谐波齿轮传动调研

谐波齿轮传动调研 1 谐波传动国内外发展情况 谐波齿轮传动技术是上世纪50年代随航天技术的发展而产生的一种新的传动技术。在谐波传动出现后短短的几十年中，世界各工业比较发达的国家都集中了一批研究力量致力于这类新型传动技术的研究。如美国就有国家航空航天管理局路易斯研究中心、空间技术实验室、USM 公司、贝尔航空空间公司、卡曼飞机公司、本迪克斯航空公司、波音航空公司、肯尼迪空间中心(KSC) 、麻省理工学院( MIT) 、通用电气( GE) 公司等几十个大型公司和研究中心从事这方面的研究工作。前苏联从上世纪60 年代初期开始，也大力开展了这方面的研究工作， 如前苏联机械研究所、莫斯科鲍曼工业大学、列宁格勒光学精密机械研究所、全苏减速器研究所、基也夫减速器厂和莫斯科建筑学院等单位都大力开展了谐波传动的研究工作。他们在该领域进行了较系统、深入的基础理论和试验研究， 在谐波传动的类型、结构、应用等方面有较大发展。日本长谷川齿轮株式会社等有关企业，自1970 年开始, 从美国引进USM 公司的全套技术资料,成立了谐波传动株式会社，目前除能大批生产各种类型的谐波传动装置外，还完成了通用谐波传动装置的化、系列化工作。值得注意的是西欧一些国家，如德国、法国、英国、瑞士、瑞典及意大利等国，都开展了谐波传动的研究工作并推广应用研究成果, 他们不但对谐波传动的基础理论进行系统的研究，而且把谐波传动应用在卫星、机器人、数控机床等领域。 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引入我国。此后，我国也积极引进并研究发展该项技术，1983年成立了谐波传动研究室，1984年，谐波减速器标准系列产品在北京通过鉴定，1993年制定了GB/ T 14118-93谐波传动减速器标准,并且在理论研究、 试制和应用方面取得了较大的成绩，成为掌握该项技术的国家之一。到目前为止，我国已有北京谐波传动技术研究所、 北京中技克美有限责任公司、 燕山大学、 郑州机械研究所、 北方精密机械研究所等几十家单位从事这方面的研究和产品生产，为我国谐波传动技术的研究和推广应用打下了较坚实的基础。 2 谐波传动原理 谐波传动主要由波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮三个基本构件组成，是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。 谐波齿轮传动装置的传动原理与普通齿轮传动的传动原理有着本质的区别，它是利用机械波控制柔性齿轮的弹性变形来实现传递运动和力的一种新型传动装置。如图2.12所示，谐波齿轮传动的主要构件有3个：刚轮、柔轮和波发生器。固定其中一件，其余两件，一为主动，另一为从动。在未装配前，柔轮的原始剖面呈圆形，柔轮和刚轮的周节相同，但柔轮的齿数比刚轮齿数略少，而波发生器的最大直径比柔轮内圆直径略大。当把波发生器装入柔轮内时，迫使柔轮产生变形， 在其长轴两端的齿恰好与刚轮齿完全啮合，短轴处的齿则完全脱开；而处于波发生器长轴与短轴之间沿周长不同区段内的齿，则处于啮入或啮出的不同过渡状态。当波发生器回转时，将迫使柔轮齿依次同刚轮齿啮合，由于齿数不同，故波发生器转1周，使柔轮在相反方向转过两者的齿数差，从而获得变速传动。 谐波发生器：凸轮（通常为椭圆形）及薄壁轴承组成，随着凸轮转动，薄壁轴承的外环作椭圆形变形运动（弹性范围内）。 刚轮：刚性的内齿轮。  柔轮：薄壳形元件，具有弹性的外齿轮。  以上三个构件可以任意固定一个，成为减速传动及增速传动，或者发生器、刚轮主动，柔轮从动，成为差动机构（即转动的代数合成）。 3 谐波传动优缺点及应用 3.1 优缺点 正是因为传动原理的不同，谐波齿轮传动与普通齿轮传动有许多独特的优点，与普通齿轮传动相比较，谐波齿轮传动具有运动的精度高、传动比大、重量轻、体积小、承载能力大、效率高、容易实现零回差、并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作等优点。谐波齿轮传动的主要失效形式是柔轮疲劳断裂、柔性轴承损坏、齿面磨损或传动滑移，不过现有的设计规范和工艺可以保证谐波齿轮传动具有额定的工作寿命。