谐波齿轮传动与滚珠螺旋传动
谐波齿轮传动与滚珠螺旋传动
四、滚珠螺旋传动
1. 工作原理与结构
滚珠丝杆副结构
端盖循环 插管循环
四、滚珠螺旋传动
丝杠和螺母的螺纹滚道间装有承载滚珠， 丝杠和螺母的螺纹滚道间装有承载滚珠，当丝 杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动， 杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝杠 与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦， 与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚 珠从滚道中滚出， 珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程 引导装置，它们与螺纹滚道形成循环回路， 引导装置，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚 珠在螺母滚道内循环。 珠在螺母滚道内循环。 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环 内循环和 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循 二种。 环二种。 其中内循环又分为固定式内循环 浮动式内循环。 固定式内循环和 其中内循环又分为固定式内循环和浮动式内循环。 外循环又分为螺旋槽式 插管氏、端盖式。 螺旋槽式、 外循环又分为螺旋槽式、插管氏、端盖式。
c 端盖式
端盖式结构简单、工艺性好， 端盖式结构简单、工艺性好， 但滚道吻接和弯曲处圆角不易 加工准备而影响其性能， 加工准备而影响其性能，故应 用较少。 用较少。
四、滚珠螺旋传动
2. 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要 求外，对其轴向间隙也有严格要求， 求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向 传动精度。 传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠 与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量 和螺母原有间隙的总和。 和螺母原有间隙的总和。 通常采用双螺母预紧 单螺母（大滚珠、大导程） 双螺母预紧或 通常采用双螺母预紧或单螺母（大滚珠、大导程） 的方法，把弹性变形控制在最小限度内， 的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或 消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。 消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。
谐波齿轮传动
谐波齿轮传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动,它的出现为机械传动技术上带来了重大突破.图为谐波齿轮传动的示意图,它由三个主要构件组成,即具有内齿轮的刚轮1、具有外齿的柔轮2和波发生器3。
这三个构件和少齿差行星齿轮传动中的中心内齿轮、行星轮、和系杆相当。
通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。
当波发生器装入内孔时，由于前者的总长度略大于后者的内孔直径，故柔轮变为椭圆形，于是在椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮的两个局部啮合区；同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。
至于其余各处则视柔轮回转方向的不同，或处于啮合状态，或处于非啮合状态。
当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断变化，从而使轮齿的啮合和脱开处也随之不断变化，于是在柔轮和刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。
