一种谐波减速器刚轮齿形优化方法
技术领域
本发明涉及谐波减速器刚轮齿形设计
技术领域
，尤其涉及一种谐波减速器刚轮齿形优化方法，适用于优化谐波减速器的刚轮齿形，减小减速器侧隙，提高谐波减速器啮合性能，使柔轮与钢轮啮合时受力更均匀。背景技术
波减速器具有传动比大、传动精度高、结构紧凑、承载能力强等特点，因此适用于高精、高负载、安装空间小的应用场景，目前被广泛应用于航空航天、工业机器人等领域。谐波减速器主要由波发生器、刚轮、柔轮构成。波发生器装入柔轮内部，柔轮因被波发生器撑大而产生与波发生形状相同的变形。装入波发生器后的柔轮长轴部分齿与刚轮齿接触、啮合，短轴部分齿与刚轮齿脱开。长短轴的位置随着波发生器的转动发生交替变化。刚轮和柔轮之间因存在极小的齿数差，依据传动比公式i＝(Zf-Zc)/Zf(Zf是柔轮齿数，Zc是刚轮齿数)，可实现大减速比传动。
柔轮、刚轮间通过相互啮合传递运动与力，刚轮齿形与柔轮齿形对于啮合效果起着决定性作用，因此好的齿形可以提高传动效率与传动精度，使啮合齿面之间受力更加均匀，提高啮合性能与齿轮寿命。
目前设计与优化刚轮齿形多采用包络法。该方法是代入柔轮参数到柔轮运动轨迹方程得到柔轮理论运动轨迹，基于该轨迹取包络线得到刚轮齿廓的近似曲线。该方法最大的问题在于代入的柔轮参数多采用经验值或是通过静态测量方法得到，而以上两种方法获得的柔轮参数均不准确，因此难以仿真得到接近真实情况的柔轮运动轨迹，包络得到的刚轮齿形与柔轮齿形在实际啮合过程中传动效果较差，甚至会产生柔轮、刚轮干涉的现象。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种谐波减速器刚轮齿形优化方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种谐波减速器刚轮齿形优化方法，具体包括以下步骤：
S1、通过二次切割加工在谐波减速器刚轮上形成观测豁口；
S2、将切割加工后的谐波减速器安装到谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置中，经过谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置测量得到啮合运动状态下谐波减速器的柔轮参数；
S3、通过MATLAB对得到的柔轮参数进行处理，并将处理后的柔轮参数代入柔轮运动轨迹方程，通过MATLAB仿真得到高度拟合真实柔轮运动的运动轨迹；
S4、取真实柔轮运动的运动轨迹包络线，基于该包络线采用多段圆弧拟合包络线以获得优化后的刚轮齿形。
步骤S1所述的观测豁口形状为扇形体，扇形体两弧线中心均位于刚轮中心轴线上，半径分别同刚轮齿顶圆半径、刚轮外轮廓半径相等，扇形体高度与刚轮齿轮长度相等。
所述扇形体所对应圆心角的度数为27.5度。
所述的谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置包括有固定安装在固定基座上的运动装置本体部分和参数测量部分。
所述的运动装置本体部分包括有交流伺服电机、十字滑块联轴器一、转矩转速传感器一、十字滑块联轴器二、切割加工后的谐波减速器、凸缘联轴器、转矩转速传感器二、十字滑块联轴器三和磁粉制动器；所述交流伺服电机通过十字滑块联轴器一驱动扭矩转速传感器一转动，扭矩转速传感器一通过十字滑块联轴器二带动切割加工后的谐波减速器转动，切割加工后的谐波减速器通过凸缘联轴器驱动扭矩转速传感器二转动，扭矩转速传感器二通过十字滑块联轴器三驱动磁粉制动器转动。
所述的交流伺服电机固定安装在电机固定底座上，转矩转速传感器一和转矩转速传感器二分别固定在传感器固定座一和传感器固定座二上，所述切割加工后的谐波减速器固定安装在减速器固定底座上，所述的电机固定底座、传感器固定座一、传感器固定座二、减速器固定底座和磁粉制动器分别固定安装在所述固定基座上。