1反映谐波齿轮传动的详细优缺点。 表1 谐波齿轮传动主要优缺点 3.2 应用 由于谐波传动具有其他传动无法比拟的诸多独特优点，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、半导体工业晶圆传动装置、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。尤其在机器人行业谐波传动应用更广泛，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Mauna Kea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0.1μm；为确保手动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，越有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，国内外的应用实践表明，无论是作为高灵敏度随动系统的精密谐波传动，还是作为传递大转矩的动力谐波传动，都表现出了良好的性能；作为空间传动装置和用于操纵高温、高压管路以及在有原子辐射或其它有害介质条件下工作的机构，更是显示出一些其他传动装置难以比拟的优越性。 谐波齿轮一般都是小模数齿轮，谐波齿轮传动装置一般都具有小体积和超小体积传动装置的特征。谐波齿轮传动在机器人领域的应用最多, 在该领域的应用数量超过总量的60%。谐波齿轮传动还在化工立式搅拌机、矿山隧道运输用的井下转辙机、高速灵巧的修牙机以及精密测试设备的微小位移机构、精密分度机构、小侧隙传动系统中得到应用。 4 谐波传动国内外产品及市场分析 4.1 国外谐波传动产品及市场 在中国，现有机器人用谐波齿轮传动90%用的是外国的，国际情况谐波传动技术和产业情况日本第一，其次是美国、德国和俄罗斯。日本的谐波传动技术和产业发展较快。日本每年谐波传动产值10几亿元，光应用在机器人上的谐波产值就占7亿元。反观中国市场，机器人市场远远没有发展起来，市场前景世界看好。 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.）。根据合作，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。 4.2 中国谐波传动产品及市场 北京谐波传动技术研究所成立于1983年，具有长期的关于谐波齿轮传动技术的研发及为用户服务的丰富经验。它是从事谐波传动及特种传动技术的研发销售的专业化研究所。主要研发销售谐波齿轮减速机、谐波减速器、谐波传动组件等。1986—1990年根据国家计委“七五”规划攻关，北京谐波传动技术研究所研发成功“R系列高精度谐波齿轮传动减速产品”，R系列的研发成功，满足各类工业机器人、数控机床、雷达多种卫星地面站的传动系统对精密传动的要求。R系列的速比可在40—300，输出扭矩可达2—4000N·m，最高精度可达1’。 北京中技克美谐波传动有限责任公司成立于1994年12月9日，是国家科技部批准的“国家谐波传动技术研究推广中心”和 “谐波传动国家重点工业性试验基地”，是我国第一个专业从事谐波传动技术设计、开发、生产、销售、服务的高新技术实业公司。公司产品主要有以下四个标准系列：XB1单级谐波传动减速器和组件、XB2内啮复波谐波传动减速器和组件、XB3扁平式谐波传动减速器和组件、XBF相位调节器用谐波传动减速器和组件,年产已达万台套。 表 可反映我国国内谐波传动主要产品情况。 表 国内谐波传动产品 5 谐波传动发展趋势 5.1 高精度微型化 　 日本Harmonic Drive AG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。 5.2 轻量化 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，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。 