当波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形的循环次数与波发生器上的凸起部位数是一致的，称为波数。
常用的有两波和三波两种。
为了有利于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉，刚轮和柔轮的齿数差应等于波发生器波数（波发生器上的滚轮数）的整倍数，通常取等于波数。
由于谐波齿轮传动过程中，柔轮和刚轮的啮合过程与行星齿轮传动类似，故其传动比可按周转轮系求得。
谐波齿轮——精密制造作业
一、简述谐波齿轮的原理及特点。
1、谐波齿轮的原理谐波齿轮传动的运动转换，是依靠挠性构件的弹性变形来实现的，这种运动转换原理为变形原理。
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。
柔轮是一个薄壁外齿圈，刚轮有内齿圈，刚轮比柔轮多2~4个齿（这又因波形发生器上触轮的多少而异，双波型的为2），波发生器的一对滚子将柔轮撑成椭圆形，当波发生器为主动轮时，柔轮和刚轮为从动轮，柔轮上的外轮齿与刚轮上的内轮齿在椭圆形柔轮的长轴方向完全啮合，则柔轮的短轴方向完全脱开，而中间区域为过渡状态。
波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。
这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。
当波发生器顺时针旋转一周时，柔轮相对固定的刚轮逆时针旋转2个齿，这样就把波发生器的快速转动变为刚轮的慢速转动，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波，故称之为：“谐波”。
(1)谐波发生器（简称波发生器）(2)柔性齿轮（简称柔轮）(3)刚性齿轮（简称刚轮）图一谐波齿轮2、谐波齿轮特点(一)优点(1)结构简单，体积小，重量轻。
主要构件只有三个，与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少50%，体积和重量均减少1/3左右或更多。
(2)传动比范围大。
一般单级传动比可在50~500范围内变化；当采用行星式波发生器时为150~4000；若采用双级传动或复式传动则可达2×106。
(3)同时啮合齿数多。
在承载情况下，双波传动的啮合齿数一般可达总齿数的30~40%左右，三波传动则更多。
而普通渐开线圆柱齿轮同时啮合的齿数一般为两对左右，即重叠系数小于2。
(4)运动精度高。
谐波齿轮介绍
(7)在短轴方向柔轮齿能顺利退出啮合 如果在设计时啮合参数选择不当， 很可能导致柔轮齿在变形短轴方向不能退出啮合。因此，为满足条件，必须
d a1 d a2 2.160
即
g6 (X )
d a1
da2
2.16m
* 0
0
(8)保证柔轮刚轮齿顶不变尖 齿顶不变尖，即满足
s
a1
sa2
0.25m 0.25m
inv M 2
inv 0
2 z2
dp db2
2z2
在远上的渐
开线压力角
测量柔轮时 用的量柱测
量距
M1
M
1
M1
d1
cos 0 cos M1
d1
cos 0 cos M 1
cos
d p (偶数齿)
90 z1
d p (奇数齿)
inv20 0.014904 inv30 0.053751
测量刚轮时 用的量柱测
0 z0
2 ——刚轮齿厚改变系数 2 2x2 tan 0
0 ——刀具分度圆齿厚改变系数 0 2x0 tan 0
ra0 ——刀具顶圆半径 ra0 (0.5z0 x0 ha* c*)m
rb0 ——刀具基圆半径 rb0 0.5mz0 cos0
z0 ——刀具齿数
x0 ——刀具是变位系数 (3)最大啮入深度不应小于某一规定值 为提高传动的承载能力，并适当扩 大啮合区间，因而必须限定 hn 不能小于某一规定值。一般情况下，可取此值等 于模数m。由于最大啮入深度在柔轮的变形长轴处达到，为保证最大啮入深度不 小于m，则下面的不等式必须成立
(8)齿面磨损小而均匀，传动效率高 (9)同轴性好 (10)可实现向密闭空间传递运动及动力 缺点： (1)柔轮周期性变形，易于疲劳损坏 (2)柔轮和波发生器的制造难度较大 (3)传动比的下限值高，齿数不能太少 (4)起动力矩大，且速比越小越严重； (5)谐波齿轮传动没有中间轴，因而不能获得中间速度 (6)如果结构参数选择不当或结构时机不良，发热过大，降低传动承载能力
谐波齿轮传动与滚珠螺旋传动课件
制造工艺优化
总结词
制造工艺的优化是实现谐波齿轮和滚珠螺旋传动高性 能的关键，涉及加工方法、工艺参数和装配精度等方 面。