所述的参数测量部分包括有固定支架板一、固定支架板二、三自由度位移台、位移台固定板和传感器固定板，所述固定支架板一和固定支架板二平行对称布置于固定基座宽度方向中部，固定支架板一和固定支架板二之间连接有固定支架板三，所述三自由度位移台由三个不同位移方向的位移台连接构成，三自由度位移台底部固定于位移台固定板的中心位置，位移台固定板固定在固定支架板一和固定支架板二上；所述点激光位移传感器固定于传感器固定板的一端，传感器固定板固定于三自由度位移台的其中一个位移台上。
所述步骤S2具体过程如下：
S2.1将切割加工后的谐波减速器安装到谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置中后，通过三自由度位移台校准点激光位移传感器位置，使点激光位移传感器能够正常测量，并且固定于刚轮上观测豁口的开口端；
S2.2、打开交流伺服电机，交流伺服电机转动，依次带动扭矩转速传感器一、谐波减速器、扭矩转速传感器二和磁粉制动器转动，点激光位移传感器记录数据；S2.3、通过三自由度位移台使点激光位移传感器沿x轴负方向移动0.5mm；
S2.4、重复步骤S2.2、S2.3，直到点激光位移传感器移动到刚轮观测豁口闭口端。
所述的步骤S3的具体内容如下：通过MATLAB对点激光位移传感器记录的数据进行降噪、优化处理，最终获得沿x轴每间隔0.5mm的截面位置上柔轮径向变形量最大值与最小值差值的绝对值δ，从多个绝对值δ中选出最大值δmax与最小值δmin。
将所述柔轮径向变形量极值δmax、δmin代入柔轮运动轨迹方程，通过MATLAB仿真得到柔轮运动轨迹。
本发明的优点是：
本发明通过使用一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置测量得到啮合运动状态下真实的谐波减速器柔轮参数，通过MATLAB仿真得到高度拟合真实柔轮运动的运动轨迹，取柔轮运动轨迹包络线，基于该包络线采用多段圆弧拟合包络线以获得优化后刚轮的齿廓。本发明提供了一种高可靠性的谐波减速器刚轮齿形优化方法，对谐波减速器刚轮齿形优化具有重要意义。
本发明可以有效优化谐波减速器刚轮齿形，通过本发明优化后的刚轮与柔轮间侧隙更小，啮合传动效率更高，齿面受力更均匀，使用寿命更长，使柔轮与刚轮具有更好的啮合性能，更优的齿面接触受力条件，杜绝因刚轮齿形设计不合理而与柔轮齿产生干涉的情况。
附图说明
图1为本发明谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置的结构示意图；
图2为本发明方法流程图；
图3为切割加工后的谐波减速器爆炸图；
图4为处理后的数据图；
图5为柔轮运动轨迹仿真与包络曲线图；
图6为参数测量部分结构示意图。
具体实施方式
如图2所示，一种谐波减速器刚轮齿形优化方法，具体包括下述步骤：
第一步，通过二次切割加工在谐波减速器9刚轮93上形成特定形状的观测豁口94；
第二步，将加工后的谐波减速器9安装至谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置中。打开装置开关，通过三自由度位移台13校准点激光位移传感器10位置，使点激光位移传感器10能够正常测量，并且固定于刚轮观测豁口94的开口端；
第三步，通过控制器22控制交流伺服电机2转动，点激光位移传感器10记录数据后回传、存储至工业计算机23；
第四步，通过三自由度位移台13使点激光位移传感器10沿x轴负方向移动0.5mm；
第五步，重复步骤第三步、第四部，直到点激光位移传感器10移动到刚轮观测豁口94闭口端；
第六步，在工业计算机23上通过MATLAB对数据进行降噪、优化处理后将数据可视化即可得到图4所示图形。求解沿x轴每间隔0.5mm的截面位置上柔轮径向变形量最大值与最小值差值的绝对值δ，重多个δ中选出最大值δmax与最小值δmin；
第七步，将柔轮径向变形量极值δmax、δmin代入柔轮运动轨迹方程，通过MATLAB仿真得到柔轮运动轨迹，如图5所示；
第八步，取柔轮的运动轨迹包络曲线，如图5所示；
第九步，用多段曲线拟合包络曲线即获得优化后刚轮齿形。
如图1所示，所述谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置，包括有运动装置本体部分和参数测量部分。
