工業(yè)機(jī)器人用諧波減速器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：諧波減速器具有高傳動(dòng)比、扭矩高承載能力大、側(cè)隙小回轉(zhuǎn)精度高、機(jī)械效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)安靜、體積小重量輕等特點(diǎn)，非常適用于工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂，本文對(duì)諧波減速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功用進(jìn)行了分析研討。

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(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂;諧波減速器;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Key words： industrial robot manipulator;harmonic reducer;structure design

中圖分類號(hào)：TP242.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）27-0094-02

0? 引言

諧波減速器主要由諧波發(fā)生器、韌性材料制成的薄壁外齒輪（柔輪）、帶有螺紋過(guò)孔的剛性內(nèi)齒輪（剛輪）三個(gè)基本構(gòu)件組成，詳見圖1，諧波發(fā)生器的柔性軸承與柔輪裝配，使得韌性薄壁柔性外齒輪產(chǎn)生適度的彈性小變形，通過(guò)與剛性內(nèi)齒輪的嚙合傳動(dòng)來(lái)變速增矩，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。諧波發(fā)生器、柔輪、剛輪可任意固定其中1個(gè)部件，其余2個(gè)部件一個(gè)連接輸入（主動(dòng)），一個(gè)連接輸出（從動(dòng)），以實(shí)現(xiàn)減速或增速傳動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人用諧波減速器，往往采用剛輪固定、諧波發(fā)生器主動(dòng)、柔輪從動(dòng)輸出的形式，常用在工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的R軸轉(zhuǎn)動(dòng)（4軸）、B軸擺動(dòng)（5軸）、T軸轉(zhuǎn)動(dòng)（6軸）結(jié)構(gòu)中。

1? 諧波減速器的類別及傳動(dòng)比

諧波減速器一般用在工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的R軸轉(zhuǎn)動(dòng)、B軸擺動(dòng)、T軸轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，可電機(jī)直驅(qū)，也可安裝齒輪或同步帶傳動(dòng)，有部件型、單元型之分，部件型只提供剛輪、柔輪、諧波發(fā)生器三個(gè)基本部件，用戶可根據(jù)工作要求設(shè)計(jì)變速方式及安裝方式，裝配調(diào)試時(shí)需要進(jìn)行諧波減速器與傳動(dòng)零件的拆分及安裝，工作要求很高。單元型諧波減速器自身帶有外殼及CRB交叉滾子軸承，剛輪、柔輪、諧波發(fā)生器、殼體、CRB軸承被整體設(shè)計(jì)成一個(gè)單元部件，有輸入輸出連接法蘭或連接軸，輸出采用高剛性、精密CRB交叉滾子軸承支承，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。單元型諧波減速器有標(biāo)準(zhǔn)型、中空軸、軸輸入三種基本結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)單元型諧波減速器用于平鍵連接輸入軸（電機(jī)軸），適于電機(jī)直驅(qū);中空軸單元型諧波減速器發(fā)生器凸輪開有大口徑中空孔，減速器內(nèi)部設(shè)計(jì)有支撐軸，適于中心孔穿線場(chǎng)合。

軸輸入單元型諧波減速器發(fā)生器凸輪自帶輸入軸，減速器內(nèi)部設(shè)計(jì)有支撐軸承，適用于需要在輸入端安裝齒輪或同步帶傳動(dòng)場(chǎng)合。

諧波減速器在變速增矩傳動(dòng)過(guò)程中，諧波發(fā)生器每回轉(zhuǎn)360°一圈，柔輪上任意點(diǎn)發(fā)生變形的重復(fù)次數(shù)稱為波數(shù)，用n表示，有n=2和n=3兩種，也就是雙波和三波，雙波傳動(dòng)的柔輪應(yīng)力小強(qiáng)度高。諧波減速器的柔輪、剛輪齒距p相同，滿足齒輪正確嚙合傳動(dòng)條件，柔輪、剛輪的齒數(shù)不相同，剛輪齒數(shù)z2與柔輪齒數(shù)z1之差就等于波數(shù)n，即z2-z1=n，如果剛輪固定、諧波發(fā)生器主動(dòng)、柔輪從動(dòng)時(shí)，諧波減速器的傳動(dòng)比為i=-z1/（z2-z1），雙波傳動(dòng)z2-z1=2，因?yàn)槿彷嘄X數(shù)很大，諧波減速器可獲得很大的傳動(dòng)比，傳動(dòng)比為負(fù)，表示柔輪輸出的轉(zhuǎn)向與諧波發(fā)生器輸入的轉(zhuǎn)向相反，即逆時(shí)針輸入順時(shí)針輸出，或順時(shí)針輸入逆時(shí)針輸出。

2? 部件型諧波減速器機(jī)械結(jié)構(gòu)

