Редукторы с гармоническим эффектом или волновые редукторы широко используются в компактных прецизионных системах перемещения, где требуется высокое передаточное отношение, низкий люфт и высокая плотность крутящего момента. Они особенно актуальны для шарниров роботов, полупроводникового оборудования, аэрокосмических механизмов и систем точного позиционирования. Типичные волновые редукторы позволяют достигать больших передаточных отношений в одноступенчатом режиме, часто от примерно 30:1 до значительно более 100:1 в зависимости от конструкции.
Кажущаяся механическая простота вводит в заблуждение. Типичный редуктор содержит всего три основных элемента передачи — гибкий шлицевой вал, круговой шлицевой вал и волновой генератор, — но его производительность зависит от контролируемой упругой деформации чрезвычайно тонкого стального компонента. Состояние материала, толщина стенки, геометрия зубьев, термообработка, обработка зубчатых колес, точность подшипников, сборка и смазка — все это влияет на точность передачи, жесткость, эффективность, уровень шума и срок службы.
Как работает гармонический редуктор
Гибкий шлицевой вал представляет собой тонкостенную стальную чашку с наружными зубьями у открытого конца. Круговой шлицевой вал представляет собой жесткое кольцо с внутренними зубьями, а волновой генератор состоит из прецизионного кулачка в сочетании с гибким тонкостенным подшипником.
Когда генератор волн вставляется в гибкий шлицевой вал, он деформирует открытый конец, придавая ему эллиптическую форму. Зубья гибкого шлицевого вала входят в зацепление с круговым шлицевым валом в основном вокруг главной оси. Поскольку количество зубьев у двух шестерен немного различается, один оборот генератора волн вызывает гораздо меньшее относительное вращение выходного компонента, создавая высокое передаточное отношение.
Этот механизм объясняет, почему производство настолько требовательно. Гибкий шлицевой вал не является жесткой шестерней; он постоянно деформируется во время работы. Поэтому геометрия стенок, конструкция основания зуба, усталостная прочность и условия термообработки влияют как на зацепление шестерни, так и на срок ее службы.
Почему в шарнирах человекоподобных роботов используются гармонические редукторы?
Гуманоидные приводы должны создавать значительный крутящий момент в суставах, оставаясь при этом компактными и легкими. Волноводные редукторы привлекательны, поскольку они могут обеспечить высокое передаточное число в соосном и относительно компактном механизме при сохранении малого люфта.
Потенциальные области применения включают запястные, локтевые, плечевые и другие компактные вращательные суставы, хотя неверно предполагать, что каждый сустав с малой нагрузкой обязательно должен использовать гармонический редуктор. В зависимости от выходного крутящего момента, скорости, ударной нагрузки, возможности обратного хода и ограничений по размерам также используются планетарные, циклоидальные, квазипрямоприводные и линейные приводы.
По мере перехода от производства человекоподобных роботов к серийному выпуску, себестоимость производства становится столь же важной, как и точность. Поэтому формовка с минимальной последующей обработкой, автоматизированное формирование зубчатых колес и выборочная прецизионная чистовая обработка становятся все более важными альтернативами обработке каждой детали целиком из цельного материала.
Основные компоненты гармонического редуктора
Гибкийсплайн
Как правило, наиболее сложная в изготовлении деталь — это гибкий шлицевой вал. Он сочетает в себе очень тонкую цилиндрическую стенку, внешние зубья шестерни, диафрагму и центральную ступицу. Он должен деформироваться в радиальном направлении, оставаясь при этом достаточно жестким на кручение для передачи крутящего момента.
Поэтому для данного материала необходимы не только максимальная твердость, но и прочность на усталость, ударная вязкость и стабильность размеров. Концентрация напряжений часто возникает в области перехода между цилиндрической стенкой, диафрагмой и ступицей, что делает расчет радиуса и толщины стенки важными факторами, влияющими на усталостную долговечность.
Круговой сплайн
Круговой шлицевой вал является жестким и содержит внутреннюю шестерню. Основные сложности при его изготовлении включают в себя внутренний профиль зуба, точность шага, биение шестерни и соосность между внутренней шестерней и внешними точками крепления или подшипниками.
