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谐波齿轮传动计算机辅助设计技术

交易方式: 完全转让,许可转让 交易价格: 面议

所属行业: 机械

类型: 非专利

技术成熟度: 正在研发

联系方式

联系人: 付先生

所在单位: 付先生

所在地: 上海上海

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技术简介

  项目简介:

  谐波齿轮传动计算机辅助设计技术

  谐波齿轮传动的技术背景:

  谐波齿轮传动的原理最早由俄国于1944年提出并发明了首台摩擦谐波传动装置,首台谐波齿轮减速器由美国的C.W. Musser于1955年设计并制造,此减速器于1959年获发明专利。1970年初,美国授权日本引进此项技术,并在日本成立了首家生产谐波齿轮减速器的公司—日本Harmonic Drive Systems Inc.(简称HDSI)。谐波齿轮传动技术于1961年由上海纺织科学研究院的孙伟工程师介绍到国内,到目前为止,我国已有北京谐波传动技术研究所、北京中技克美谐波传动有限责任公司等几十家单位从事这方面的研究和生产。

  工业机器人减速器以及航天、卫星领域的应用,要求谐波减速器体积尺寸小、重量轻。短筒柔轮谐波减速器成为了当今谐波减速器技术的发展趋势之一,目前世界头号谐波减速器生产厂商的HD公司1988 年的HDUC系列长径比为1,到1991 年的HFUC 系列长径比达到3/5,到2000 年Super-flat系列的长径比已可达到1/3,其最新的筒形谐波减速器柔轮的长径比已经达到了约为1/4,减速器轴向尺寸大大减小,总体积和质量大幅下降。在承载能力方面国内产品也远不如国外产品,相同外径产品国外的承载扭矩是国内的1.4~2倍。精度也比国内的高2级。

  由于我国在精密传动机构优化设计理论、齿轮材料、热处理工艺、精密齿轮加工制造技术等方面比较落后,国产谐波减速器与国外同类产品相比总体性能相对较差。因而导致目前我国高性能谐波减速器产品主要依赖进口,因此大力开展谐波齿轮传动方面的研究、攻克谐波齿轮传动的核心设计技术是当前我国机器人减速器行业急需解决的问题。

  谐波齿轮传动的特点:

  谐波齿轮传动具有传动比高、体积小、重量轻、同时啮合的齿数较多、运动精度高、运动平稳、噪音小等特点。谐波齿轮传动是依靠柔轮周期性波动变形传递动力。谐波齿轮传动主要应用领域包括航空航天、机器人、空间机械臂、机床、矿山冶金、交通工具等方面得到广泛应用。谐波齿轮传动的主要特点体现在以下几个方面:

  (1)传动比大且范围广,一般情况下单级传动的速比可达到30~500,双级传动的速比可达到3000~60000;(2)承载能力强,谐波齿轮传动在工作时的同时参与啮合的齿对数比普通齿轮传动要多得多,可以达到总齿数的30%~40%;(3)结构简单,体积比较小,质量轻;(4)传动精度高,回差小;(5)传动效率高,齿面的相对滑移速度很小,齿面磨损均匀。

  虽然谐波齿轮传动的优点众多,但是也存在一些缺点,如柔轮容易发生疲劳破坏、启动力矩相对其它齿轮传动较大及加工制造比较困难。

  谐波齿轮传动的技术要点及存在的问题:

  谐波齿轮传动最核心的技术就是刚柔轮齿廓设计,从谐波齿轮传动诞生之初的直线齿廓,到现在的渐开线齿廓、S型齿廓、双圆弧齿廓,甚至是尚处于研究发展之中摆线齿廓,都是围绕如何改进齿廓形状来提高传动能力、传动精度、使用寿命及可靠性、减小减速器体积和重量。其中S 型齿廓又称作IH 齿形,是由日本学者S.Ishikawa 在1989年发明提出的,和渐开线齿廓的传动效率相近,但同时啮合齿数提高了一倍,从15%提升到了30%,有效减少了轮齿之间的干涉,提高了使用寿命。使用S齿廓的谐波齿轮传动是一种能够在保持应用渐开线齿形的传统机型顺畅性的同时,能够在精度、强度、刚性、使用寿命方面实现全面性飞跃的技术革新。

