关键词:
谐波减速器
新型齿廓
应力
变形
齿廓修形
齿廓参数
摘要:
在“智能制造2025”的大背景下,国内机器人行业蓬勃发展,谐波减速器作为机器人关节的重要部件,其啮合性能的好坏直接对机器人的工作性能起着至关重要的作用。我国与国外关于谐波减速器的研究的差异主要体现在高精密传动方面,如何提升谐波减速的高精度、高稳定性、高强度和高寿命等是目前聚焦谐波减速器研究的关键。本文从谐波传动的齿廓和啮合特性出发,以新型柔轮齿廓为研究对象,围绕谐波传动转角关系和共轭理论,结合Matlab和有限元仿真分析,进行新型柔轮齿廓设计、齿廓空间修形和参数优化,以提升谐波传动的啮合性能和传动的稳定性。主要做以下一系列工作:首先,详细阐述谐波传动的组成与基本原理,并提出谐波传动几个基本的假设,以此为基础进行后续的齿廓设计。基于谐波传动的几何模型,研究各构件的转角关系,设计公切线双圆弧柔轮齿廓。推导谐波传动改进运动学啮合机理,基于改进运动学法求解共轭钢轮齿廓,通过最小二乘圆弧拟合所求解的共轭数值解。其次,分析谐波传动的啮合特性,建立谐波传动三维弹性接触有限元模型,并研究谐波传动瞬态动力学分析步骤和分析方法。在不同工作状态下分析谐波传动应力与变形,探究在瞬态状态应力变化传动规律;基于公切线双圆弧齿廓为研究对象,并结合S型齿廓的啮合特性设计新型柔轮齿廓线,对比几种齿廓的啮合侧隙和传动啮合时柔轮的应力,验证新型柔轮齿廓在啮合侧隙和等效应力方面的优越性。然后,由柔轮齿厚修形,提出齿厚修形的三种修形方案,通过分析比较选择最优的选型方案。结合有限元方法,调整主截面前后端的齿廓厚度,求解前后截面的修形量,以使柔轮齿廓在三个截面端与钢轮齿廓啮合无干涉现象发生;研究考虑柔轮在瞬态分析中齿廓廓线的形变,在基于新型柔轮齿廓的基础上,对新型齿廓进行等距补偿修形。同时,提出柔轮齿廓修形补偿公式,结合有限元量化分析,计算出相应的修形量,之后分析柔轮与钢轮齿廓修形前后的啮合情况,得出齿廓修形对钢柔轮啮合有一定的提升;分析柔轮在未修形状态,齿厚修形状态和齿廓廓线修形状态三种状态的应力情况,总结得出柔轮齿厚修形和齿廓廓线修形方法能够有效的提升柔轮的承载能力。最后,分析柔轮应力的影响因素,研究柔轮在空载和负载状态不同的应力表现,并确定柔轮的齿廓参数因子;探究单一齿廓参数对柔轮应力的影响规律;基于DesignExpert响应面法探究不同参数因子之间的相互作用对柔轮应力的影响规律,在验证实验模型可行性的前提下优化得出柔轮参数的最优选项以使柔轮最大应力值达到最低。