В зависимости от модуля, диаметра, твердости и объема производства, технологические процессы могут включать в себя зубопрокатку, протяжку, силовую обработку и шлифовку.
Генератор волн
Волногенератор состоит из прецизионного кулачка и гибкого подшипника. Его профиль определяет деформацию, воздействующую на гибкий шлиец, и, следовательно, влияет на зацепление зубьев, распределение нагрузки и жесткость редуктора.
Геометрия детали, изготовленной на заказ, должна соответствовать фактическому профилю кулачка, а не просто предполагать идеальную математическую форму эллипса. Точность профиля, симметрия, качество поверхности, посадка подшипника и соосность с входным валом — все это имеет значение.
Почему обработка гибких шлицевых соединений так сложна
Геометрия тонких стенок
Толщина стенок некоторых гибких шлицов составляет около 1 мм или меньше, в зависимости от размера редуктора. Во время черновой обработки заготовка может быть относительно жесткой, но жесткость резко снижается по мере удаления материала.
Усилия зажима, которые на ранних этапах процесса безвредны, могут деформировать готовую деталь. Силы резания также могут прогибать стенку, вызывая конусность, овальность или локальные колебания толщины.
Удаление материала и остаточные напряжения
Традиционные гибкие шлицы могут изготавливаться из цельного куска заготовки с чрезвычайно большим объемом удаляемого материала. По мере удаления материала остаточные напряжения в заготовке перераспределяются и могут деформировать деталь.
Таким образом, стабильный процесс разделяет черновую обработку и окончательную чистовую обработку и может включать промежуточную стабилизацию или термообработку в зависимости от сплава.
Равномерность толщины стенки
Равномерная толщина стенок особенно важна, поскольку гибкий шлиц должен деформироваться предсказуемо. Разница в размерах, которая была бы незначительной в жестком корпусе, может создать неравномерную жесткость гибкого шлиця, изменяя зацепление зубьев и локальное напряжение.
Таким образом, цель состоит не просто в достижении минимальной толщины стенки, а в поддержании постоянной толщины по всей окружности и в переходной зоне.
Зажим для тонкостенных заготовок
Традиционные зажимные губки могут легко деформировать готовый гибкий шлицевой вал. Могут потребоваться мягкие губки, разжимные оправки, специальные валы или другие методы распределенного зажима, а стратегия зажима часто меняется между черновой, чистовой обработкой и нарезкой зубчатых колес.
Именно поэтому планирование производственных процессов так же важно, как и возможности станков.
Технологический процесс производства гибких шлицевых соединений
Заготовки и преформы
В качестве исходного материала могут использоваться пруток, поковка, труба или заготовка, близкая к окончательной форме. Обработка цельного материала обеспечивает гибкость при изготовлении прототипов, но приводит к большим потерям материала, в то время как процессы формования или обработки, близкой к окончательной форме, становятся более привлекательными по мере увеличения объемов производства.
Черновая токарная обработка на станке с ЧПУ
Внешний диаметр, внутренняя полость, диафрагма и ступица первоначально подвергаются черновой токарной обработке, пока деталь еще обладает достаточной жесткостью. Материал обычно оставляют на критически важных поверхностях для последующей чистовой обработки.
На данном этапе задача состоит в том, чтобы установить стабильные базовые точки и удалить большую часть избыточного материала, не создавая при этом окончательное тонкостенное состояние слишком рано.
Термическая обработка и управление стрессом
Термическая обработка имеет решающее значение, поскольку гибкий шлицевой вал должен обладать усталостной прочностью, ударной вязкостью и износостойкостью зубьев. Точный процесс зависит от материала и конструкции редуктора, поэтому универсального рецепта твердости или термической обработки не существует.
Термическая обработка также может деформировать тонкую чашку. Поэтому припуск на механическую обработку и последовательность чистовой обработки следует разрабатывать одновременно с процессом термообработки.
Окончательная обработка тонкостенных материалов
После черновой обработки и основной термической обработки стенку можно подвергнуть чистовой обработке. Низкие силы резания, острый инструмент и тщательно распределенная фиксация заготовки помогают уменьшить деформацию.
