目录 摘 要............................................................................................................................................... 1 1 概述 . .......................................................................................................................................... 1 1.1 谐波齿轮传动的发展历史 . ............................................................................................. 1 1.2 谐波齿轮传动的特点 . ..................................................................................................... 3 2 谐波齿轮传动的基本原理 . ........................................................................................................ 4 2.1 谐波齿轮传动的组成 . ..................................................................................................... 4 2.2 谐波齿轮传动的工作原理 . ............................................................................................. 5 3 谐波齿轮传动的分类 . ................................................................................................................ 6 4 波发生器的设计 . ........................................................................................................................ 9 4.1 基本设计原理 . ............................................................................................................... 9 4.2 气缸的选择与计算 . ..................................................................................................... 10 4.3 气缸和底盘的连接件的设计 . ..................................................................................... 12 4.4 波发生器和柔轮的接触滚轮的设计 . ........................................................................ 13 4.5 气缸安装底盘的设计 . ................................................................................................. 13 4.6 气动波发生器的控制系统 . ......................................................................................... 14 5 结论 . .......................................................................................................................................... 17 6 参考文献 . .................................................................................................................................. 17 7 致谢 . .......................................................................................................................................... 18 摘 要 谐波齿轮传动技术是20世纪50年代后期随航天技术的发展而产生的一种新型传动技术。这种新型传动一出现就显示了它的优越性能。由于具有结构简单、体积小、重量倾、噪声低、承载能力高、传动精度和传动效率高、特别是可以向密封空间传递运动和动力等许多独特的优点。目前，在谐波传动中，应用最为广泛的是双波谐波齿轮传动，其发生器形式有凸轮式、圆盘式、两滚子式、以及行星式等。这些波发生器的特点在于：发生器的长轴尺寸保持不变，长轴的调节必须在不工作时进行而且波发生器基本上为刚性。因此，有必要实现一种在谐波传动连续工作中使柔轮与刚轮紧密接触的方法及弹性波发生器。结合传动技术和谐波齿轮传动技术，设计和研究了一种全新的气动波发生器，并以4组气缸构建了气动波发生器的工作原理模型，进而设计出了气动波发生器的纯气动控制系统。气动波发生器的研究对谐波齿轮传动技术应用推广具有很大地促进作用。随着谐波齿轮技术的推广和应用，不断对其提出了新的要求。因此，有必要对前人的研究成果进行总结，以指导更深入的研究工作。 关键词：谐波齿轮； 气动；波发生器 1 概述 1.1 谐波齿轮传动的发展历史 谐波齿轮传动是上世纪50年代随航天技术的发展而产生的一种新的传动 技术。在谐波传动出现后短短的几十年中，世界各工业比较发达的国家都集中了一批研究力量致力于这类新型传动技术的研究。如美国就有国家航空航天管理局路易斯研究中心、空间技术实验室、USM 公司、贝尔航空空间公司、肯尼亚空间中心（KSC ）、麻省理工学院（MIT ）、通用电气GE 公司等几十个大型公司和研究中心从事这方面的研究工作。前苏联从上世纪60年代初期开始，也大力开展了这方面的研究工作，如前苏联机械研究所、莫斯科鲍曼工业大学、列宁格勒光学精密机械研究所、全苏减速器研究所、基也父减速器厂和莫斯科建筑工程学院等单位都大力看展了谐波传动的研究工作。他们在该领域进行了较系统、深入的基础理论和试验研究，在谐波传动的类型、结构、应用等方面有较大发展。日本长谷川齿轮株式会社等有关企业，自1970年开始，从美国引进USM 公司的全套技术资料，成立了谐波传动株式会社，目前除能大批生产各种类型的谐波传动装置外，还完成了通用谐波传动标准化、系列化工作。值得注意的是西欧一些国家，如德国、法国、英国、瑞士、瑞典、及意大利等国，都开展了谐波传动的基础理论进行系统的研究，而且把谐波传动应用在卫星、机器人、数控机床等领域。 谐波齿轮传动技术于1961年由上海纺织研究院的孙伟工程师引入我国。此后，我国也积极引进并研究发展该项技术，1983年成立了谐波齿轮传动研究室，1984年“谐波减速器标准系列产品”在北京通过鉴定，1993年制定了GB/T1411-93谐波传动减速器标准，并且在理论研究、试制和应用方面取得了较大的成绩，成为掌握该项技术的国家之一。到目前为止，我国已有北京谐波传动技术研究所、北京中技克美有限责任公司、燕山大学、郑州机械研究所、北方精密机械研究所等几十家单位从事这方面的研究和产品生产，为我国谐波传动技术的研究和推广应用打下了较坚实的基础。 1.2 谐波齿轮传动的特点 1．主要优点 （1）结构简单，零件少，体积小，重量轻。与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少50%，体积和重量均减少1/3左右或更多。 （2）传动比大，传动比范围广。 单级谐波减速器传动比可在50～300，优选在75～250之间； 双级谐波减速器传动比可在3000～60000之间； 复波谐波减速器传动比可在200～140000之间。 （3）由于同时啮合的齿数多，齿面相对滑动速度低，使其承载能力高、传动平稳且精度高、噪音低。 （4）谐波齿轮传动的回差较小，齿侧间隙可以调整，甚至可实现零侧隙传动。 （5）在采用如电磁波发生器或圆盘波发生器等结构型式时，可获得较小转动惯量。 （6）谐波齿轮传动还可以向密封空间传递运动和动力，采用密封轮谐波传动减速装置，可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空间的机构。 （7）传动效率较高，且在传动比很大的情况下，仍具有较高的效率。 2．主要缺点 （1）柔轮周期性变形，工作情况恶劣，从而易于疲劳损坏。 （2）柔轮和波发生器的制造难度较大，需要专门设备，给单件生产和维修造成了困难。 （3）传动比的下限值高，齿数不能太少，当波发生器为主动时，传动比一般不能小于35。 （4）起动力矩大。 近年来谐波齿轮传动技术发展十分迅速，应用日益广泛。在机械制造、冶金、发电设备、矿山、造船及国防工业（如宇航技术、雷达装置等）中都得到了广泛应用。 2 谐波齿轮传动的基本原理 2.1 谐波齿轮传动的组成 谐波齿轮传动由三个基本构件组成：波发生器H ，作为挠性构件的柔轮1和刚轮2（如图1）。在未装配前，柔轮的原始剖面呈圆形，柔轮和刚轮的周节相同，但柔轮的齿数Z 1比刚轮齿数Z 2略少，而波发生器的最大直径比柔轮内圆直径略大。把波发生器装入柔轮内时，迫使柔轮产生变形。在其长轴两端的齿恰好与刚轮齿完全啮合，短轴处的齿则完全脱开；而处于波发生器长轴与短轴之间沿周长不同区段内的齿，则处于某些啮入或某些啮出的不同过渡状态。当波发生器沿着图示箭头方向旋转时，利用波发生器所控制的柔轮的变形部位的改变，传递齿合运动。 图1 谐波齿轮传动简图 在传动过程中，波发生器转一圈，柔轮上某点变形的循环次数，称为波数U 。如图1所示，乃系采用双触头波发生器的谐波齿轮传动，因变形后，柔轮上 各点相对于未变形柔轮的运动，在以变形长轴为起点展开后，近似呈一具有两个全波的余弦曲线，故称双波传动。余则类推，可有单波，三波，……，等等。考虑到柔轮的疲劳寿命和传动的结构尺寸，一般波数不大于3。 谐波齿轮传动可以作为行星型或差动型。一般情况下，为了在有一个输入运动时能获得确定的输出运动，在三个构件中，必须有一个构件是固定的，即构成了所谓行星型机构。三构件中的其余两个，一个若为主动，另一个即为从动，其相互关系，根据需要可以互易；有时，为了满足某种使用要求，亦可做成三个构件均不固定的差动型机构，以用于将两个输入运动合成一确定的输出运动，或将一个输入运动分解为两个不确定的输出运动。 2.2 谐波齿轮传动的工作原理 前已指出，由于谐波齿轮传动中存在这可通过波发生器使之产生可控的弹性变形波的挠性控件，因而其在传动机理上存在着与一般传动相区别的特殊本质。与一般传动相区别，谐波齿轮传动的运动转换，是依靠扰性控件的弹性变形来实现的，这种运动转换原理称为变形原理，而一般传动的运动转换则仅是按照杠杆原理或斜面原理来实现的。 谐波传动的原理，就是把它转化为连续作用并具有定传动比的机构，扩展而来的。为了阐明谐波齿轮传动中的运动转换关系，我们必须首先研究，在转动波发生器迫使柔轮产生变形的情况下，柔轮上各点的运动。由于柔轮的机构与弹性壳体十分类似，因而可把柔轮作为弹性薄壳来进行讨论。 必须指出，在其长轴两端的齿与刚轮齿完全啮合，而在短轴处的齿与刚轮齿完全脱开。故当波发生器连续旋转时，利用柔轮变形部位的变化，使得啮合，啮合，啮出，脱开这四种状态不断改变，从而传递啮合运动。当将刚轮固定，波发生器主动，而柔轮从动时，从相对运动原理不难证明，柔轮中线上任一点的运动轨迹近似呈一内摆线，且柔轮的转向与波发生器的转向相反。 由上面的分析可知，谐波齿轮传动的工作原理是巧妙利用了挠性构件的弹 性变形以达到运动转换的目的。因为根据弹性壳体理论，当柔轮变形时，其径向位移必将伴随着产生切向位移，从而实现了位移之间的运动转换。 3 谐波齿轮传动的分类 谐波齿轮传动主要有四种分类方法，即按啮合类型、波数、波发生器与柔轮相互作用和波发生器的配置方式进行分类 1. 按啮合类型可分为 （1） 径向啮合式谐波齿轮传动其特点是轮齿沿着圆柱形柔轮和刚轮的母 线方向配置，因而与传动的回转轴线相平行，故属平面啮合类型。这类传动是目前应用最广的。 （2） 端面啮合式谐波齿轮传动其特点是柔轮为一具有端面齿的圆盘，其与 分度圆锥角接近于90度的刚性锥形齿轮相啮合，是一种属于空间啮 合类型的传动。这类传动轴向尺寸较小，而柔轮的扭转刚度甚大。 2. 按变形波数可分为 （1） 单波(U=1传动(如图2a 它是一种刚轮齿数与柔轮齿数之差为1的谐 波齿轮传动[21,82,23]，在国内外均研究得较少。过去曾经有人把它与一齿差渐开线行星齿轮传动和摆线针轮传动简单地等同起来，这种观点显然是片面的。单波传动不仅具有谐波齿轮传动所具有的一切优点，而且在传动比和模数相同的情况下，其径向尺寸分别比双波和三波传动小一倍到两倍。这种传动，对于传动精度、回差、承载能力要求较高，而且又必须大大较小其尺寸和重量的情况下的驱动机构来 说，具有特殊的意义。对于由柔轮变形不对称所引起的齿形和波发生器凸轮廓线的设计与加工的困难，以及结构上的一些问题，目前均已基本得到解决； （2） 双波(U=2传动(如图1 其齿数差为2。 单波a 三波b 图2传动简图 由于柔轮中应力较小，结构比较简单，且易于获得大的传动比，因而是目前最常用的一种； (3三波(U=3传动(如图2b 其齿数差为3。 这种传动的元件虽然对中性好，偏心误差较小，但是在相同的传动比和模数的情况下，径向尺寸比上两种传动都大；采用凸轮式波发生器时，波发生器凸轮廓线的加工复杂；同时由于柔轮中的应力较大（约比双波传动大两倍）和波发生器转一圈时，柔轮反复弯曲的次数增加，因而对柔轮的疲劳寿命提出了较高的要求。故一般情况下，这种传动应用较少。 这三种传动所采用的波发生器，根据柔轮变形特征的不同，可分为柔轮变形形状不完全确定的波发生器（以下称自由变形型波发生器）和柔轮变形形状严格确定的波发生器（以下称固定变形型波发生器）。自由变形波发生器的变形力仅作用在柔轮变形的波顶上或与波顶呈某一夹角的对称点上，而柔轮上的其他点由于不受波发生器的约束，因而可以自由变形。例如，双滚轮波发生器和四滚轮波发生器均属之。采用这类波发生器的传动，其承载能力较差，啮合精度也较低。固定变形型波发生器，由于在其柔轮的整个工作区段上控制了柔轮的变形，以获得所需柔轮的变形形状，故啮合精度高，承载能力亦大。例如， 双圆盘波发生器和凸轮式波发生器即属此类。 3. 按波发生器和柔轮相互作用原理的不同可分为 （1） 依靠波发生器与柔轮之间的机械连系以产生相互作用的传动。例如， 机械波发生器（常用的由触头型、双圆盘型和采用柔性轴承的凸轮型波发生器等），液压波发生器和气动波发生器等，均籍机械力使柔轮 产生移动的可控弹性变形波以实现啮合运动的传递； （2） 依靠波发生器与柔轮之间的电磁耦合以产生相互作用的传动。这时， 柔轮的变形力是由均匀配置在柔轮圆周上的线圈连续被激励而形成 的旋转磁场产生的，这就是通常所谓具有电磁波发生器的谐波齿轮传 动。 图3 具有外式波发生器的谐波齿轮传动 4. 按波发生器相对于柔轮的配置可分为 （1） 内式波发生器(如图1 ； （2） 外式波发生器(如图3 。 由于外式波发生器的传动，比具有内式波发生器的传动的结构尺寸大，转动惯量大，不宜用于高速。当采用固定型变形波发生器时，椭圆形的内孔加工较为困难，故一般均采用内式波发生器的传动。外式波发生器一般只用在个别 情况（如由于结构上的原因或传动的中心部位需穿过或安装其他元件时）或其他类型的谐波传动（如谐波螺旋传动）。 4 波发生器的设计 4.1基本设计原理 这次要设计波发生器的方案改变了传统的齿轮转动方式，用气缸的有规律循环伸缩来代替了齿轮运动的轨迹。如下图4所示： 图4 波发生器长轴两端处的柔轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮完全脱开； 在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态， 称为啮出。 由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这种4情况依次变化，循环不己。因此形成一个椭圆运动轨迹，从而代替了齿轮转动。 4.2 气缸的选择与计算 这次的气动谐波传动设计方案和计算出的活塞直径所选择的气缸是SMC 的标准型气缸CM2系列，缸径为直径40MM 的气缸。具体内容如下：根据任务的要求，也就是负载力为200N, 气源压力为0.6Mpa 。根据气缸的伸出和缩回的公式：F 1=π/4×（D2-d2）×p 其中F 0为200N ，P 为0.6Mpa ，η=F0/F1×100%。