諧波傳動是50年代中期隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在薄殼彈性變形理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳動。該傳動的基本原理由美國聯(lián)合制鞋公司研究顧問C.WaltMusser(1909~1998)于1955年提出。1960年，C.WaltMusser在發(fā)表于美國機械設(shè)計雜志的論文中使用了HarmonicDrive一詞，中文翻譯為諧波傳動或諧波齒輪傳動。

諧波減速器的基本概念

    諧波減速器主要由波發(fā)生器、柔性齒輪、剛性齒輪、柔性軸承、交叉滾子軸承等五個基本構(gòu)件組成，是一種靠波發(fā)生器裝配上柔性軸承使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來傳遞運動和動力的齒輪傳動。諧波齒輪傳動減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器。

    一般來說，諧波減速器生產(chǎn)廠家主要生產(chǎn)三個基本構(gòu)件：

（1）帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪），它相當(dāng)于行星系中的中心輪；

（2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪），它相當(dāng)于行星齒輪；

（3）波發(fā)生器，它相當(dāng)于行星架。

    作為減速器使用，通常采用波發(fā)生器主動、剛輪固定、柔輪輸出形式。

    波發(fā)生器是一個桿狀部件，其兩端裝有滾動軸承構(gòu)成滾輪，與柔輪1的內(nèi)壁相互壓緊。柔輪為可產(chǎn)生較大彈性變形的薄壁齒輪，其內(nèi)孔直徑略小于波發(fā)生器的總長。波發(fā)生器是使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形的構(gòu)件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪后，迫使柔輪的剖面由原先的圓形變成橢圓形，其長軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合，而短軸兩端附近的齒則與剛輪完全脫開。周長上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過渡狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉(zhuǎn)動時，柔輪的變形不斷改變，使柔輪與剛輪的嚙合狀態(tài)也不斷改變，由嚙入、嚙合、嚙出、脫開、再嚙入……，周而復(fù)始地進(jìn)行，從而實現(xiàn)柔輪相對剛輪沿波發(fā)生器H相反方向的緩慢旋轉(zhuǎn)。工作時，固定剛輪，由電機帶動波發(fā)生器轉(zhuǎn)動，柔輪作為從動輪，輸出轉(zhuǎn)動，帶動負(fù)載運動。在傳動過程中，波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周，柔輪上某點變形的循環(huán)次數(shù)稱為波數(shù)，以n表示。常用的是雙波，雙波傳動的柔輪應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于獲得大的傳動比。故為目前應(yīng)用最廣的一種。

    諧波齒輪傳動的柔輪和剛輪的齒距相同，但齒數(shù)不等，通常采用剛輪與柔輪齒數(shù)差等于波數(shù)，即z2－z1=n，式中z2、z1--分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)。

    當(dāng)剛輪固定、發(fā)生器主動、柔輪從動時，諧波齒輪傳動的傳動比為i=-z1/(z2-z1)，雙波傳動中，z2－z1=2，柔輪齒數(shù)很多。由此可看出，諧波減速器可獲得很大的傳動比，其主要特點如下：

    1．承載能力高諧波傳動中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動形式高。

    2．傳動比大，雙級諧波齒輪傳動的傳動比，可達(dá)i=30～320。

    3．體積小、重量輕。

    4．傳動效率高、壽命長。

    5．傳動平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運動精度高。

    6．由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對柔輪材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜。

    下圖展示了山卓諧波減速器（標(biāo)準(zhǔn)筒結(jié)構(gòu)）的技術(shù)參數(shù)：

    在第二屆國際機器人檢測認(rèn)證高峰論壇上，山卓諧波減速器成為經(jīng)過國家機器人檢測與評定中心（廣州）認(rèn)定的唯一一家傳動誤差達(dá)到國標(biāo)A級的諧波減速器生產(chǎn)廠家。

柔輪及剛輪齒形設(shè)計

    諧波齒輪在角度傳動精度、強度、剛度等方面具有極高要求，而要實現(xiàn)這些高性能要求，齒形設(shè)計至關(guān)重要，首先需要建立共軛齒廓模型，可以采用曲線映射理論來建模，如下圖所示。

    由于計算復(fù)雜，同時需要考慮到復(fù)雜的受力情況，山卓諧波減速器引入了國際知名諧波減速器齒輪設(shè)計軟件，從而加速了產(chǎn)品研發(fā)，縮短了產(chǎn)品定型時間。