详细描述
制造工艺的优化包括选择合适的加工方法和工艺参数， 以确保零件的加工精度和表面质量。对于谐波齿轮，关 键的制造工艺包括齿轮切削、磨削和装配；对于滚珠螺 旋，则涉及丝杠加工、滚珠装配和预紧调整等工艺。此 外，还应关注工艺过程的稳定性和质量控制，以确保批 量生产的可靠性和一致性。通过不断改进制造工艺，可 以提高谐波齿轮和滚珠螺旋传动的性能指标和使用寿命 。
详细描述
在材料选择方面，应综合考虑材料的强度、耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性等性能，以确保传动的可靠 性和持久性。常用的材料包括优质合金钢、不锈钢和铜合金等。热处理对于提高材料的机械性能和耐 久性至关重要，包括淬火、回火、表面处理等工艺，以优化材料的硬度和耐磨损性能。
结构设计优化
总结词
结构设计是谐波齿轮和滚珠螺旋传动优化设计的核心，合理的结构设计可以显著提高传 动的效率和寿命。
滚珠螺旋传动
具有传动效率高、传动比准确、摩擦阻力小、使用寿命长 等特点。
特点比较
滚珠螺旋传动的特点是摩擦阻力小，适用于大功率、高精 度场合；而谐波齿轮传动的特点是结构紧凑，适用于空间 受限的场合。
应用场景的比较
谐波齿轮传动
01
广泛应用于航空航天、机器人、医疗器械等领域，用于传递小
扭矩、大速比的动力。
05
谐波齿轮与滚珠螺旋传动 的未来发展
新材料的应用
高强度轻质材料
采用高强度轻质材料，如碳纤维、钛合金等，以减小传动装置的 重量，提高其性能。
耐高温材料
针对高温环境下的应用，开发具有优异耐热性能的材料，以保持传 动的稳定性和可靠性。
谐波齿轮传动的三个主要部件
谐波齿轮传动的三个主要部件谐波齿轮传动是一种先进的机械传动系统，它由三个主要部件组成：柔性齿轮、波发生器和固定齿轮。
这种传动方式具有传动精度高、结构紧凑、传动效率高等优点，因此在目前的机械传动系统中有着广泛的应用。
首先，我们来介绍谐波齿轮传动的第一个主要部件——柔性齿轮。
柔性齿轮是一种非常特殊的齿轮，它具有极高的柔性和弯曲能力。
柔性齿轮一般采用线弹簧制成，可以通过变形来实现传动，具有极高的传动精度和可靠性。
除此之外，柔性齿轮还具有承载能力强、寿命长等特点，是谐波齿轮传动系统中不可或缺的一部分。
其次，我们再来介绍谐波齿轮传动的第二个主要部件——波发生器。
波发生器是谐波齿轮传动的核心部件，它可以将驱动轴旋转的力通过柔性齿轮传递给固定齿轮。
波发生器通常采用椭圆形的形状，具有高度的对称性，可以使力的传递更加均匀。
同时，波发生器的造型也决定了谐波齿轮传动的特殊传动方式，当驱动轴旋转时，波发生器上的椭圆形会发生变形，从而驱动柔性齿轮和固定齿轮之间的传动。
最后，我们再来介绍谐波齿轮传动的第三个主要部件——固定齿轮。
固定齿轮是谐波齿轮传动中负责接收力并将其传递给工作机构的部件，因此在传动系统中起着关键的作用。
固定齿轮的设计有许多技术难点，需要考虑到齿轮的材料、毛坯加工、齿形设计等多方面因素，以保证传动系统的高效和可靠性。
总体而言，谐波齿轮传动是一种高度复杂的机械传动系统，由柔性齿轮、波发生器和固定齿轮三个主要部件组成。
在应用过程中，需要注意柔性齿轮的弯曲度、波发生器的对称性以及固定齿轮的齿形设计等方面的问题，以保证传动系统的高效和可靠性。
在未来的机械制造领域中，谐波齿轮传动将有着广泛的应用前景，并成为机械传动技术领域的重要研究方向。
《谐波齿轮传动》课件
具有结构紧凑、传 动比大、传动精度 高等优点
广泛应用于航空航 天、机器人、医疗 器械等领域
柔性齿轮：由薄壁金属材料 制成，具有弹性变形能力
基本原理：通过柔性齿轮的弹 性变形，实现两个齿轮的啮合
刚性齿Байду номын сангаас：与柔性齿轮啮合， 实现动力传递
传动比：通过改变柔性齿轮的 变形程度，实现不同的传动比
传动比大：可以实现大传动比，满足不同场合的需求 传动精度高：具有较高的传动精度，满足精密传动的要求 传动效率高：传动效率高，降低能耗，提高设备性能 结构紧凑：体积小，重量轻，便于安装和维护 寿命长：耐磨损，使用寿命长，降低维护成本 适应性强：适用于各种恶劣环境，如高温、低温、潮湿等
谐波齿轮传动的优 缺点
精度高：传动精度高，适合 精密传动场合
传动比大：可以实现大传动 比，满足不同场合的需求
体积小：结构紧凑，节省空 间
寿命长：使用寿命长，维护 成本低
制造成本高
传动效率低
容易磨损
噪音较大
谐波齿轮传动的未 来发展
提高传动效率： 通过优化设计、 材料选择等方 式提高传动效
率
降低噪音和振 动：通过改进 结构设计、优 化制造工艺等 方式降低噪音
