摘 要

研究目的：谐波减速器的柔轮和波发生器组件主要依靠人工装配，不仅装配精度低，成品效率低，而且劳动环境噪音巨大，不利于工人身心健康；另一方面，在装配的时候柔轮预变形程度不易掌控，稍有不适就会划伤波发生器和柔轮配合表面，影响谐波减速器的配合精度，缩短减速器寿命，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。

研究内容：首先借助3D建模软件Solidworks针对谐波减速器进行建模，对渐开线齿形和新型齿形进行了比较，发现新型齿形更利于小模数齿轮的传动。之后对谐波齿轮传动的柔轮与波发生器装配中柔轮的预变形进行了SolidWorks Simulation有限元分析，使用V形块施加3350N且过柔轮圆心的力于柔轮上，柔轮所产生的最大变形为0.5099mm，符合装配之前的预变形要求。最后对谐波减速器柔轮波发生器自动装配机进行设计建模，所得模型对于柔轮和波发生器的自动装配具有重要的指导意义。

研究结论表明：通过对自动装配机的波发生器和柔轮传送机构，分拣机构，上料机构，压装机构以及完成的装配体下料机构各个工序的设计及计算，可以自动装配波发生器和柔轮，提高装配精度，降低劳动强度。

关键词：谐波传动；柔轮；波发生器；装配；SolidWorks

Abstract

Purpose：In this paper, the three-dimensional design software Solidworks is first used to model the harmonic reducer, and the involute tooth profile and the double arc tooth profile are compared. Then, the pre-deformation of the flexible gear driven by the harmonic gear driver and the waveform generator is analyzed by SolidWorks Simulation.

The maximum deformation is 5.099e-01mm.Finally, the design and modeling of the automatic assembly machine of the flexwheel wave generator of the harmonic reducer is carried out. The designed model has great significance for the self-assembly of the flexible gear and waveform generator.The thesis mainly studies the modeling and design process of the automatic assembly machine of the harmonic gear reducer flexible wheel generator.

The results of the research show that: through the assembly of the wave generator and flexible wheel of the automatic assembly machine, the sorting of the wave generator and flexible wheel, the loading and assembling of the wave generator and flexible wheel, the construction and data calculation of each process can realize the automatic assembly of the wave generator and the flexible wheel, improve the assembly accuracy, and reduce the labor intensity.

