谐波齿轮传动的设计与三维建模开题报告

1、毕 业 论 文 设 计 开 题 报 告题 目 谐波齿轮传动的设计与三维建模 学生姓名 徐山林 学号 所在院(系) 机械工程学院 专业班级 机械设计制造及其自动化1104班 指导教师 贾吉林 2015年3月18日题 目谐波齿轮传动的设计与三维建模一、选题的目的及研究意义1.选题目的：谐波传动技术自国外六十年代开始发展以来，美国、日本、俄国等国发展迅速并在高科技领域广阔应用。国内除在航天、航空、航海、常规军械等军事领域应用外，在民用领域尚处起步阶段，谐波传动作为一种新型传动，在机床、仪表、电子设备、矿山冶金、交通运输、起重机械、石油化工机械、纺织、农业机械以及医疗器械等领域将具有广阔的应用前景，国

2、际市场需求量较大。其优点有: (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，其零件约减少50%，体积和重量均减少1/3. （2) 传动比大，传动比范围广。单级谐波减速器传动比可在50300之间，双级谐波减速器传动比可在300060000之间，复波谐波减速器传动比可在100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，噪声低。 （4）谐波齿轮传动的回差较小，齿侧间隙可以调整，甚至可以实现零侧隙传动。 （5）在采用如电磁波发生器或圆盘波发生器等结构型式时，可获得较小的转动惯量。 （6）谐波齿轮传动还可以向密封空间传递运动和动力，

3、采用密封柔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。当然也存在一些缺点，比如柔轮的材料难以达到符合要求的疲劳强度，会出现裂纹甚至断裂。齿轮在工作中有可能会出现爬行或丢步等等现象。总体来说，谐波齿轮的优点明显大于缺点，有很高的应用价值。研究谐波齿轮传动不仅在学术上十分重要，而且对于我国的制造业必不可少。国际上对于谐波传动的研究已经有很大进步而我国相对于来讲比较落后，所以很是需要研究投入。之所以选择这个题目就是希望借此机会了解到谐波齿轮传动这一先进技术的发展，增加自己的行业认识提高自己的知识层次，以及

4、对先进技术的学习能力。这些都是平时课堂上学不到的东西，所以很是有必要投入自己的精力去了解学习这个课题，让自己能够学到更多有价值的知识。2研究意义：谐波齿轮传动是通过机械波 ( 或动力泼 ) 使材料产生弹性来达到传动要求的一种新的传动方式，它具有其它传动难以达到的优点：如传动比大且范围宽；同时参与嘀合的齿数多，承载能力大；结构简单，体积小，重量轻；传动精度高；传动平稳，无冲击，传动效率较高等特点，对于节约原材料、减少电力消耗、缩短在制造加工周期、提高使用效益和优化机械设备结构等方面，具有很大的实用意义。谐波齿轮传动具有良好的阻尼特性以及可实现无间隙传动的特点。近些年来，应用谐波传动的场合如机器人

5、等需要精密定位领域技术的发展，对谐波齿轮传动系统的动态特性需要更为详细的研究和描述。在这次课题的研究学习过程中不单单是完成一个学业作业更多的是对自己大学以来所学到的专业知识的一次综合应用，在研究学习中需要不断地查阅相关的文献资料还要不断地解决一个个出现的困难，不仅要自己努力的学习相关知识积极思考，更要主动地和老师同学们交流沟通。这些都是对于我们来说不可或缺的人生财富和经验。二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等1.谐波传动的国内发展现状与趋势:我国从1961年开始谐波传动方面的研制工作，并且在研究、试制和使用方面取得了较大的成绩。到目前为止，我国有几十家单位从事这方

6、面的研究工作，并先后研制成了多种类型的谐波齿轮传动装置。如传动误差小于9、回差小于4的高精度谐波齿轮传动装置，噪声小于45dB的高灵敏度小型谐波齿轮传动装置，用于水下极光探测仪的谐波传动装置，以及用于导弹发射架和雷达传动系统中的动力谐波传动装置等，为我国谐波传动的研制和开发工作打下了坚实的基础。北京市是中国重要的谐波传动产品生产基地，拥有以北京中技克美谐波传动有限公司、北京谐波传动技术研究所和北京天阶科技工业公司等为代表的谐波传动产品的主要生产单位。国内谐波传动公司的产品已经长期应用于国防工业和多种民用机械产品领域，部分产品已出口国外，并开发成功固体润滑谐波传动和短杯谐波传动产品。 2006年