优点：结构简单、体积小、重 量轻、传动精度高
特点：具有两 个波形，可以 传递更大的扭
矩
应用：广泛应 用于航空航天、 机器人、医疗
器械等领域
优点：结构紧 凑、传动比大、 精度高、寿命
长
缺点：制造难 度大、成本高、 需要专用的润 滑油和维护设
备
特点：具有多个波形，可以适应不同的传动比和扭矩需求 应用：广泛应用于航空航天、机器人、医疗器械等领域 优点：传动效率高，噪音低，寿命长 缺点：制造难度大，成本高，需要精确的加工和装配技术
谐波齿轮传动
谐波齿轮传动谐波齿轮传动是利用行星轮系传动的原理发展起来的一种新型传动，它由三个基本构件组成：即波发生器、刚轮和作为柔轮的中间挠性体，由于在传动过程中，柔轮产生的弹性变形波近似于谐波，故称之为谐波齿轮传动，常用的是双波和三波两种，其波发生器如下图：1.工作原理若刚轮１固定，外装柔性轴承4、波发生器3装入柔轮2，使原为圆环形的柔轮产生弹性变形。
柔轮长轴两端的齿与刚轮齿槽完全啮合，而柔轮短轴两端的齿与刚轮齿完全脱开，长轴与短轴间的齿则逐步啮入和啮出。
当高速轴带动相当于系杆Ｈ的波发生器凸轮和柔性轴承连续转动时，柔轮上原来与刚轮啮合的齿对逐渐啮出、脱开、啮入、啮合，这样柔轮就相对刚轮沿着与波发生器相反的转向低速旋转自转，通过低速轴输出运动。
若将柔轮固定，由刚轮输出运动，其工作原理相同，只是刚轮输出运动的转向与波发生器的转向相同。
2.谐波齿轮传动特点１）传动比大：单级谐振动波齿轮传动的传动比为50～500，多级和复式传动的传动比更大，可达30000以上。
２）承载能力大：传递额定输出转矩时，谐波齿轮传动同时接触的齿对数可达总对数的３０％～４０％以上。
３）传动精度高：在同样制造条件下，谐振动波齿轮的传动精度比一般齿轮的传动精度对至少高一级。
齿侧间隙可调整到最小，以减少传动回差。
４）传动平稳：基本上无冲击振动。
5）传动效率高：单级传动的效率为65%～90%。
6）结构简单、体积小，重量轻：在传动比承载能力相同的条件下，谐波齿轮减速器比一般齿轮减速器的体积和重量减少1／2～1／3。
７）成本高：柔轮材料能要求高，制造较困难，精度高。
3.单级谐波齿轮传动比计算谐波齿轮传动是行星传动的一种变型。
波发生器相当于行星轮系的转臂（Ｈ），柔轮（Ｒ）相当于行星轮，而刚轮（Ｇ）相当于中心轮内齿圈。
单级谐波齿轮传动比计算有两种基本情况：1）一种是刚轮固定，波发生器输入、柔轮输出，传动比为：2）二种是柔轮固定，波发生器输入，刚轮输出，传动比为：4.谐波齿轮传动机构参数选择1)传动比的选择目前我国谐波齿轮减速器的传动比标准化系列有：100、125、160、200、250、315、400等。
机器人填空题
1、我国将机器人分为两大类，分别是工业机器人和特种机器人2、机器人下肢部分主要负责机器人移动，常见的移动方式包括轮式、履带式、足式行走等。
3、信号处理方式包括：时频分析法，时域分析法，和频域分析法4、SIAM是指5、滚珠螺旋传动效率高，结构复杂，按照滚珠的循环方式可以分为内循环外循环6、光电编码器按照信号类型可分为增量式编码器，绝对值编码器7、直流稳压电源可以分为线性稳压电源开关型稳压电源8、常见的执行装置有9、PWM是指脉冲宽度调制，PID控制是指比例积分微分控制，ROS是指机器人操作系统，SLAM是指同步定位与建图。
10、谐波齿轮传动机构由柔轮，刚轮，波发生器三个主要零件组成。
11、步进电动机按结构类型主要分为反应式，永磁式，混合式。
12、复合坐标变换包括平移和旋转两部分13、机器人路径规划包括全局路径规划和局部路径规划两种。
14、在计算机中，将信号由时域转换成频域的方法是傅里叶变换15、姿态传感器通常包括加速度计，陀螺仪和磁力计。
16、时域信号离散化，频域信号周期化；时域信号周期化频域信号离散化。
17、航机速度一般以其空载转过60度的用时来描述1、机器人用传感器分为两大类：内部传感器和外部传感器。
2、机器人传感器选择的一般要求为：重量轻、体积小、安装方便，抗干扰能力强，精度高、重复性好，稳定性和可靠性好。
3、对电信号进行预处理（信号调理），包括放大，滤波，补偿。
4、以下属于机器人内部传感器的是：陀螺仪，位置传感器。
5、传感器根据信号输出类型，可分为模拟传感器，数字传感器。
6、常见的模拟量传感器输出类型有0-10v，4-20mA。
7、拉线式位移传感器能够测量较大的行程。
（对）8、接近开关是机器人中常用的传感器，常用类型有：电感式、电容式、光电式。
9、下图两种三极管属于何种类型：NPN，PNP。
