摘 要

近年来人型机器人崭露头角且得到蓬勃发展，而谐波减速器在机器人关节部分起到关键作用，故需求量不断增大，同时短筒谐波减速器因为其结构轻量紧凑，追求超薄，而且继承传统谐波减速器的优良性能等优点，得以满足机器人市场对性能的需求。但世界上谐波减速器自主生产研发的市场基本都被日本和美国垄断，我国在这方面的研制还相对落后。本文结合校合作项目“机器人用高精度高寿命谐波减速器研发及产业化”，使用MATLAB和有限元分析软件等设计了一种双圆弧齿形的短筒谐波减速器，意为项目短筒谐波减速器的设计提供技术支撑和研究思路。

本文先介绍谐波减速器的工作原理并进行运动学分析，然后使用MATLAB软件，基于包络理论法编程得到共轭齿廓。根据短筒谐波减速器的选型设计柔轮、刚轮和波发生器并使用Solidworks软件实体建模。最后使用Abaqus软件对短筒谐波减速器进行分析，判断柔轮应力、变形和位移的合理性。

关键词：短筒；双圆弧；齿廓设计；有限元分析；谐波减速器

Abstract

In recent years, human-type robots have emerged and flourished, and harmonic reducers play a key role in the joints of robots. Therefore, the demand is increasing, and the short-tube harmonic reducers are ultra-thin due to their light weight and compact structure. Moreover, it inherits the advantages of the traditional harmonic reducer and the performance of the robot to meet the performance requirements of the robot market. However, the market for independent production and research of harmonic reducers in the world has been basically monopolized by Japan and the United States, and China's development in this area is still relatively backward. This paper combines the school cooperation project "Development and industrialization of high-precision and high-life harmonic reducer for robots", and designs a double-arc toothed short-tube harmonic reducer using MATLAB and finite element analysis software. The design of the short harmonic reducer provides technical support and research ideas.

This paper first introduces the working principle of the harmonic reducer, performs kinematic analysis on the harmonic gear drive, and then uses the MATLAB software to program the conjugate tooth profile based on the envelope theory method. The flexible wheel, the rigid wheel and the wave generator were designed according to the selection of the short-tube harmonic reducer and solid modeling using Solidworks software. Finally, the Abaqus software is used to analyze the short-tube harmonic reducer to judge the rationality of the soft wheel stress, deformation and displacement.

Key Words: short-tube; double arc; tooth profile design; finite element analysis; harmonic reducers

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1应用方向和前景 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1柔轮齿形的研究 3

1.2.2柔轮几何结构及参数研究 5

1.2.3啮合共轭原理研究 8

1.2.4其他方面的研究 9

1.3本课题的意义 11

1.3.1课题来源 11

1.3.2研究内容 11

第2章 短筒谐波减速机齿廓设计 12

2.1谐波齿轮传动的工作原理 12

2.1.1谐波齿轮传动的结构 12

2.1.2谐波齿轮传动的分类 13

2.2谐波齿轮传动运动学分析 15

2.2.1运动学假设 15

2.2.2波发生器轮廓方程 15

2.2.3柔轮变形方程 16

2.3谐波传动共轭理论及共轭齿廓求解 18

2.3.1共轭理论 18

2.3.2公切线式双圆弧柔轮齿廓设计 19

2.3.3刚轮共轭齿廓求解 21

2.4本章小结 23

第3章 短筒谐波减速器模型的建立 24

3.1刚轮、柔轮与波发生器结构尺寸 24

3.1.1柔轮基本结构形式 24

3.1.2柔轮几何结构尺寸 25

3.2波发生器结构设计 25

3.3刚轮结构设计 26

3.4短筒谐波减速器三维模型的建立 27

3.5本章小结 30

第4章 短筒谐波减速机有限元分析 31

4.1有限元软件介绍 31

4.2短筒谐波减速机有限元建模 31

4.2.1模型导入 31

4.2.2网格划分 32

4.2.3材料属性及单位制 34

4.2.4接触设置及边界条件 34

4.3柔轮装配和啮合有限元分析 36

4.3.1柔轮装配过程分析 36

4.3.2柔轮啮合过程分析 41

4.4本章小结 42

第5章 经济性与环保性分析 43

5.1经济性分析 43

5.2 环保性分析 43

第6章 结论 44

致谢 45

参考文献 46

附件：MATLAB编程程序 48

第1章 绪论

1.1应用方向和前景

谐波齿轮传动的出现是以航空领域的发展为背景的，谐波齿轮传动是一种新型精密传动，与一般的齿轮传动相比，具有传动比大、质量轻、体积小、同轴性好、精度高等优点^[1]，谐波齿轮传动一经发明，便在工业机器人、航空航天设备、医疗器械、能源等方面得到广泛应用。而且谐波齿轮传动能在密闭空间传递运动，这一点在工作空间条件方面展现了极大的优势。但是柔轮在使用过程中因为不断地发生非线性弹性变形，故材料的疲劳损坏问题需要引起注意^[2]。

在工业机器人领域，谐波减速器占整机成本的30%以上而且是关键部件，但是国内工业机器人用精密谐波减速器方面因为研究起步晚，技术不成熟，做不到自给自足，同时精密谐波减速器的市场基本上被日本的Harmonic Drive公司所垄断，这也限制了我国的工业机器人的发展^[1]。实际上世界范围内拥有自主研发谐波减速器能力的公司也很稀少，所以谐波减速器的优化设计及技术突破对于我国工业及工业机器人的发展来说十分重要。

航空航天领域是谐波减速器得到广泛应用的一个领域，因为谐波减速器的许多特点满足了航天机构减速器的使用要求。故将其用在了许多空间机构中，比如月球车、空间机械臂、空间太阳能帆板等 ^[3]。