论文总字数：17352字

摘 要

谐波齿轮传动是在柔轮弹性形变理论基础上发展起来的新型传动，主要由柔轮、刚轮和波发生器组成。谐波齿轮减速器作为工业机器人的核心零部件，本文对工业机器人用谐波齿轮减速器进行设计，对实际设计有很好的实用价值。本文首先根据设计要求选定合适的设计方案，然后完成对柔轮、刚轮、波发生器的结构和尺寸计算。利用二维软件Auto CAD绘制谐波齿轮减速器的完整二维图，用三维软件UG NX完成对谐波齿轮减速器三维建模。决定传动寿命的柔轮疲劳强度问题是谐波传动的研究重心，对于空载和负载作用下柔轮中的应力、位移分布，利用有限元软件ANSYS完成对谐波齿轮减速器最主要构件柔轮的有限元分析。

关键词：谐波传动；柔轮；刚轮；波发生器

Design and Analysis of Harmonic Gear Reducer for Industrial Robots

Abstract

Harmonic gear transmission is a new type of transmission developed on the basis of the elastic deformation theory of the flexible wheel. It is mainly composed of a flexible wheel, a rigid wheel and a wave generator.Harmonic gear reducer is the core component of industrial robot. This paper designs harmonic gear reducer for industrial robot, which has good practical value for practical design.This paper first selects the appropriate design according to the design requirements, and then completes the structure and size calculation of the flexible wheel, the rigid wheel, and the wave generator.The 2D software Auto CAD is used to draw the complete 2D map of the harmonic gear reducer, and the 3D software UG NX is used to complete the 3D modeling of the harmonic gear reducer.The problem of the fatigue strength of the flexible wheel that determines the life of the transmission is the research focus of harmonic transmission.For the stress and displacement distribution in the flexible wheel under no-load and load, the finite element analysis of the most important component flexible wheel of the harmonic gear reducer is completed by the finite element software ANSYS.

Key words:Harmonic drive; flexible wheel; rigid wheel;wave generator

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1谐波齿轮传动的背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3谐波齿轮传动概述 2

1.3.1谐波齿轮传动分类 2

1.3.2谐波齿轮传动的特点 2

1.3.3谐波传动的原理 2

第二章 谐波齿轮的结构设计 4

2.1总体设计 4

2.1.1传动方案的选定 4

2.1.2齿数模数的计算 4

2.1.3材料选定 5

2.2主要几何尺寸的计算 5

2.2.1主要啮合参数的选择与计算 5

2.2.2柔轮刚轮几何尺寸计算 6

2.2.3保证传动正常性能的条件 7

2.3主要部件的结构设计 8

2.3.1柔轮结构设计 8

2.3.2刚轮结构设计 10

2.3.3波发生器结构设计 10

2.4柔轮的应力分析 12

第三章 谐波齿轮减速器的三维建模 15

3.1 UG NX三维建模技术 15

3.2谐波减速器三维建模 15

3.3本章小结 17

第四章 柔轮的有限元分析 18

4.1有限元分析简介 18

4.2柔轮的有限元分析 18

4.2.1柔轮有限元模型的建立 18

4.2.2模态分析 19

4.2.3负载时受力和位移分析 20

4.2.4空载时受力和位移分析 22

4.3本章小结 23

第五章 总结 24

致谢 25

参考文献 26

第一章 绪论

1.1谐波齿轮传动的背景

谐波齿轮传动大约出现在50年代中期，这种传动独具特点，它与大家常见的齿轮传动相比，它的特殊性在于它根据控制柔性齿轮的弹性形变来传递运动和动力。谐波齿轮传动结构上跟其他齿轮传动大有不同，谐波传动的最重要的结构有三个，第一个是柔轮，柔轮是一个薄壁圆筒外齿轮且易于形变，齿形是渐开线型，它可作为传动件。第二个是刚轮，刚轮是一个刚性内齿轮，齿形是渐开线型。第三个是波发生器，它作为传动中的主动件，从动件则柔轮刚轮任选其一。柔轮和刚轮周节相同，齿数上刚轮比柔轮多（一般为两齿）。波发生器由一个椭圆圆盘和一个柔性球轴承组合而成。

谐波齿轮传动自出现以来发展迅速，它兼具传动比大、外观小巧、传动精度高等特征，它在火箭、导弹、人造卫星等飞行器中被广泛利用，充分发挥了它的作用。迄今为止这种传动技术广泛应用于雷达、造船、治金、机床、仪表、建筑、起重运输、医疗器械等各个部门。

60年代中期，国内的一些有关机构开始引进谐波传动技术，并致力于该项目的分析研究工作。70年代末，我国许多的工业生产部门和机械设备研究中心陆续对谐波齿轮传动技术进行分析研究和设计，最终研发制造出一些性能很不错的谐波齿轮减速器。从1980年起，我国用5年的时间成功制订了中小型功率的通用谐波齿轮减速器的标准系列。因此，我国就成为了全球第四个具有通用谐波齿轮减速器标准的国家。

1.2国内外研究现状

在谐波传动出现后，全球很多工业发展迅速的国家都开始对谐波齿轮传动技术展开研究。国内外一些研究学者也纷纷加入了对谐波传动的优化和分析研究。

柔轮作为谐波传动的重要零部件之一，它决定了整个传动的寿命，它的承载能力的分析和疲劳强度分析尤为重要。2001年国内学者董惠敏、张晓青就针对这一研究方向进行了实验研究。他们对柔轮进行了有限元分析。先用公式计算柔轮在空载和负载下的强迫位移及受载情况，据此创建柔轮的有限元模型加以分析，并建立实验台开展试验，将获得的实验结果与有限元运算结果作比较，来证明所创建有限元模型的正确性，这对于柔轮应力、强度的分析很有意义^[1]。同时这也对本文之后对柔轮的有限元分析提供了参考。

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