Измерения также необходимо проводить с контролируемым контактным усилием, поскольку измерительный прибор с высоким усилием может деформировать деталь и привести к ошибочным результатам.
Обработка зубьев шлицевых шестерен
Зубофрезерование
Зубофрезерование — важный промышленный процесс для изготовления наружных зубьев гибких шлицов. Современные исследования показывают, что осевая подача фрезы, погрешность угла установки, диаметр фрезы и стратегия формирования коронки зуба могут влиять на качество готовой поверхности зуба.
Именно поэтому зубофрезерование с использованием гибких шлицов не следует описывать просто как «менее точное, чем электроэрозионная обработка». Точность станка, геометрия фрезы, настройка, конструкция зубьев и последующая чистовая обработка — все это влияет на конечный результат.
Нарезка зубьев и фрезеровка зубьев
Зуборезная обработка может использоваться для получения определенных форм внутренних и внешних зубьев, а силовое фрезерование становится все более привлекательным методом для изготовления прецизионных внутренних зубчатых передач, поскольку оно может обеспечить значительно более высокую производительность, чем традиционная зуборезная обработка.
В зависимости от диаметра, модуля и объема производства, круглые шлицы особенно хорошо подходят для этих процессов.
Проволока EDM
Электроэрозионная обработка проволокой полезна для изготовления прототипов, обработки закаленных материалов и зубьев особой геометрии, поскольку она создает очень малую силу резания. Она позволяет создавать сложные профили без специальных инструментов для нарезания зубьев, что делает ее привлекательной на этапе разработки.
К его недостаткам относятся более низкая производительность и необходимость учета переплавленного слоя, целостности поверхности и последующей отделки. Поэтому его не следует рассматривать как стандартное решение для каждого прототипа.
Шлифовка зубчатых колес и окончательная обработка
В зависимости от материала и требований к характеристикам, после закалки зубья могут потребовать шлифовки или другой финишной обработки. Цель состоит в контроле профиля, шага, шероховатости поверхности и отклонений, возникших в ходе предыдущих процессов.
Технически бессмысленно утверждать, что «все погрешности зубьев гармонического редуктора должны быть ниже 1 мкм». Точность зубчатых передач определяется несколькими параметрами, включая отклонение профиля, изменение шага, биение и состояние поверхности.
Обработка круговых шлицов
Круговой шлицевой вал не подвергается значительной упругой деформации, но его внутренняя зубчатая передача определяет жесткую сторону системы зацепления. Поэтому внутренняя геометрия зубьев должна быть точно соотнесена с базовыми точками крепления и подшипников.
Типичный производственный процесс может включать токарную обработку заготовок, обработку элементов крепления, изготовление внутренних зубчатых передач, термообработку и окончательную прецизионную чистовую обработку.
Перенос базовых точек следует свести к минимуму. Если внутренняя ось шестерни и внешний диаметр подшипника должны быть концентричными, в процессе изготовления следует сохранять общую точку отсчета везде, где это практически возможно.
Волновой генератор, обработка на станках с ЧПУ.
Профиль кулачка
Профиль волнового генератора определяет, как деформируется гибкий подшипник и шлицевой вал во время вращения. Небольшие погрешности профиля могут изменить контакт зубьев, распределение крутящего момента и нагрузку на подшипник.
Поэтому профильный контроль более полезен, чем измерение только большого и малого диаметров.
Посадка подшипника и качество обработки поверхности
Гибкий подшипник должен плотно прилегать к генератору волн без чрезмерного перемещения или натяга. Выбор оптимального размера зависит от конструкции подшипника, температуры и способа сборки.
Контактная поверхность также нуждается в тщательной обработке, поскольку неровности поверхности могут влиять на тонкое кольцо подшипника. Поэтому для высокопроизводительных применений после токарной обработки может потребоваться прецизионная шлифовка.
Термическая обработка в редукторе гармоник
Термическая обработка влияет не только на твердость зубьев. Гибкий шлицевой вал должен выдерживать многократные упругие деформации, поэтому чрезмерная твердость за счет прочности может снизить усталостную долговечность.