7、，北京工商大学基于椭圆凸轮波发生器，开发成功了具有自主知识产权的谐波齿轮传动双圆弧基本齿廓、谐波齿轮加工刀具以及双圆弧谐波齿轮传动装置。经FEM分析显示，双圆弧齿形有效减小了柔轮齿根应力。对比试验则表明，双圆弧谐波齿轮传动的运动精度和传动刚度明显优于渐开线谐波齿轮传动，特别是在低载荷段，传动刚度增加了40%以上。 2.谐波传动的国外发展现状与趋势: 日本的谐波传动技术和产业发展较快。1964年，日本Hasegawa齿轮公司生产了实用化谐波传动减速器；1970年，Hasegawa公司与USM公司在日本东京合资创立了谐波传动系统有限公司（Harmonic Drive System Inc.）。根据

8、合作协议，谐波传动系统公司从Hasegawa公司获得谐波传动机构商业权益。1976年9月，公司资本金降至1亿日元，谐波传动系统公司成为USM公司的全资子公司。1977年，谐波传动系统有限公司开始生产销售驱动器和控制器等工厂自动化设备。1984年12月，为了拓展市场，谐波传动系统有限公司在台湾和韩国设置了销售代理。1987年，其为拓展美国市场，创建了子公司HD System公司，与Mitsui & Co. Ltd 签署了在韩国的产品分销协议。1988年，开始生产具有新开发的IH齿形的谐波传动减速器。1989年，其创建全资子公司，即 “新的”谐波传动系统有限公司，并转移商业权益。以前的谐波传动系统

9、有限公司被Koden电子公司接手。1990年，公司将生产基地从日本Matsumoto转移至位于Nagano的Hotaka工厂，1996年与德国Harmonic Drive Antriebstechnik 公司（现在的Harmonic Drive 公司）签署排他性分销协议，后者负责在欧洲、中东、非洲、印度和拉丁美洲的产品销售，同年12月签署授权与技术支持协议。1998年，谐波传动系统有限公司进入日本证券交易协会场外交易市场；1999年，创立了HD物流和Harmonic Precision等子公司。2002年，其获得了Harmonic Drive 公司25%流通股权；2004年12月，进入了Jas

10、daq证券交易市场；2005年，在美国创建Harmonic Drive L.L.C公司，该公司是HD Systems与Harmonic Drive Technologies Nabtesco的合资公司。 Harmonic Drive AG成立了子公司Micromotion公司，专门负责用直接LIG工艺开发与制造微型谐波齿轮传动及其传动方案，在微型谐波传动领域，于2005年向市场推出了“P”齿形，目前开发出了MHD8和MHD10两个系列的产品，外径最小为8mm，采用行星齿轮传动式波发生器，传动比为160、500和1000，质量最小为2.2g，重复精度可达10弧秒。 由于传统工艺能加工齿轮的最小模

11、数为60100m，因此微型谐波齿轮传动元件采用了LIGA工艺制造。LIGA工艺可以获得高深宽比微结构，它于1980年代起源于德国Karlsruhe原子核研究中心，是目前微型机系统（MEMS）加工的重要工艺。子公司Harmonic Drive Polymer公司专门负责用热塑性塑料制造大减速比精密谐波齿轮传动的开发与制造，子公司Ovalo公司则负责大批量的生产与应用，开发或将用户定制的谐波传动产品工业化。Harmonic Drive 公司还分别在英国、法国、意大利、澳大利亚和西班牙创建了另外5个子公司，以加强国际销售和本土化服务。在谐波齿轮传动中采用双圆弧齿廓，可以有效改善柔轮齿根的应力状况和传

12、动啮合质量，提高承载能力、扭转刚度和柔轮疲劳寿命，并可降低最小传动比。日本的IH齿形是基于余弦凸轮波发生器开发的双圆弧齿形，由于采用近似方法设计，应用初期出现了齿廓干涉等问题，但是到1990年代初期已经基本完善。目前，日本谐波传动系统有限公司的谐波产品有十几个类型，二十多个系列，最小传动比为30，型号中带有字母“S”的，其齿形为双圆弧齿形，产品垄断了主要国际市场。其中超短杯型号CSD和SHD，其柔轮长度仅有常规谐波传动柔轮的1/3，既增加传动刚度，又大幅度减轻了谐波减速器重量。此外，在谐波传动轻量化技术方面，采用铝等轻合金材料制造波发生器与减速器壳体等方式，减薄刚轮外缘以及改进连接结构等形式，

