双刚轮谐波齿轮减速器运动仿真开题报告

全文总字数：4547字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究意义

谐波齿轮传动是齿轮传动中的一种，主要由波发生器、柔轮与刚轮三大件构成如 图 1.1 所示，1955 年美国 C.W. Musser 发明制造了世界上第一台谐波减速器并在 1959 年 取得了发明专利。由于谐波齿轮传动较一般行星齿轮、圆柱齿轮、摆线针齿轮传动具 有定位精度高、重复性好、传动比大、重量和尺寸小、惯性矩小、可靠性高等一系列 优点，故这种新型传动方式很快在工业机器人、航空航天、医疗器械、电子设备、汽车、造船、能源、精密机床、光学仪器等诸多领域得到了广泛应用。

近年来，全球工业机器人产业蓬勃发展，与此同时，工业机器人用精密减速器市场的需求规模也呈现较大规模的增长。然而国内的工业机器人用精密谐波减速器市场却被日本Harmonic Drive Systems Inc.公司高度垄断，该公司占据了精密谐波减速器的主要市场份额。反观国内，尽管近年来我国加大了对谐波减速器的研发力度，北京中技克美和苏州绿的公司在核心技术上有所突破，但减速器在精度、寿命等性能指标上与日本产品仍存在较大差距，导致在很多情况下，包括国产机器人在内的机器人厂商首选的仍然是日本的谐波减速器产品。

在减速比和刚轮外径相同的情况下，日本Harmonic公司的产品有更短的轴向尺寸，在主要性能指标上，国产产品与日本Harmonic的产品也存在一定差距，特别是在设计寿命上，差距巨大，就目前而言，国产谐波减速器产品暂时还无法完全替代国外产品。由于高性能的谐波减速器只有国外几家公司能够量产，并且谐波减速器利润巨大，因此国外公司对谐波减速器的相关技术完全封锁，使得我国的机器人厂商为采购谐波减速器付出了高昂的价格，直接导致我国工业机器人本体的生产成本居高不下，严重阻碍了我国工业机器人国产自主品牌的发展，因此突破谐波减速器的关键技术瓶颈迫在眉睫，自主研究开发高性能的国产谐波减速器具有重要意义。

1.2国内外发展现状

谐波齿轮从1959年被Musse:提出起，己经历了数十年的发展历程。日本、美国、德国等发达国家都存在许多研究机构对这种新型传动装置进行研制。至今，在谐波传动中涉及到的啮合理论、齿形优化、振动噪声、失效机理、疲劳分析及寿命提升技术等一系列领域都有了不同程度的研究，每年都有数百篇相关论文及著作发表。对于谐波传动，目前己有许多设计方法和经验公式可以借鉴。但是，在谐波传动中包含了刚柔祸合、接触问题，导致每个齿的接触和变形状态非常复杂，因此，目前对谐波减速器及谐波传动系统的研究还有许多工作要进行。结合本课题研究内容，对谐波齿轮传动系统的数个方面的研究资料进行了调研，主要对以下几方面国内外研究现状进行简述。

目前，许多精度要求高的场合使用的多为从日本、德国等国家进口精密谐波减速器。在进口产品中，日本Harmonic Driver公司和德国Harmonic Drive AG公司生产的谐波减速器性能比较优越。国内产品中，苏州绿的谐波科技有限公司生产的谐波减速器性能较好。

在性能参数相差无几的情况下，日本Harmonic Drive公司生产的谐波减速器具有更小的外形，因此需要的安装空间更小，在体积、重量上都具有优势。设计寿命一项，国内产品远超国外产品，原因可能是计算方法有不同。日本Harmonic Drive公司谐波减速器的设计寿命是减速器在额定转速和额定转矩下，达到10%破损率时的使用寿命，苏州绿的谐波则未公布其设计寿命算法。实际国内产品实际寿命及跑合一段时间后的精度并不如国外产品。

国内产品结构类型基本与国外相同，柔轮筒体形状均有杯型、礼帽型、薄饼型这3种结构;减速比范围上，国内外产品的减速比范围均为30~160;额定转矩范围上，日本HD公司产品比国内产品有非常大的优势;从外径范围和厚度范围上，日本HD谐波减速器比国内产品有体积涵盖范围更广，可以适应更多的安装环境。由此可见，国内产品谱系有待完善，更多种类的谐波减速器函待开发。