В зависимости от сплава и компонента, процессы могут включать сквозную закалку, цементацию, азотирование или обработку, специфичную для производителя. Правильный процесс должен обеспечивать баланс между износостойкостью, усталостной прочностью и стабильностью размеров.
Поэтому механическую обработку и термообработку необходимо планировать как единую систему. Слишком интенсивная обработка материала перед термообработкой может привести к деформации, а слишком длительная обработка после нее — к возникновению остаточных напряжений.
Требования, которые действительно имеют значение
Профиль зуба и шаг зуба
Геометрия зубьев с гибкими и круговыми шлицами напрямую влияет на погрешность передачи, распределение нагрузки и потери хода. В современных зубчатых передачах с волновой деформацией часто используются модифицированные или запатентованные формы зубьев, а не простая традиционная эвольвентная геометрия.
Поэтому заданный заказчиком профиль следует рассматривать как контролируемые проектные данные и не следует заменять его типовой формой зубьев, основанной только на модуле и количестве зубьев.
Концентричность и биение
Волновой генератор, гибкий шлицевой вал и круговой шлицевой вал имеют общую функциональную ось передачи. Несоосность изменяет распределение нагрузки и может снизить точность и срок службы.
Поэтому при механической обработке и сборке следует использовать базовую систему координат, которая сохраняет общую ось между шестерней, подшипником и элементами крепления.
Чистота поверхности
Качество обработки поверхности влияет на износ и контактные характеристики, особенно на поверхностях подшипников волногенераторов и обработанных зубьях шестерен. Его следует определять в соответствии с функциональными задачами, а не использовать универсальное требование к сверхнизкому значению Ra.
Материалы для снижения гармоник
| Компонент | Основное требование | Типичное направление материала |
|---|---|---|
| Гибкийсплайн | Предел усталости, ударная вязкость, контролируемая эластичность | Высококачественная легированная сталь |
| Круговой сплайн | Прочность зубьев, износостойкость, стабильность размеров. | Легированная или закаленная сталь |
| Центр генератора волн | Прочность, размерная стабильность | легированная сталь |
| Гибкий подшипник | Сопротивление усталости при качении | Сталь подшипникового класса |
| Дома | Жесткость и малая масса | Алюминий или сталь |
| Различные выходные фланцы | Сила и низкий вылет | Алюминий, легированная сталь или титан |
Поэтому утверждать, что гибкие шлицы и подшипники скольжения обычно изготавливаются из стали 40Cr, было бы слишком общим. Для конкретного применения необходимо указать точную марку материала, условия термообработки и сертификацию.
Смазка и сборка
Даже идеально обработанный зубчатый механизм может работать плохо, если его неправильно собрать или смазать. Смазка влияет на трение, повышение температуры, износ, шум и срок службы, особенно в области гибкого подшипника, зоны зацепления зубьев и внутренней поверхности шлицевого соединения.
Сборка также имеет значение, поскольку три основных компонента могут быть подобраны как единый комплект. Соответствие размеров отдельных деталей не обязательно означает, что различные гибкие шлицы, круглые шлицы и волновые генераторы можно комбинировать без изменения характеристик.
Проверка компонентов редуктора гармоник
Проверка гибких шлицевых соединений
Контроль может включать в себя определение распределения толщины стенки, округлости, профиля зуба, толщины зуба, погрешности шага и геометрии перехода диафрагмы. Силу измерения следует контролировать, чтобы избежать деформации тонкой стенки во время контроля.
Проверка шлицевого соединения
Важные характеристики включают внутреннюю геометрию зубьев, шаг, биение, установочные диаметры и соотношение между осью шестерни и опорными точками крепления. Может потребоваться специализированное оборудование для измерения параметров зубчатых передач.
Проверка волнового генератора
Необходимо проверить геометрию профиля, биение, поверхности посадки подшипников и соосность с входной базовой точкой. Один лишь микрометр не может в полной мере охарактеризовать функциональный профиль кулачка.
