功能：

(1)自动上料。包括谐波减速器的波发生器和柔轮的自动上料。

(2)柔轮的自动定位和夹紧。当待装配谐波减速器的波发生器和柔轮到达指定位置时，需要通过自动控制实现自动定位和夹紧。

(3)波发生器的定位及夹紧。波发生器在装入柔轮时，需要对波发生器定位、夹紧。

(4)柔轮变形机构。在装入波发生器前，柔轮内径需要与波发生器外径保持一致，即将柔轮挤压变形至波发生器的椭圆形状，保证波发生器可以准确装入。

(5)自动装配。通过某种机构，可以实现波发生器快速、准备地自动装配。

(6)自动下料。待波发生器装配完毕后，将已装配成功的工件送至下一工序。

综合以上各个功能要求及技术指标，考虑到气动、液压和电动的各自的优缺点，本设计准备采用气动传统控制所有动作。

2.3.2.3谐波减速器波发生器柔轮自动装配机的方案设计

由以上的设备功能和设计要求，本设计的谐波减速器波发生器柔轮自动装配机需要对实现波发生器和柔轮的自动上料、波发生器和柔轮的自动定位和夹紧、上料机构的自动检测、装配波发生器的自动导向定位、波发生器自动装配以及工件自动下料等功能，这些功能的实现都是依靠合理的机械结构以及可以有效控制这些机械机构的电气部分。

在机械结构的设计中，关键部分是实现装配的装配装置，柔轮经过柔轮变形机构后，形状与波发生器一致，此时波发生器在上，柔轮在下，保证之间的长轴和短轴相吻合，由压力机直接将波发生器准确压入，完成装配动作。

3. 研究计划与安排

第1-3周：明确毕业设计任务，查阅相关资料，初步提出系统总体设计方案，并撰写开题报告；

第4-6周：分析给定参数，确定总体设计方案；

第7-10周：机械结构详细设计；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]m.h.伊万诺夫. 谐波齿轮传动[m].沈允文,李克美,译.北京:国防工业出版社,1987:1-41.

[2]musser c w. strain wave gear－species in which only：us 2932 986[p],1960-4-19.

[3]阳培,张立勇,王长路,等. 谐波齿轮传动技术发展概述[j].机械传动,2005(3)：69-72.