（看三极管类型）10、常见的传感器接线线制有二线制，三线制，四线制。
11、接近开关上标有NC，指的是开关类型为常闭。
谐波齿轮传动设计
第1章谐波齿轮概述1.1 概述1.1.1 谐波齿轮技术的发展概况谐波齿轮传动的传动原理与普通齿轮传动不同，它是利用控制柔性齿轮的弹性变形来实现传递运动和动力的。
谐波齿轮传动一般有波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮三个基本构件。
因为，由波发生器的作用迫使柔性齿轮所产生的变形波是一个基本对称的简谐波，故称这种机械传动形式为谐波传动。
谐波齿轮传动是谐波传动中的一种主要结构类型；它是以齿轮作为基本元件的谐波传动形式。
此外，谐波齿轮还包括：谐波摩擦传动、谐波螺旋传动和谐波无级变速传动等结构类型。
我过于60年代中期，国内有关的研究机构开始引进了谐波传动这项新技术，并开展了该项目的研究工作。
70年代末，我国许多的工业部门、机械研究所和有关的工科院校都先后对谐波齿轮传动进行了理论和试验研究以及设计试制等工作，研制出了一些性能较好的谐波齿轮减速器。
自1980年起，我国也开始了谐波齿轮的标准化和系列化工作。
经过约5年时间的研究试制，于1985年制订了中小功率的通用谐波齿轮减速器的标准系列。
从而，使我国成为世界上具有通用谐波齿轮减速器标准的第四个国家。
1.1.2 谐波齿轮机构的结构组成谐波齿轮机构通常由波发生器H、柔轮g和刚轮b（采用具有刚性齿轮的行星机构相类似的符号来表示）三个基本构件所组成。
如下图所示：1-波发生器2-柔轮3-刚轮在谐波传动中，波发生器H旋转一圈，柔轮上某一点变形的循环次数，叫做柔轮的变形波数，用符号u表示；即变形波数u应按柔轮g与刚轮b同时啮合的区域数目来确定。
在一般情况下，可以采用单波（u=1）、双波（u=2）、三波（u=3）、四波（u=4）传动。
但由于受到柔轮g材料许用应力的限制，通常大都采用的是双波（u=2）和三波（u=3）传动；目前，应用较广泛的仍然是双波（u=2）传动。
而刚轮b和柔轮g的齿数差，一般应取为柔轮g的变形波数u，即Zb - Zg=u；或者在某写情况下取成u的倍数。
柔轮的变形波数u和刚轮b与柔轮g的齿数差Zp =Zb-Zg的选择应按柔轮的强度条件和传动比的大小确定。
《谐波齿轮传动》课件
切削加工
齿轮和轴类零件需通过切削加 工，确保各部分尺寸和形状精 度。
装配调试
所有零件装配完成后，需进行 严格的调试和测试，确保传动 性能达到设计要求。
质量检测
对成品进行质量检测，确保各 项性能指标符合标准。
04
谐波齿轮传动的性能分析
性能评价指标
传动效率
衡量谐波齿轮传动系统在传递功率时 的效率，通常以百分比表示。
振动与噪声测量
通过测量和分析传动过程中的振动和噪声， 评估其工作平稳性和可靠性。
温升与热性能测试
检测谐波齿轮在长时间工作过程中的温升和 热稳定性。
动态特性分析
利用动态测试技术分析谐波齿轮的动态响应 和稳定性。
性能优化与改进
材料选择与处理
选用高强度、耐磨、耐腐蚀的材料，并进行 适当的热处理以提高其机械性能。
智能化控制
多学科交叉
随着人工智能和物联网技术 的发展，未来谐波齿轮传动 将更加智能化，能够实现自
适应控制和远程监控。
未来谐波齿轮传动的研究将 涉及更多学科领域，如机械 工程、控制工程、材料科学
等。
绿色环保
拓展应用领域
未来谐波齿轮传动将更加注 重环保和节能，采用更加高 效、低能耗的设计和制造工
艺。
随着技术的不断进步和应用 需求的增加，谐波齿轮传动 将在更多领域得到应用和推
谐波齿轮传动的特点与优势
结构紧凑
由于采用弹性元件传递动力，谐 波齿轮传动装置体积小、重量轻 。
传动比大
通过调整波发生器和柔轮的尺寸 ，可以实现较大的传动比。
谐波齿轮传动的特点与优势
承载能力强
谐波齿轮传动具有较高的承载能力和较长的使用寿命。
无摩擦传动
滚珠螺旋传动的特点
滚珠螺旋传动的特点
滚珠螺旋传动是一种常见的力传递和运动控制机构，其特点主要有以下几点：
1. 高效性：滚珠螺旋传动采用滚珠作为传递介质，能够有效减小传动时的能量
损失。
相较于其他传动方式，如滚子传动或滑动传动，滚珠螺旋传动具有更高的传动效率。
2. 负载能力强：由于滚珠螺旋传动中滚珠的接触面积较小，因此能够承受较大
的负载。
这使得滚珠螺旋传动在工业机械和运动控制系统中被广泛使用，可以应对各种高负载的任务需求。
3. 精密性高：滚珠螺旋传动的滚珠与螺旋丝杠的外形设计使其具备较高的精度，能够实现较为精确的运动控制。
这使得滚珠螺旋传动在需要精密位置控制的设备中倍受青睐，如数控机床和精密仪器仪表等。
