CN108460227A - 一种柔轮结构设计与优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种谐波减速器柔轮结构设计与优化方法，首先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；然后通过FEM方法提取各方案的特征值并进行解析；最后利用响应面法和CCD优化算法进行最佳方案的全域求解。本发明设计出一种带有锥度的柔轮结构新形式，在降低柔轮轮齿翘曲、提高轮齿重合度方面具有重要意义。

Description

一种柔轮结构设计与优化方法
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示意图；
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示意图；
图4为即将进行优化的参数自变量和轮齿路径示意图；
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；
2.3 将求解后的位于波发生器长轴处的柔轮轮齿路径ab上的数据导入到Sigmaplot软件，比较几种方案的优劣，如图3所示，得出锥体直齿的结构形式为最佳。
第三步，针对最佳方案进行响应面优化
3.1 在AW 的Design Modeler模块中将筒体锥度转化为筒体倾斜角度，以设计参数β为自变量，如图4所示，取值范围0～3°；
3.2 在AW的Results中将柔轮筒体最大应力和轮齿路径上的最大径向位移设为因变量，作为优化目标；
3.3 确定以柔轮体积最小为约束，边界条件同步骤2.1，然后采用Central CompositeDesign（CCD）优化算法进行样本点设计，并进行响应优化，整体流程如图5所示。
在本设计案例中，设计出一种能够降低柔轮径向翘曲的新结构形式，在优化前后的柔轮最大应力相差不大的情况下，优化后的柔轮轮齿径向翘曲降低了1.2%，如图6所示，达到了柔轮结构优化的目的，实现了预期目标。
在本设计案例中，优化后的柔轮筒壁的角度β应控制在1°～2°，换算成锥度为1/50～1/30为宜。

Claims (6)

1.一种谐波减速器柔轮结构设计与优化方法，其特征在于：该谐波减速器柔轮结构设计与优化方法采用了相似性与矛盾性分析、响应面法、FEM方法、CCD优化算法中的一个或多个。
2.根据权利要求1所述的一种谐波减速器柔轮结构设计与优化方法，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的一种谐波减速器柔轮结构设计与优化方法，其特征在于：对柔轮筒体进行一定的锥度调整，降低波发生器压入后的轮齿径向翘曲，提高轮齿重合度。
4.根据权利要求1所述的一种谐波减速器柔轮结构设计与优化方法，其特征在于：进行相应优化后，柔轮筒壁的角度β宜控制在1°～2°，换算成锥度为x/y=1/50～1/30。
5.根据权利要求1所述的一种谐波减速器柔轮结构设计与优化方法，其特征在于：柔轮筒壁内部锥度起始位置与轮齿左端面轴向间距为2～3mm，减少波发生器与分界线重合磨损的可能。
6.根据权利要求1所述的一种谐波减速器柔轮结构设计与优化方法，其特征在于：本发明的结构形式适用于长径比在0.5～0.7范围内的柔轮。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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