  起初S齿廓的设计并未考虑柔轮轮齿的转动变形,1995年对其进行改进后的柔轮齿形具有由两段圆弧组成的工作齿廓,也就是现在最流行的双圆弧齿廓,接近齿顶和齿根部分为大半径圆弧。双圆弧齿廓是对S齿廓的改进,进一步的提高了使用寿命和传动能力。

  虽然现在谐波齿轮传动已经达到了较高水平,但是仍然存在一些未解决或需要完善的问题:

  (1)目前谐波齿轮传动的研究模型都是基于假定柔轮中性曲线不变形的情形得出的刚柔轮齿廓,实际上刚柔轮在装配好后和运转过程中不可能保证严格意义上的不伸长,这样会导致柔轮的齿廓在运动过程中与理论的刚轮齿廓发生运动干涉,影响传动精度和使用寿命。因此需要建立更加完善的模型,考虑装配状态影响参数、负载作用、柔轮中性曲线伸长等条件的综合影响下柔轮精确运动。

  (2)目前教科书和诸多论文中所给的中性曲线不伸长条件是近似的,不能严格保证不伸长,只能保证中性曲线总长近似不伸长,不能保证中性曲线任意两点间都不伸长。按照近似不伸长条件计算出的刚柔齿廓会出现上述相同的干涉现象。

  (3)通过对刚柔论齿廓的优化设计保证达到更多的啮合齿对数、更小的轮齿间隙、更小的接触应力,目前研究较少。

  (4)短筒柔轮设计制造技术以及牵涉的齿廓修形技术。

  (5)刚柔论高效高精度低成本设计制造技术。

  (6)波发生器、柔性轴承、柔轮等零件的制造装配精度的控制。

  谐波齿轮传动的应用领域:

  谐波齿轮传动减速器由于重量轻传动比大最早应用于航天领域。近几十年已被推广到机器人、医疗器械、能源、通讯、机床、仪器仪表、汽车、造船、纺织、冶金、常规武器、精密光学设备、印刷机构等领域。谐波齿轮传动在机器人领域应用最多,超过总量的60%。

  谐波齿轮减速器在工业机器人减速器中的市场前景预测:

  当前六轴工业机器人一般使用4个RV减速器和2个谐波减速器,一台RV减速器的售价约5000-6000元左右,而谐波减速器价格约2000元,2017年我国工业机器人销量已达13.8万台,占了全球工业机器人销量的39.88%。据高工产研机器人研究所数据显示,2017年中国工业机器人减速器新增需求量达31.96万台,同比增速超62.23%;预计2018年中国工业机器人减速器需求将超过40万台,市场容量将超过30亿元。预计到2020年, 我国工作机器人销量有望达到27万台,依此推算,到2020年国内RV减速器市场需求81.5万台,谐波减速器需求63.3万台,国内总体市场需求量有望达到144.8万台。减速器的国产化促成了过去三年国外品牌的降价,当前价格虽然还存在下降空间,但已经接近其生产成本,未来价格压缩的空间相对较小,因此估计未来RV和谐波减速器的价格分别在4000元和1500元左右。价格的降低最直接的影响就是企业的收入减少,企业必须不断革新技术优化制造工艺、充分降低生产制造成本,才能在行业立足、稳住市场份额。

  本技术成果的特点及市场前景;

  本技术成果是基于Matlab软件建立谐波齿轮传动的计算模型,通过输入双圆弧齿轮的齿厚、齿高、上下两圆弧半径、刚柔论齿数等设计参数,即可计算出刚柔论的齿廓形状、啮合间隙等一系列技术指标参数,并以图像的形式显示齿廓,直接在计算机上验证齿轮参数的可行性和正确性。由于通常将刚轮设计为内齿轮、柔轮为外齿轮,其对应的加工刀具,刚轮一般采用内齿轮插齿刀、柔轮采用滚齿刀,根据设计好的双圆弧刚柔论齿轮参数,再设计相应的加工刀具即可加工出相应的刚柔论齿廓。本技术成果建立的计算模型是基于中性曲线严格不伸长条件,能够更精确计算得到柔轮的运动轨迹,减少齿廓干涉,提高使用寿命;刚柔论主要受载齿齿廓设计间隙平均值可达50纳米级,同时啮合齿对数多,能超过50%,极大的提高传动能力。

  当前国内谐波齿轮减速器市场主要被外资企业垄断,其市场份额超过80%。预计到2020年,国内工业机器人用谐波减速器市场规模达63万台,一台谐波减速器市场价格2000元,年产1万台可新增销售收入2000万元。

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