Полное тестирование редуктора
Системные испытания могут включать проверку погрешности передачи, потери хода, жесткости на кручение, крутящего момента холостого хода, эффективности, повышения температуры, шума и долговечности. Эти испытания необходимы, поскольку одной лишь точности размеров недостаточно для гарантии работоспособности редуктора.
Прототип против серийного производства
Для опытных образцов может быть оправдано использование станков с ЧПУ , электроэрозионной обработки и гибких технологических процессов. При больших объемах производства более экономичными становятся специализированное зубофрезерование, снятие фаски, изготовление заготовок, близких к окончательной форме, автоматизированная термообработка и автоматизированный контроль качества.
В частности, для человекоподобных роботов крупномасштабное производство, вероятно, приведет к увеличению использования процессов формовки и обработки деталей, близких к окончательной форме, с последующей выборочной прецизионной обработкой, вместо обработки каждой детали целиком из заготовки.
Какие детали гармонического редуктора подходят для обработки на станках с ЧПУ?
| Компонент | роль станков с ЧПУ |
|---|---|
| Заготовка Flexspline | Токарная обработка и подготовка базовых точек для тонкостенных конструкций. |
| кулачок генератора волн | Высокоточная токарная обработка и предварительная шлифовка. |
| Заготовка для кругового шлицевого соединения | Токарная и базовая обработка |
| Различные выходные фланцы | Соединения при токарной, фрезерной обработке и обработке подшипников |
| Корпус редуктора | Многоосевая обработка |
| Адаптер двигателя | Точная расточка и выравнивание фланцев. |
| Подшипниковая опора | Токарная и слесарская обработка |
| Прототип компонентов шестерни | Разработка производства |
| Инспекционные приспособления | Точное определение местоположения и измерение |
Специализированная нарезка зубчатых колес, шлифовка зубчатых колес, термообработка и производство подшипников остаются отдельными производственными направлениями. Надежный поставщик должен отделять эти процессы от общей обработки на станках с ЧПУ.
Проектирование с учетом технологичности производства (DFM) для компонентов гармонических редукторов.
На чертежах Flexspline следует указать места, где толщина стенки имеет решающее функциональное значение, а также места, где во время обработки может оставаться временный опорный материал. На чертежах волнового генератора следует указывать фактический проектируемый профиль, а не только основной и вспомогательный диаметры.
Базовые точки зубчатых передач с круговыми шлицами должны быть согласованы с интерфейсами подшипников и корпусов, а корпуса редукторов должны быть спроектированы таким образом, чтобы соответствующие отверстия можно было выполнить из стандартных комплектующих.
Допуски следует сосредоточить на элементах передачи и сборки. Применение требований на уровне микрон к нефункциональным поверхностям увеличивает затраты на механическую обработку и контроль качества без улучшения характеристик редуктора.
Прецизионная механическая обработка для редуктора гармоник
Полный запрос коммерческого предложения должен включать 3D CAD-модель, чертеж с указанием размеров, точную марку материала, спецификацию термообработки, данные о профиле зубьев (где это применимо), критически важные базовые элементы, геометрические допуски и размеры (GD&T), шероховатость поверхности, ожидаемое количество и требования к контролю качества.
В случае применения в робототехнике, номинальное и максимальное крутящее моменты, ожидаемая скорость и расположение шарниров также могут помочь поставщику понять, какие характеристики являются функционально важными.
Изготовление гармонических редукторов представляет собой сложную задачу, поскольку их рабочие характеристики зависят от контролируемой упругой деформации, а не только от жесткой геометрии зубчатого колеса. Гибкий шлицевой вал должен оставаться тонким, устойчивым к усталости и иметь стабильные размеры; круговой шлицевой вал должен сохранять точную внутреннюю геометрию зубчатого колеса; а генератор волн должен обеспечивать правильную схему деформации.
Высокоточная обработка на станках с ЧПУ особенно ценна для заготовок гибких шлицев, волновых генераторов, заготовок с круговыми шлицами, выходных фланцев, опор подшипников и корпусов приводов. Предварительный анализ DFM перед началом производства позволяет выявить деформацию тонких стенок, сложные соотношения базовых элементов, требования к изготовлению зубчатых передач и допуск на термообработку до выпуска первой партии продукции.