    山卓諧波減速器SZ-HS-4-50-I柔輪剛輪齒形如下：

    同時，也可計算剛輪柔輪的受力情況。

    山卓諧波減速器SZ-HS-32-100-I剛輪FEM分析如下圖：

    山卓諧波減速器SZ-HS-32-100-I柔輪FEM分析如下圖：

    綜上所述，國際知名諧波減速器齒輪設(shè)計軟件的引進(jìn)可以減少設(shè)計風(fēng)險，加快了國產(chǎn)諧波減速器追趕國際領(lǐng)先品牌的速度。在此同時，也大大降低了諧波減速器設(shè)計工程師的工作量，使其有更多時間做一些前瞻性的研發(fā)。

關(guān)鍵生產(chǎn)工藝的控制

    山卓諧波減速器主要生產(chǎn)工藝有：1.澆鑄毛坯件2.熱處理時效3.粗車4.旋壓5.熱處理6.精車7.熱處理8.精車9.研磨10.齒形加工11.齒形修形12.清洗13.特殊熱處理14.去應(yīng)力15.清洗16.組裝17.測試。主要需求設(shè)備：車床，旋壓機，真空爐，滾齒機，磨齒機，插齒機，熱處理爐，諧波專業(yè)測試臺等。其中，主要機加工設(shè)備全部由日本進(jìn)口，選用的是日本哈默那科使用的同款加工機型。

    如何保證生產(chǎn)出來的諧波減速器品質(zhì)的一致性，是擺在各諧波減速器生產(chǎn)廠商的一大難題，山卓諧波減速器特別引進(jìn)了諧波專業(yè)測試臺，每一批次的產(chǎn)品會抽檢，如果有產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)超出了廠標(biāo)范圍，則會封存此批產(chǎn)品，甚至報廢處理。

    諧波專業(yè)測試臺如下：

    專業(yè)的檢測設(shè)備，能夠長期追蹤每一批次產(chǎn)品的技術(shù)數(shù)據(jù)，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量水平，山卓諧波減速器SZ-HS-20-50-I的傳動精度如下圖：

    通過引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和檢測設(shè)備，深圳市山卓諧波傳動科技有限公司能夠提供穩(wěn)定的傳動精度國標(biāo)A級諧波減速器，從而成為具有強大競爭力的國產(chǎn)工業(yè)機器人核心零部件供應(yīng)廠商。

安裝及售后服務(wù)的重點

    國產(chǎn)諧波減速器由于發(fā)展時間短，客戶認(rèn)可度不高，導(dǎo)致各廠家的安裝及售后服務(wù)負(fù)擔(dān)重，任務(wù)緊，我們認(rèn)為要加強對用戶的引導(dǎo)。

    選型，除了對扭矩的計算，連接方式的選擇外，還要針對客戶的一些特殊要求做出調(diào)整，下面以山卓諧波減速器對某大型光伏設(shè)備生產(chǎn)商就某機器的諧波減速器選型建議：

    此機器軸向負(fù)載為400-600KGF，以前選用的為類似HD的CSD-32-50-2UH,軸向負(fù)載Fa為3210N，無法達(dá)到要求，應(yīng)該選用CSD-32-100-2UF才能滿足該機器的要求，HD技術(shù)數(shù)據(jù)如下：

    另外，我們也應(yīng)該對諧波減速器的安裝向用戶提出具體的指導(dǎo)意見，如山卓諧波減速器對某大型光伏設(shè)備生產(chǎn)商提出的安裝意見：如果因為現(xiàn)場條件困難，無法旋轉(zhuǎn)裝入波發(fā)生器，請接好伺服馬達(dá)電源線，在機器上設(shè)置轉(zhuǎn)速為30RPM左右，手持馬達(dá)后部均勻裝入波發(fā)生器。從而避免因用戶安裝不當(dāng)引起的功能故障。

參考文獻(xiàn)：

沈允文，葉慶泰．諧波齒輪傳動的理論和設(shè)計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1985

M．H．伊萬諾夫，沈允文，李克美．諧波齒輪傳動[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1987

HarmonicDriveReducerforprecisioncontrolGeneralcatalog,2017