13、使整机重量大幅度减轻，在航空航天和机器人领域，其轻量化谐波传动产品系列的应用日益广泛。 自2000年开始，日本谐波传动系统有限公司还在中国大陆注册了11项与谐波传动相关的商标，其中，仅2006年就申请注册了10项。在研究投入方面，根据公司（Harmonic Drive System Inc.）2007年财报，减速器销售额为150亿日元，占公司产品的75.7%；公司有研究开发人员55人，占员工比例14.9%；研究开发费用11.85亿日元，占净销售额的6.2%。3.研究方法：目前关于谐波齿轮传动的设计研究已比较成熟，谐波齿轮参数化和齿轮啮合原理及经验公式威胁博传动设计铺垫基础。三维设计仿真软件及分

14、析软件的发展也为谐波传动提供很大便利，谐波传动在不断优化和改进中，研究方法也不断更新，仿真设计法，经验计算，应变分析等等都让谐波传动设计趋于完善。4.应用领域：目前，谐波传动广泛应用于航空航天、机器人、加工中心、雷达设备、造纸机械、纺织机械、半导体工业晶圆传送装置、印刷包装机械、医疗器械、金属成型机械、仪器仪表、光学制造设备、核设施以及空气动力实验研究等领域。例如：日本本田公司仿生机器人ASIMO的手臂与腿部至少使用了24套谐波传动装置；美国NASA发射的火星机器人每个则使用了19套谐波传动装置；德法英联合研制的空中客车上使用了谐波传动阵列来检测飞机着陆时副翼的位置；安装于夏威夷MaunaKe

15、a山的Subaru望远镜系统采用了264套谐波传动装置，将8.2m口径主镜镜面精度保持在0.1m；为确保手术系统高精度定位与配合作业，在外科手术系统中应用了各种型号的谐波传动。现在，约有90的谐波传动应用在机器人工业和精密定位系统中，谐波传动已成为现代工业重要的基础部件。三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明，论文要写出相应的写作提纲谐波齿轮减速器的设计需要解决爬行和丢步等现象，对于这几点需要在齿轮设计阶段进行理论验证和仿真分析，从技术手段上优化改进缺点，配合先进学术理论的借鉴整体优化改造。切实的进行设计计算。对于谐波齿轮传

16、动设计可以用以下步骤。1、传动装置的总体 a、确定传动方案。 b、电动机的选择。 c、传动比的计算及分配。 d、传动装置运动、动力参数的计算。2、 外传动件的设计计算 a、减速器外传动件的设计。 b、减速器内传动件的设计计算3、 谐波齿轮上作用力的计算4、 减速器装配草图的设计5、 轴的设计计算6、 画装配草图7、 减速器箱体的结构尺寸设计8、 润滑油的选择与计算9、 画装配图和零件图及三维建模四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明1 陈岱民 刘虹 .谐波齿轮减速器的研制J.吉林工学院学报：自然科学版.1997（18） 18212 何雅娟.基于proe的谐波齿轮圆柱形柔轮建模J. 机械管理

17、开发.2013.2(1).1211233 张大庆.具有确定传动比的谐波齿轮减速器研究J。河南科技.机械与自动化. 2013.3(8).1061084 王长明.谐波齿轮传动概述J.机械传动 2006(4).86885 饶振纲.谐波齿轮减速器的设计研究J.传动技术1997(13).34366 陈岱民.谐波齿轮减速器的研制J.吉林工学院学报. 1997(4).19237 任毅斌.基于proe和ls-dyna的谐波齿轮动力学分析J.工艺设计改造及检测检修 2014（20）.67698 祝海林.谐波齿轮传动柔轮的变形分析J.制造技术与机床 .2013(3).54579 万庆祝.精密谐波齿轮减速器传动误差

18、分析J.仪表技术与传感器 2013(5).899210 辛洪兵.双圆弧谐波齿轮传动基本齿廓设计J. 中国机械工程. 2011(06)789111 袁安富,曾晶晶.双圆弧谐波齿轮传动基本齿形的研究.机械传动J.2014（2）394212 陈绍庚.谐波齿轮传动浅谈J. 印刷世界. 2012(07)131913 辛洪兵.双圆弧谐波齿轮传动基本齿廓设计J. 中国机械工程. 2011(06).242714 沈允文，叶庆泰 编著.谐波齿轮传动的理论和设计M.机械工业出版社15 伊万诺夫（ ，.） 著；沈允文 ，李克美 译谐波齿轮传动M.国防工业出版社16 范又功 ，曹炳和 编著.谐波齿轮传动技术手册M.国防工业出版社17 Eker lyas ,Operation and control of a water supply systemJ. ISA Transaction,2003,2(3):461-47318 Duan T.T