[發明專利]一種諧波減速器柔輪結構設計

在審

• 申請號: 201810314905.4
• 申請日: 2018-04-10
• 公開（公告）號: CN108614924A
• 公開（公告）日: 2018-10-02
• 發明（設計）人: 陳星;王淑妍;呂淥淵
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 談杰

本發明提供一種諧波減速器柔輪結構設計與優化方法，包括如下步驟：1）針對現有諧波柔輪裝配后輪齒發生徑向翹曲的問題，進行相似性與矛盾性分析，形成多種初始設計方案；2）通過FEM方法提取各方案的特征值并進行解析；3）利用響應面法和CCD優化算法進行最佳方案的全域求解。通過以上步驟，本發明設計出一種帶有錐度的柔輪結構新形式，錐度x/y控制在1/50～1/30為宜。本發明在降低柔輪輪齒翹曲、提高輪齒重合度方面具有重要意義。

技術領域

本發明屬于精密齒輪結構設計領域，特別涉及一種諧波減速器柔輪結構設計與優化方法。

背景技術

諧波減速器是輕型關節機器人的核心傳動部件。柔輪通過凸輪式波發生器產生可控彈性變形，并在長軸處與剛輪相嚙合來傳遞運動和動力。由于柔輪每分鐘要經受上千次的反復變形，其結構設計好壞直接決定減速器的承載能力和疲勞壽命。

目前柔輪結構面臨兩大主要問題：1、柔輪長時間經受疲勞變形，結構容易失效甚至破壞；2、柔輪輪齒的翹曲影響嚙合精度，易造成齒面磨損和傳動精度下滑。

本發明以FEM分析為基礎，結合響應面和CCD優化算法設計出一種柔輪新型結構形式，使得其徑向翹曲有所降低，并分析評估了新形式結構參數的取值范圍，有效地提高工作效率。

發明內容

針對現有柔輪結構裝配后徑向翹曲嚴重的問題，本發明提供的一種諧波減速器柔輪結構設計與優化方法，所采用的技術方案為：包括如下步驟

步驟1，針對現有諧波柔輪裝配后輪齒發生徑向翹曲的問題，進行相似性與矛盾性分析，形成多種初始設計方案；

步驟2，通過FEM方法提取各方案的特征值并進行解析；

步驟3，利用響應面法和CCD優化算法進行最佳方案的全域求解。

其中，所屬步驟1包括4種不同的柔輪結構設計方案；

其中，所屬步驟2包括3D裝配模型導入，邊界約束、網格劃分、接觸面設置和數據導出等；

其中，所屬步驟3包括優化目標函數、約束條件、算法的選取；

本發明的有益效果為：設計的新形式結構簡單，加工成本低，未增加原有的裝配難度；又結合有限元（FEM）優化模塊，改變了傳統的經驗設計模式，實現設計參數的優選，提高了工作效率。

附圖說明

圖1為4種不同結構形式的柔輪初始設計方案；

圖2為常規柔輪結構裝配變形圖；

圖3為不同方案柔輪輪齒徑向翹曲位移對比；

圖4為即將進行優化的參數自變量和輪齒路徑；

圖5為柔輪結構優化流程圖；

圖6為優化前后輪齒徑向翹曲位移云圖。

具體實施方式

一種諧波減速器柔輪結構設計與優化方法，具體包括以下步驟：

第一步，初始方案設計

1.1 針對輪齒翹曲的矛盾性分析，建立4種不同形式的柔輪模型，如圖1所示；

第二步，特征值求解與方案篩選

2.1 利用交互接口將其與波發生器裝配后的模型導入Ansys Workbench（AW）中，在柔輪左端面和波發生器內孔施加固定約束，整體采用六面體網格，定義柔輪內壁與波發生器外壁接觸面間無摩擦，法向接觸剛度0.01，限定侵徹深度0.01mm，如圖2所示；

2.2 在AW中定義的柔輪輪齒的路徑方向為從a到b，長度7mm，輪齒徑向位移為沿該路徑Y軸正方向的位移，如圖4所示；