5.3 性能不断提升 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。也可采用“V”型齿代替“S”型齿，接触面积大，能改善谐波传动的性能。 6 谐波传动国内外差距 6.1 国内谐波传动产品性能偏差 目前，国外小模数精密谐波齿轮减速器多采用短筒柔轮，其体积小、重量轻、承载能力高；我国采用的还是普通杯形柔轮，还没有生产短筒柔轮谐波齿轮减速器。几种国外短筒柔轮谐波齿轮减速器与国产精密杯形谐波齿轮减速器的主要参数见表。 表 国内外谐波齿轮减速器主要参数比较表（转速1500r/m，速比100） 由表可知，我国谐波齿轮减速器尺寸大，承载能力反而小、国外短筒柔轮谐波齿轮减速器的体积仅是我国相同外径产品的30%左右，而承载能力（转矩）却是我国相同外径产品的1.39~2倍。要在承载能力不变的情况下减小装置的体积，就应该下工夫研究短筒柔轮及其传动装置。 6.2 加工制造工艺缺陷 谐波齿轮传动装置中,波发生器和具有几百个轮齿的柔轮加工最为复杂。目前，日、美等国均采用数控机床对波发生器进行加工。由于切齿的工作量为制造零件总工作量的70~80%，所以对柔轮和刚轮加工工艺要求高，国际上已开发了柔轮滚轧加工技术,刚轮内齿滚压加工工艺及净成形加工方法。我国虽然在滚轧柔轮、刚轮齿形，焊接柔轮、粘接柔轮及柔轮毛坯热强旋成形等方面做了大量的实验研究，取得了较大的进展。但总的来说只停留在试验阶段，不能适用于工程应用，另外加工成本问题也不可预知。 6.3 传动精度低 柔轮、刚轮和波发生器等零件的制造误差及装配误差是产生传动误差的主要原因，传动误差是谐波齿轮传动系统中主要的非线性因素。国外小模数谐波齿轮传动装置中的齿轮精度一般比我国的齿轮精度高2级，运动精度和回差能够小于3ˊ，而我国产品回差一般都在6ˊ以上。 6.4 结构参数待改进 谐波齿轮传动的使用日益广泛，为了满足各种用户的使用需求，对谐波齿轮传动提出了越来越高的要求，在满足各种性能要求的前提下，设计合理的结构参数，开发新的谐波齿轮传动系列外国已经领先，例如关于缩减轴向尺寸， 主要是为了满足机器人、伺服控制系统等对很小安装尺寸空间的要求。这方面的成果能够带来显著的经济效益。目前，日本筒形柔轮的长径比为0. 5~ 0. 8，我国为0.7~1.0， 美国已开发并产品化了长径比约为0.5 的CSF 系列和长径比约为0.2 的CSD系列产品。俄罗斯在试验研究长径比为0.52 左右的筒形柔轮，并已研制成功传动比在85~115范围内的具有超短柔轮的DP 系列谐波齿轮传动装置,其柔轮在额定载荷作用下能可靠地工作500h。 7 国产化难度 在谐波齿轮传动方面，中国研究制造谐波传动的公司有五六十家，盲目恶性竞争，而在日本、美国、德国均只有一家，他们集中自己的技术和资金优势打造自己国内的品牌，性能不断提升，市场份额不断扩大。在中国的机器人市场上90%用的是外国谐波传动。李克美专家介绍，日本短筒谐波齿轮已发展到了第三代，中国还处于第二代，在设计水平上，国内外是没有差别的，技术核心都是不断朝前发展，国产化难度主要有下边几方面： 一是材料及其处理方面。材料决定性能，外国均采用先进的材料和锻造热处理工艺，保证了谐波齿轮的强度、硬度和刚度，延缓可齿轮的变形和疲劳破坏，提高了寿命。中技克美汪老师介绍说，机械加工工艺对谐波齿轮的性能都是看的见的，而材料，热处理和锻造对谐波齿轮的性能则是看不见的，这也决定了在谐波齿轮传动上对材料及其处理更难以把握。 二是制造设备方面。日美的制造设备好，采用全套自动化数控机床进行制造加工，精度高，操作上也不容易出错。国内在谐波传动上由于没有技术改造费，依旧采用上世纪七八十年代的老旧机床依靠人进行手工加工，对产品的质量对技师的安全都非常不利，如果加工工人稍微马虎，产品及报废，不能满足要求。制造设备的落后是产品性能落后的最主要因素。 三是市场领域方面。谐波传动应用范围广，在我国各个行业均有应用，民用市场巨大，世界看好，无论是日本、美国和德国的谐波传动公司都虎视眈眈，想在中国市场分得一块大蛋糕，中技克美公司有效遏制了这一形式，但已经73岁高龄李克美老师非常担忧，外国做市场的人不仅有很强的市场意识，而且懂技术。中国在这方面远远没有发展起来。后续应该改造市场销售人员，用对产品非常熟悉的人来开发市场。