机器人用谐波减速器的性能优化策略

摘要：谐波减速器具有高传动比、扭矩高承载能力大、侧隙小回转精度高、机械效率高、运转平稳安静、体积小重量轻等特点，非常适用于工业机器人机械臂，本文对谐波减速器的机械结构设计与功用进行了分析研讨。

关键词：工业机器人机械臂;谐波减速器;结构设计

谐波减速器主要由谐波发生器、韧性材料制成的薄壁外齿轮（柔轮）、带有螺纹过孔的刚性内齿轮（刚轮）三个基本构件组成，详见图1，谐波发生器的柔性轴承与柔轮装配，使得韧性薄壁柔性外齿轮产生适度的弹性小变形，通过与刚性内齿轮的啮合传动来变速增矩，传递运动和动力。谐波发生器、柔轮、刚轮可任意固定其中1个部件，其余2个部件一个连接输入（主动），一个连接输出（从动），以实现减速或增速传动。工业机器人用谐波减速器，往往采用刚轮固定、谐波发生器主动、柔轮从动输出的形式，常用在工业机器人机械臂的R轴转动（4轴）、B轴摆动（5轴）、T轴转动（6轴）结构中。

2 谐波减速器的类别及传动比

谐波减速器一般用在工业机器人机械臂的R轴转动、B轴摆动、T轴转动结构中，可电机直驱，也可安装齿轮或同步带传动，有部件型、单元型之分，部件型只提供刚轮、柔轮、谐波发生器三个基本部件，用户可根据工作要求设计变速方式及安装方式，装配调试时需要进行谐波减速器与传动零件的拆分及安装，工作要求很高。单元型谐波减速器自身带有外壳及CRB交叉滚子轴承，刚轮、柔轮、谐波发生器、壳体、CRB轴承被整体设计成一个单元部件，有输入输出连接法兰或连接轴，输出采用高刚性、精密CRB交叉滚子轴承支承，可直接驱动负载。单元型谐波减速器有标准型、中空轴、轴输入三种基本结构形式。标准单元型谐波减速器用于平键连接输入轴（电机轴），适于电机直驱；中空轴单元型谐波减速器发生器凸轮开有大口径中空孔，减速器内部设计有支撑轴，适于中心孔穿线场合。

3 国内外机器人用减速器性能测试技术

国内对精密减速器的设备研制与综合性能检测技术都晚于国外，目前机器人用精密减速器的大多数市场份额都被日本企业如Nabtesco、Harmonic等占据，这些制造商能规模化提供可靠的精密减速器，掌握着制造精密减速器和综合性能测试的核心技术。但其详细的性能试验方法与检测数据并不对外公开，实行核心技术对外封锁的策略。只能从国外产品的样本说明中分析可得其大致方法是将输入端固定，从输出端加载和检测，该方法也是国际主流测试扭转刚度的方法。对传动效率进行测试的主流方法为对精密减速器输出端施加额外的转矩，驱动电机以不同的输入转速带动被测减速器，记录输入、输出端的转矩和转速。

作为保证减速器产品质量的精密减速器高精度综合性能测试技术，主要掌握在日本、德国等传统制造强国手中，我国经过多年在该方面的研究，在性能测试技术上也获得了一定的成果。主要都是利用转角传感器、转矩传感器对减速器输入、输出端的角度和扭矩进行测量。用FPGA的内部时钟得出输入、输出端的单位时间内转角，以保证采样频率和同步性，提出了扭转刚度和传动效率的试验及处理方法。文献为了采用转角/转矩传感器、双圆光栅和4个读数头，选用弹性应变电测原理的传感器，串联在柔性测量轴系中，达到0.1%FS的测量精度要求。关通等和庄小斌分别对RV减速器和谐波减速器的传动效率和扭转刚度进行测试与分析，搭建了可行的检测系统，试验验证了测试方法的可行性。重庆大研制了台式RV减速器和谐波减速器传动性能成套测试系统分析了台架式测试系统的测量误差，基于整体式扭转特性测试系统的结构设计方法，研制了整体式扭转特性测试系统，对机器人精密减速器传动性能技术进行了探讨。也有学者通过机械机构设计和装配方法提出一种可测试不同型号RV减速器性能试验台的设计方法，并验证了所提方法的可行性。