所以代入公式计算出气缸的活塞直径D 为40MM 。 如下图5所示： 图 5 4.3气缸和底盘的连接件的设计 根据前面所选择的气缸尺寸，对连接气缸部件设计如下图6所示： 图6 连接件 上图所设计的连接键是连接气缸与底盘的部位，用于固定气缸在底盘的位置。 4.4 波发生器和柔轮的接触滚轮的设计 如下图7所示 图 7 接触滚轮 上图所设计的是连接滚轮，是用于连接气缸伸出部位的顶部。 4.5 气缸安装底盘的设计 根据前面所知道气缸的尺寸和行程，还有连接键的尺寸，所以设计出的底盘，如下图8所示。 图8 底盘 4.6 气动波发生器的控制系统 根据波发生器的工作原理及特点可知，气动波发生器中只是要求气缸的伸出推力而对缩回的拉力没有要求，因此，在气动波发生器中，气缸可选择符合NFPA 标准的大缸径短行程预缩型单作用气缸来满足推力要求和形成符合谐波齿轮传动中波发生器的标准椭圆轨迹曲线。单作用气缸的伸出的位置，可由磁性开关（可选用FESTO 公司型号为LD13）或者2位3通行程阀来检测。本控制系统采用2位3通行程阀来检测单作用气缸伸出位置，可简化控制系统的能源供给系统，只需气源系统即可，避免使用电源，使采用气动波发生器的谐波齿轮系统可用于危险易爆系统和环境。 如果用A 、B 、C 、D 表示气动波发生器中4组气缸，并且＋表示气缸伸出，－表示气缸缩回，则气动波发生器控制系统的位移－步骤图，如下图9所示, 图中的横坐标表示步骤，纵坐标表示位移（气缸的动作）。位移―步骤图描述了气动控制系统中执行元件的状态随控制步骤的变化规律[7]。 图 9 气动波发生器气动控制系统位移－步骤图 控制回路的设计 根据气动波发生器气动控制系统位移－步骤图，可以得出其的工作顺序运 动过程如下图 10 所示，其中 1S1 表示波发生器启动开关。 图 10 气动波发生器逆时针旋转运动流程图 根据气动波发生器气动控制系统位移－步骤图以及运动流程图，可以设计 出气动波发生器气动控制系统，如下图 11 所示。按下启动开关 11 号换向阀， 气动波发生器即开始按照节拍依次逆时针旋转运动运动， 松开启动开关 11 号换 向阀，气动波发生器停止运动，各个气缸处于缩回状态即气动波发生器处于初 始状态。 15 图 11 气动波发生器气动控制原理回路图 1～4.预缩型单作用气缸 5～8.二位三通双气控换向阀 9.二位三通带定位手动按钮阀 10. 梭阀 11. 二位三通手动按钮阀 12～15.预缩型单作用气缸伸出位置行程阀 16.气动二 联件 17.气源系统 16 5 结论 本文研究与设计的是结合气动传动技术和谐波齿轮传动研制的一种气动形弹性波发生 器，解决谐波传动技术中零件加工难度较大和成本较高，以实现低成本高精度要求，目前 要广泛应用它还存在一定的困难，它只有在严谨地研究和选择气体参数、发生器上小孔的 尺寸和配置、 波发生器工作面的形状和柔轮形状等一系列问题的基础上， 逐步地加以解决。 6 [1] [2] [3] 参考文献 沈允文,叶庆泰. 谐波齿轮传动的理论和设计. 北京:机械工业出版社,1985 姜世平,陈谌闻等. 谐波齿轮传动中柔轮载荷分布规律分析研究.机械设计,2001 M. H. 伊万诺夫著,沈允文,李克美译,王洪星校. 谐波齿轮传动. 北京:国防工业出 版社,1987 [4] [5] [6] 范又功,曹炳和编著. 谐波齿轮传动技术手册. 北京:国防工业出版社,1995 王桥医. 谐波传动柔轮结构的优化设计. 包装工程,1998 (1 ,1(1 :42～45 姜世平,陈谌闻,宋延辉等. 谐波齿轮传动中柔轮载荷分布规律分析研究. 燕山大学 学报, 2001 (1 :29～32 [7] 辛洪兵.研究谐波齿轮传动啮合原理的一种新方法[J].中国机械工程,2002, (3:7～9. 17 7 致谢 这次毕业论文能够得以顺利完成，我要对指导我的老师, 一直支持着我的 家人和朋友对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢 意！这段时间, 在老师的指导下，我从开始收集资料、到编写及说明书,一步步 的慢慢组织起来。现在终于完成了设计，非常感谢老师的指导。 由于能力所限，经验不足，设计中还有许多不足之处，希望老师多加指点。 18

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