运动装置本体部分：交流伺服电机2固定安装在已固定于固定基座1的电机固定底座3上，通过十字滑块联轴器一4驱动扭矩转速传感器一5转动，扭矩转速传感器一5通过十字滑块联轴器二7带动切割加工后的谐波减速器9转动，切割加工后的谐波减速器9通过凸缘联轴器驱动扭矩转速传感器二16转动，扭矩转速传感器二16通过十字滑块联轴器三18驱动磁粉制动器19转动；电机固定底座3位于固定基座1宽度方向中部，长度方向距离固定基座1端口200mm，电机固定底座3的底面与固定基座1上表面重合，并由横向以距离为200mm均布2个、纵向以距离100mm均布2个的M20的滑块螺母螺栓组合阵列固定在固定基座1上；交流伺服电机2通过4个间距为80mm方形均布螺栓固定于电机固定底座3上端中心处；扭矩转速传感器一5通过十字滑块联轴器一4与交流伺服电机2连接，三者同心，扭矩转速传感器一5通过4个间距为100mm方形均布螺栓固定于传感器固定底座一6上，传感器固定底座一6通过4个间距为200mm方形均布滑块螺母螺栓阵列组合固定于固定基座1宽度方向中部，长度方向距离固定基座1端口500mm；切割加工后的谐波减速器9的输入端通过十字滑块联轴器二7与转矩转速传感器一5连接，三者同心，切割加工后的谐波减速器9通过半径为80mm的360度螺栓螺孔阵列组合固定于减速器固定底座8上端中部，减速器固定底座8位于固定基座1宽度方向中部，长度方向距离固定基座1端口800mm，减速器固定底座8的底面与固定基座1上表面重合，并由横向以距离为200mm均布2个，纵向以距离100mm均布2个的M20的滑块螺母螺栓组合阵列，固定在固定基座1上；转矩转速传感器二16通过凸缘联轴器15与切割加工后的谐波减速器9输出端连接，三者同心，扭矩转速传感器二16通过4个间距为100mm方形均布螺栓固定于传感器固定底座二17上，传感器固定底座二17通过4个间距为200mm方形均布滑块螺母螺栓阵列组合固定于固定基座1宽度方向中部，长度方向距离固定基座1端口1000mm；磁粉制动器19通过十字滑块联轴器三18与转矩转速传感器二16连接，磁粉制动器19位于固定基座1宽度方向中部，长度方向距离固定基座1端口1500mm，磁粉制动器19底部与固定基座1上表面重合，并由横向以距离为500mm均布2个，纵向以距离200mm均布2个的M20的滑块螺母螺栓组合阵列，固定在固定基座1上；磁粉制动器19可用于模拟不同负载。
扭矩转速传感器设置目的是确保被测谐波减速器的输入工况达到理想标准，最终保证测量结果的准确性。作用是检测谐波减速器输入端实际转速与伺服电机输出转速是否一致，检测谐波减速器输出端的转矩与磁粉制动器输入的方向转矩是否相同。两个扭矩转速传感器具体实施方式：开启综合电源后扭矩转速传感器进入工作状态，扭矩转速传感器通过工业计算机的显示屏实时反馈谐波减速器输入端与输出端的实时转矩和转速参数。
如图6所示，参数测量部分：固定支架板一11、固定支架板二20对称布置于固定基座1宽度方向中部，固定支架板一11与固定支架板二20宽度方向相距600mm，两支架板中心在长度方向距离固定基座1端口1000mm；固定支架板三21连接在固定支架一11与固定支架板二20之间，固定支架板一11和固定支架板二20均为H型，固定支架一11与固定支架板二20底部均连接有长度为600mm的铝型架；三自由度位移台13由三个不同位移方向的位移台连接构成，三自由度位移台13底部通过4个间距为50mm方形均布螺栓螺孔阵列组合固定于位移台固定板14的中心位置，位移台固定板14由横向以距离为580mm均布2个、纵向以距离80mm均布2个的M8的滑块螺母螺栓阵列组合，固定在固定支架板一11与固定支架板二20上；点激光位移传感器10通过4个间距为80mm方形均布螺栓螺孔阵列组合固定于传感器固定板12的一端，传感器固定板12通过4个间距为80mm方形均布螺栓螺孔阵列组合固定于三自由度位移台上。
如图3所示，谐波减速器包括有波发生器91、柔轮92、钢轮93，谐波减速器刚轮93通过二次切割加工形成特定形状的观测豁口94，观察豁口94形状呈扇形体，扇形体两弧线中心均位于刚轮中心轴线上，半径分别同刚轮齿顶圆半径与刚轮外轮廓半径相等，扇形体高度与刚轮齿轮长度相等，扇形体所对应圆心角的度数为27.5度。