近年来，全国相关标准化委员会起草了多项机器人减速器的国家标准，规定了机器人精密减速器的性能性能测试方法，但谐波减速器和RV减速器的方法仍不统一。机器人减速器标准对扭转刚度和传动效率的方法要求对比，机器人谐波减速器的方法依据的还是20世纪90年代的方法，传感器的类别选用多但方法相对较为繁琐；另外，两种方法对转速、转矩采集次数和试验步骤方面略有不同，建议对标准进行修订时，统一方法和表述，明确工况，对于有特殊测试需求的，也提出一些示例。

4谐波减速器变形和应力分析

4.1 装配变形和应力分析

为了分析轴承和刚轮对整体应力应变的影响，建立了模型1和模型2两个有限元分析模型，前者为波发生器与柔轮装配的装配体，后者为刚轮与模型1装配的装配体，同时定义凸轮的长短轴为整个模型的定位基准。

柔轮和轴承的最大径向变形量位于长短轴位置，波发生器与柔轮装配后，柔轮和轴承外圈都产生了倾斜，柔轮长轴的最大径向变形量比理论变形量0.56 mm大24.6%左右，柔轮的倾斜变形会使得齿圈位置的齿产生磨损，甚至产生干涉，因此轴承对谐波减速器应力应变的影响不可忽略。

在长轴方向，模型1中柔轮和轴承外圈的最大径向变形量分别为0.692、0.646 mm， 模型2中两者的最大变形量分别为0.594、0.587 mm， 模型2中柔轮和轴承的径向变形量分别比模型1低14.1%和9.1%。如图2（c）所示，刚轮使柔轮和轴承外圈在长轴位置产生了轴向弯曲，从而保证柔轮与刚轮的正常啮合，因此刚轮会影响谐波减速器的应力应变分布。

在短轴方向，如图2（c）所示，两个模型中的轴承外圈与柔轮的径向变形量不一致，柔轮与轴承外圈之间存在径向间隙；模型2中柔轮和轴承外圈最大的径向间隙约为0.051 mm， 该间隙会使柔轮和轴承容易产生局部磨损，从而影响谐波减速器的传动性能。

由应力云图可知，其中：模型1中柔轮和轴承外圈的应力分别为300.14、315.95 MPa， 模型2中两者的应力分别为451.79、484.24 MPa。结果表明：波发生器与柔轮装配后，柔轮的最大应力在齿圈后端的齿根位置，轴承外圈的最大应力位于长短轴位置，应力分布偏向一侧，刚轮使柔轮和轴承的应力都相应增大。

4.2 负载下的变形和应力分析

谐波减速器的变形和应力分布规律，除了受到装配变形的影响外，还受到负载的影响。图3（a）为柔轮在229.5 N·m下放大45倍的径向变形云图。为了定量分析，图3（b）和（c）为柔轮齿圈在各负载下的径向变形量和径向变形量增量，表明柔轮在受载过程中，柔轮齿圈在靠近啮合位置的区域产生了局部变形，其变形增量随负载增大而逐渐增大。

结束语

针对杯形谐波减速器复杂的应力应变分布规律，对谐波减速器装配和加载过程进行仿真分析，并通过实验进行验证，得出以下结论：谐波减速器具有良好的机械工作性能，具有显著的使用特点，传动比大、扭矩高承载能力强、零侧隙回转精度高、机械效率高、结构简单、体积小重量轻、运转平稳安静。但谐波发生器会产生轴向力，需要CRB交叉滚子轴承承受轴向力。

参考文献：

[1] 陶孟仑，陈阳鹏，陈定方，等.谐波减速器测试技术研究现状及展望[J].机械传动，2018，42（7）：175-180.

[2] 姜祎，王亚珍，童群，等.谐波传动中柔性轴承内部载荷的理论计算和仿真分析[J].机械设计与研究，2017，33（3）：91-94.