[发明专利]一种谐波减速器柔轮结构设计

说明书

本发明提供一种谐波减速器柔轮结构设计与优化方法，包括如下步骤：1）针对现有谐波柔轮装配后轮齿发生径向翘曲的问题，进行相似性与矛盾性分析，形成多种初始设计方案；2）通过FEM方法提取各方案的特征值并进行解析；3）利用响应面法和CCD优化算法进行最佳方案的全域求解。通过以上步骤，本发明设计出一种带有锥度的柔轮结构新形式，锥度x/y控制在1/50～1/30为宜。本发明在降低柔轮轮齿翘曲、提高轮齿重合度方面具有重要意义。

技术领域

本发明属于精密齿轮结构设计领域，特别涉及一种谐波减速器柔轮结构设计与优化方法。

背景技术

谐波减速器是轻型关节机器人的核心传动部件。柔轮通过凸轮式波发生器产生可控弹性变形，并在长轴处与刚轮相啮合来传递运动和动力。由于柔轮每分钟要经受上千次的反复变形，其结构设计好坏直接决定减速器的承载能力和疲劳寿命。

目前柔轮结构面临两大主要问题：1、柔轮长时间经受疲劳变形，结构容易失效甚至破坏；2、柔轮轮齿的翘曲影响啮合精度，易造成齿面磨损和传动精度下滑。

本发明以FEM分析为基础，结合响应面和CCD优化算法设计出一种柔轮新型结构形式，使得其径向翘曲有所降低，并分析评估了新形式结构参数的取值范围，有效地提高工作效率。

发明内容

针对现有柔轮结构装配后径向翘曲严重的问题，本发明提供的一种谐波减速器柔轮结构设计与优化方法，所采用的技术方案为：包括如下步骤

步骤1，针对现有谐波柔轮装配后轮齿发生径向翘曲的问题，进行相似性与矛盾性分析，形成多种初始设计方案；

步骤2，通过FEM方法提取各方案的特征值并进行解析；

步骤3，利用响应面法和CCD优化算法进行最佳方案的全域求解。

其中，所属步骤1包括4种不同的柔轮结构设计方案；

其中，所属步骤2包括3D装配模型导入，边界约束、网格划分、接触面设置和数据导出等；

其中，所属步骤3包括优化目标函数、约束条件、算法的选取；

本发明的有益效果为：设计的新形式结构简单，加工成本低，未增加原有的装配难度；又结合有限元（FEM）优化模块，改变了传统的经验设计模式，实现设计参数的优选，提高了工作效率。

附图说明

图1为4种不同结构形式的柔轮初始设计方案；

图2为常规柔轮结构装配变形图；

图3为不同方案柔轮轮齿径向翘曲位移对比；

图4为即将进行优化的参数自变量和轮齿路径；

图5为柔轮结构优化流程图；

图6为优化前后轮齿径向翘曲位移云图。

具体实施方式

一种谐波减速器柔轮结构设计与优化方法，具体包括以下步骤：

第一步，初始方案设计

1.1 针对轮齿翘曲的矛盾性分析，建立4种不同形式的柔轮模型，如图1所示；

第二步，特征值求解与方案筛选

2.1 利用交互接口将其与波发生器装配后的模型导入Ansys Workbench（AW）中，在柔轮左端面和波发生器内孔施加固定约束，整体采用六面体网格，定义柔轮内壁与波发生器外壁接触面间无摩擦，法向接触刚度0.01，限定侵彻深度0.01mm，如图2所示；

2.2 在AW中定义的柔轮轮齿的路径方向为从a到b，长度7mm，轮齿径向位移为沿该路径Y轴正方向的位移，如图4所示；