1.3研究目的

随着人们对谐波齿轮传动的研究深入，工业界出现了越来越多的谐波齿轮传动结构变体，以满足广泛的应用。在这种情况下，双谐波传动（double harmonic transmission，DHT）应运而生。这种变速器的特殊性在于柔性齿轮的结构，柔轮两端都设有齿，一端的齿位于柔轮的外表面，另一端的齿位于柔轮的内表面。对于双刚轮谐波减速器应用形式有三种：（1）固定件为刚轮，（2）固定件为柔轮，（3）固定件为波发生器，其中最为常见的是第一种，本论文研究目标也为这种。对双刚轮谐波齿轮减速器运用逆向工程，推导双刚轮谐波齿轮减速器的设计计算过程，然后对双刚轮谐波齿轮减速器进行运动仿真，以便对其进行进一步的研究。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计基本内容

1. 查阅15篇相关文献（含2篇外文），完成开题报告；

2. 完成与选题相关的不少于2万英文（5000汉字）印刷符文献翻译并装订成册（中英文一起，带封面）；

3. 熟悉双刚轮谐波齿轮减速器技术及应用；

4. 对提供的谐波楚论减速器的尺寸，啮合应力等进行分析，运用所学知识及公式进一步拆解理解各组件之间的关系以及设计相关原理；

5. 通过逆向工程，推导出双刚轮谐波齿轮减速器的设计计算过程；

6. 学习并熟练掌握3ds max的运用，可以对谐波齿轮进行3d建模；

7. 运用3ds max软件对双刚轮谐波齿轮减速器进行运动仿真；

8. 完成12000字以上的毕业论文；

2.2研究目标

双谐波传动结构如图2.1所示，其内容包括：波发生器，柔轮，刚轮S，刚轮D。柔性齿轮为薄壁短圆管形状，两端开口，每端有一个冠齿轮，分别外齿轮和内齿轮。

图2.1 双刚轮谐波减速器的结构

双谐波传动的工作原理与单谐波传动相似。通过将波发生器安装在柔性齿轮内，剖面呈椭圆形的波发生器转动使得柔轮产生变形，柔轮将具有四个等距的90°啮合区。在波发生器的作用下，在与椭圆长轴相对应的径向区域内，柔轮的外齿将与固定刚轮的内齿啮合。在柔轮的另一端上，在与椭圆端轴相对应的径向区域内，柔轮的内齿将与活动刚轮的外齿啮合。谐波减速器采用双刚轮结构，刚轮直接输出，所以结构更加紧凑。

对已有的双刚轮谐波齿轮减速器装配图进行研究，依据设计理论通过逆向工程推导双刚轮谐波齿轮减速器的设计计算过程。然后通过已知数据带入带3ds max对此双刚轮谐波齿轮减速器的初期建模并重新设计双刚轮谐波齿轮减速器，最终对其的各个组成部分使用3ds max进行完全建模，并对双刚轮谐波齿轮减速器的运动情况进行仿真。

2.3拟采用的技术方案

整理分析双刚轮谐波齿轮减速器的设计原理以及研究资料，通过对已有的双刚轮谐波齿轮减速器进行分析研究，得到其设计原理和相关公式，然后要设计仿真的对双刚轮谐波齿轮减速器的各个部件：波发生器，柔性齿轮，固定刚性，活动刚轮的示意图（如图2.2所示）装配图（如图2.3所示）中的具体参数进行计算解析，通过设计原理和逆向工程运用公式和所学知识推导出设计计算过程。最后对双刚轮谐波齿轮减速器使用3ds max进行最终建模并对谐波齿轮减速器的实际运动情况进行逐步仿真。

图2.2双刚轮谐波齿轮减速器示意图

图2.3双刚轮谐波齿轮减速器装配示意图

3. 研究计划与安排

3．进度安排

第1周：熟悉课题，搜集整理相关资料，查阅文献；

第2周：选定与选题相关的外文文献并完成文献翻译工作；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]付志华. 谐波减速器动力学仿真分析[d]. 福建：厦门大学, 2017.

[2]m.h.伊万诺夫著，沈允文，李克美译.谐波齿轮传动[m].北京:国防工业出版社，1987.

[3]沈允文，叶庆泰.谐波齿轮传动的理论与设计[m].北京:机械工业出版社，1985.