Keywords: harmonic drive; flexible wheel; wave generator; assembly; SolidWorks

目录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内发展状况 2

1.2.1 国外发展状况 3

1.3 研究内容 4

第2章 谐波减速器的建模和有限元分析 5

2.1谐波齿轮减速器的结构及工作原理 5

2.1.1谐波齿轮减速器的结构 5

2.1.2谐波齿轮减速器的工作原理 6

2.2谐波齿轮减速器建模 7

2.2.1 XB1型谐波减速器初始数据 7

2.2.2柔轮和刚轮各项参数的确定 8

2.2.3波发生器外形设计及计算 9

2.2.4渐开线齿形柔轮的建模和渐开线与双圆弧齿形比较 11

2.3基于SolidWorks Simulation柔轮的有限元分析 13

2.4 本章小结 14

第3章 自动装配机关键工艺分析和总体设计方案选定 15

3.1装配工序分析 15

3.2谐波减速器波发生器柔轮自动装配机的方案设计 16

3.3本章小结 18

第4章 波发生器柔轮自动装配机结构设计 1

4.1波发生器柔轮自动装配机整体结构设计 1

4.2波发生器柔轮自动装配机详细结构设计 2

4.2.1波发生器、柔轮、装配体（下料）运送机构 3

4.2.2波发生器、柔轮分拣机构 5

4.2.3波发生器、柔轮上料机构 7

4.2.4压装机构 10

4.2.5装配体下料机构 11

4.3部分元件选型 11

4.3.1气缸选型 11

4.3.2波发生器上料机构的滚珠丝杠及步进电机选型 15

4.4凸轮轴校核 18

4.5本章小结 21

第5 章 结论和展望 22

绪论

谐波齿轮传动技术得益于新型齿轮理论和新型材料技术的蓬勃进步，于20世纪60年代早期，在柔性弹性形变的科学理论被各国各界广泛研究的时期，而发展起来的一项新型传动方式，这种新型传动方式是现代齿轮传动理论上取得的十分重大的突破。谐波齿轮传动技术的机械理论由苏联科学家A.И.Mocκвитин在20世纪中期发现的^[1]，C.W Musser（USA） 教授在1953年设计出可以工作的谐波齿轮减速器，在6年之后取得权威认证，之后又公开了减速器的图纸。通过实践表明，这项新型的齿轮传动方式较常见的齿轮传动方式具有便于安装、传动比大、单一构造、占用空间小、传递转矩大等一系列优点。随着技术的发展和交融，各国各界普遍关注和学习这项新型传动技术，各国学者都广泛研究这项传动技术的各种问题^[2]。

但是这项技术发展至今，谐波减速器的柔轮和波发生器组件仍然主要依靠人工装配，不仅装配精度低，成品效率低，而且劳动环境噪音巨大，不利于工人身心健康；另一方面，在装配的时候柔轮预变形程度不易掌控，稍有不适就会划伤波发生器和柔轮配合表面，影响谐波减速器的配合精度，缩短减速器寿命，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。

目的及意义

谐波齿轮减速器利用波发生器产生的机械谐波来迫使柔轮产生周期性弹性变形，它的传动原理与普通渐开线齿轮传动原理有着巨大的差异，它是通过错齿运动来传递位移和转矩，它是一种的新型机械传动方式。不同于建立在刚体力学基础上的传统齿轮传动，它依靠弹性变形来使柔性构件与刚性构件产生差速运动来实现高效传动，从而获得了很多其他传统的传动方式没有的优点和功能，正在广泛应用于现代工业的方方面面。谐波齿轮通常都是小模数齿轮，最早的谐波减速器所使用的齿形是渐开线齿形，但渐开线齿形易发生干涉，不利于小模数齿轮的传动，现在制造谐波减速器的企业大多采用其他新型齿形，例如双圆弧齿形。由于谐波齿轮传动属于内啮合，轮齿模数非常小，因此谐波齿轮传动装置大多体积小巧，适用于空间狭小但需要高转矩高精度的场合。目前，谐波齿轮传动技术已被广泛的应用于仿生机械、航天火箭、人形机器人、太阳能收集、工业机器人、船舶制造、无人汽车、人工智能、工业互联网、自动化仪器、重型机械装备、雷达设备、陆基战车、国防武器等各个高端工业领域，并且已经开始标准化得生产谐波齿轮减速器。由于体积小巧，质量轻，转动精度高等诸多优点，谐波齿轮传动大多安装在机器人的关节部位，应用量已超过总量的60％^[3]。

表1.1 谐波减速器的优缺点

其中三大主要的部件装配而成为谐波齿轮减速器，它们分别是柔轮、波发生器以及刚轮。可以固定住三大构件中的任意一个，驱动其余两大构件中一个，另外一个就会产生相对运动，由于柔轮刚轮齿数不变，这样传动比就不变，从而实现固定减速传动或固定增速传动，同样也可以使其中俩个构件作为输入端，另外一个作为输出端，也就产生了差动传动^[4]。谐波减速器的波发生器与柔轮的装配是谐波齿轮减速器装配的关键，同时柔轮也是减速器的关键部件之一，但由于波发生器外形为椭圆形状，柔轮自然状态下外形为圆形，二者装配难度较大，所以目前谐波减速器柔轮和波发生器组件主要依靠人工装配，劳动效率低，装配精度差，成品率不高。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内发展状况