部件型諧波減速器外觀及組件見圖1，機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖3，諧波發(fā)生器由柔性軸承、橢圓凸輪、十字滑塊、軸套、彈性檔圈、銅片構(gòu)成，采用帶軸心自動(dòng)調(diào)整功能的歐式聯(lián)軸節(jié)型結(jié)構(gòu)，十字滑塊凸榫一端連接橢圓凸輪，一端連接軸套，此種結(jié)構(gòu)同軸度要求不是很高。凸輪外圓安裝有一個(gè)能彈性變形的薄壁柔性滾珠軸承，軸承內(nèi)圈固定在凸輪上，軸承外圈與柔輪的內(nèi)壁相互壓緊，柔輪是可以發(fā)生彈性變形的薄壁齒輪，柔輪與剛輪齒輪嚙合傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)變速傳動(dòng)功能。機(jī)械傳動(dòng)時(shí)軸套可通過(guò)平鍵直接連接伺服電機(jī)輸入軸，電機(jī)直驅(qū)軸套回轉(zhuǎn)，軸套驅(qū)動(dòng)十字滑塊回轉(zhuǎn)，十字滑塊驅(qū)動(dòng)橢圓凸輪回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)直驅(qū)諧波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)。

諧波發(fā)生器的作用就是迫使柔輪發(fā)生適度的彈性小變形，諧波發(fā)生器、柔輪裝配完成后，迫使柔輪的橫斷面由原本的圓形變成橢圓形，橢圓長(zhǎng)軸兩端附近的輪齒與剛輪輪齒完全嚙合，橢圓短軸兩端附近的輪齒與剛輪輪齒完全脫開，橢圓輪廓上其他部位的輪齒則處于嚙合與脫離分開的半嚙合過(guò)渡狀態(tài)。如果諧波發(fā)生器沿圖4方向連續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，柔輪的變形就連續(xù)變化，柔輪與剛輪的嚙合狀態(tài)也連續(xù)變化，嚙入-嚙合-嚙出-脫開分離-再嚙入-嚙合-嚙出-脫開分離……，循環(huán)往復(fù)，驅(qū)動(dòng)柔輪相對(duì)于諧波發(fā)生器回轉(zhuǎn)相反的方向緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減速增矩。諧波減速器工作時(shí)，剛輪固定，電機(jī)或同步帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)諧波發(fā)生器輸入轉(zhuǎn)動(dòng)，柔輪作為從動(dòng)輪輸出轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)負(fù)載工作運(yùn)動(dòng)。

3? 單元型諧波減速器機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)單元型諧波減速器

標(biāo)準(zhǔn)單元型諧波減速器外觀見圖2，具體機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖5，剛輪與柔輪齒輪嚙合傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減速增矩傳動(dòng)，諧波發(fā)生器由柔性軸承、橢圓凸輪、十字滑塊、軸套、彈性檔圈、銅片組成，采用帶軸心自動(dòng)調(diào)整功能的歐式聯(lián)軸節(jié)型結(jié)構(gòu)，軸套可通過(guò)平鍵直接連接伺服電機(jī)輸入軸，電機(jī)直驅(qū)諧波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生輸入轉(zhuǎn)動(dòng)，且同軸度要求不高。剛輪、CRB交叉滾子軸承外圈、機(jī)架用螺紋連接固定，柔輪、法蘭、CRB交叉滾子軸承內(nèi)圈、殼體法蘭用螺紋連接，通過(guò)殼體法蘭輸出運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力。

3.2 軸輸入單元型諧波減速器

軸輸入單元型諧波減速器外觀見圖2，具體機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖6，剛輪與柔輪齒輪嚙合傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減速增矩傳動(dòng)，諧波發(fā)生器由柔性軸承、橢圓凸輪等組成，采用剛性連接結(jié)構(gòu)，輸入軸直接與橢圓凸輪連接，輸入軸與橢圓凸輪裝配同軸度要求很高，輸入軸外伸端可安裝齒輪或同步帶傳動(dòng)，輸入軸必須采用兩點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，兩端各單向固定。齒輪或同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)輸入軸回轉(zhuǎn)，輸入軸驅(qū)動(dòng)橢圓凸輪回轉(zhuǎn)，諧波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)形成輸入轉(zhuǎn)動(dòng)，剛輪、CRB交叉滾子軸承內(nèi)圈、機(jī)架、軸承座1用螺紋連接固定，柔輪、CRB交叉滾子軸承外圈、工作臺(tái)、軸承座2用螺紋連接，通過(guò)工作臺(tái)輸出運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力。

綜上對(duì)諧波減速器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，諧波減速器具有良好的機(jī)械工作性能，具有顯著的使用特點(diǎn)，傳動(dòng)比大、扭矩高承載能力強(qiáng)、零側(cè)隙回轉(zhuǎn)精度高、機(jī)械效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)安靜。但諧波發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生軸向力，需要CRB交叉滾子軸承承受軸向力。

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基金項(xiàng)目：本文系浙江省高等教育“十三五”第二批教學(xué)改革研究項(xiàng)目《新工科智能制造背景下高職本科專業(yè)建設(shè)與實(shí)踐——以機(jī)械工程專業(yè)為例》（jg20190736），課題建設(shè)階段性研究成果;本文系溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)建設(shè)與研究項(xiàng)目《新工科背景下高職本科機(jī)械工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系構(gòu)建與實(shí)踐——以溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例》（WZYzd201902）課題建設(shè)階段性研究成果。

作者簡(jiǎn)介：鄭紅（1968-），女，江西南昌人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系副教授，高級(jí)工程師，碩士，主要研究與教學(xué)方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與數(shù)控工藝。