我国的孙伟工程师于二十世纪六十年代将谐波齿轮传动技术引入我国，此后我国国内科学界也积极开展对于这项新型技术的科研工作，经过近几十年的发展，我国的谐波减速器行业逐渐进入世界先进水平。1964年在上海成功制造出可以运转的谐波减速器，1972年谐波减速器新型柔性齿轮面世，之后又于1978年《谐波齿轮传动》专业丛书出版，它由沈允文等学者编写。谐波减速器在最开始研究的目的是为了满足国防需要，之后逐渐转为民用，在军民融合的进程中，国家标准619－621(GB/T14118－93)《谐波传动减速器》在1993年颁布，之后又有其他国家标准颁布，极大促进了行业的发展。发展几十年至今，我国已发展有北京中技克美谐波传动有限责任公司、苏州绿的谐波传动科技有限公司等为代表国产公司，这些生产单位对谐波传动的原理和制造进行了详细的研究和探索，雷达兵器和其他重型、精密产业已经在很长一段时间里都在使用国产系列化谐波减速器，甚至有些精密的产品已经打开海外市场，出口国外，为我国谐波传动技术的研究和推广应用打下了较为坚实的基础^[3]。

关于谐波齿轮波发生器与柔轮之间的装配，国内尚处于人工装配的阶段，装配精度低，工人的劳动强度大，效率也不高，但是关于轴承的装配自动化程度很高，上世纪90年代以后，随着国内轴承行业的蓬勃发展，全国各地轴承厂如雨后春笋一样纷纷建厂，为了提高装配轴承的生产效率，人们开始重视轴承装配作业的机械化、自动化生产。有的工厂开始摒弃人工装配，引进国外先进的自动装配机，降低成本，提高效率；有的高等院校及科研院所参考国外的装配机，自主研发国产装配机；有的大型企业特别是北京、上海及广州资本雄厚的民营轴承企业开始学习国外的先进技术，与高校合作，共同制造可以投入生产的自动装配机^[6]。

西安海红轴承厂自行设计研制并建成了一条深沟球轴承装配生产线，实现了装前检查、分拣、运送、上料和装配等一系列装配的自动化动作，大大提高了滚动轴承装配质量^[5]。

钱潮轴承于2005年新建的深沟球轴承和角接触球轴承装配线，使用的是国产新技术，上料、装配、下料等一系列动作由各个机构自动完成，极大提高了轴承装配的精度和生产效率。

1.2.1 国外发展状况

谐波齿轮传动从最开始就得到了美国的广泛关注，美国国家航空航天管理局路易斯研究中心、麻省理工学院(MIT)等十几个高等院校和科研机构都开始了谐波传动的科研探索。他们将研究成果交给公司制造，在这其中资本最为雄厚的USM公司制造了既可以用于军事用途，又可以用于民间的一系列谐波传动减速器。早在20世纪60年代初期，该公司就可以制造一系列转矩不同、结构不同、尺寸不同的谐波减速器，这些减速器的订单被民间的企业抢购一空。20世纪80年代初，有研究机构表明，该公司已经制造了近万余谐波减速器，涉及了十多个系列的类型。之后日本的Harmonic Drive Systems Inc．(哈默纳科)公司收购了USM公司涉及谐波减速器的部门，从那时候开始，日本的谐波减速器行业领先于世界之上，哈默纳科公司也成为世界谐波减速器研究和制造的龙头公司。到目前为止，美国并未放弃这项技术的研究，他们已经将谐波减速器的精度发展至纳米级，这门技术广泛应用于航空航天、精密测量、机器人等高精度行业中，并拿到了纳米级谐波减速器的专利权^[7]。

苏联紧随美国的步伐，迅速展开了对谐波齿轮传动技术的研究。苏联在本国的列宁格勒高精度机械设备研究所、莫斯科罗蒙诺索夫大学和莫斯科国立大学等高等院校和科研机构对谐波减速器进行了非常深入的探索和研究，对谐波齿轮传动技术提出了许多创新性的看法和结论，之后交由本国国企进行制造。并且提出了采用双圆弧齿形的谐波传动轮齿，并在美日等国进行了广泛应用。