4. 反向间隙小：滚珠螺旋传动的反向间隙通常较小，这意味着在改变运动方向时，能够快速响应并提供较小的滞后。
这一特点使滚珠螺旋传动在对运动精确性和反应性要求较高的领域中具备优势。
5. 长寿命：由于滚珠螺旋传动采用滚动摩擦方式，与滑动摩擦方式相比，其能
够减小传动时的磨损，从而具备较长的使用寿命。
这使得滚珠螺旋传动适用于需要长时间、高频率运行的设备。
总之，滚珠螺旋传动以其高效、高负载能力、精密、反应迅速和长寿命等特点，成为众多工业领域中理想的传动方式之一。
通过合理应用滚珠螺旋传动，可以提升设备的性能和精度，并满足不同工作环境的要求。
四、滚珠螺旋传动
即：
J2
4 J 1i1
J4
1 i12 i2 i14 )
4 J 1i 2
J 1 (i / i1 )
4
J me J 1 (1 i12
令
J em 0 i1
可得 i 2
i14 1 2
二、齿轮传动
• (2) 重量最轻原则
• 对于小功率传动系统，使各级传动比满足，
i1 i2 i• 6.1 概述 • 6.2 机械传动 • 6.3 支撑部件
6.1 概述
• 为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通 常对机电一体化系统提出以下要求： • (1)高精度 • 精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体 化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的 机械产品都有很大的提高，因此机电一体化机械 系统的高精度是其首要的要求。如果机械系统的 精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它 系统工作怎样精确，也无法完成其预定的机械操 作。
二、齿轮传动
• 2．总传动比分配 • 齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链的 技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之 间的转矩、转速达到合理匹配。若总传动比较大， 又不准备采用谐波、少齿差等传动，需要确定传 动级数，并在各级之间分配传动比。单级传动比 增大使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大会使 整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下述三种原 则适当分级，并在各级之间分配传动比。
• 谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十~ 几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动 平稳、承载能力强、效率高等优点，故在工业机 器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到 广泛的应用。
• 1 谐波齿轮传动的工作原理
三、谐波齿轮传动
• 谐波传动由三个主要构件所组成，即具有内齿 的刚轮l、具有外齿的柔轮2和波发生器3。通常波 发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件， 另一个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔时， 由于前者的总长度略大于后者的内孔直径，故柔 轮变为椭圆形，于是在椭圆的长轴两端产生了柔 轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区；同时在椭圆短 轴两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其余各处， 则视柔轮回转方向的不同，或处于啮合状态，或 处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔轮 长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和 脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间 就产生了相对位移，从而传递运动。
机械电子学 吉林大学2020秋 课程机考复习题库答案
机械电子学
一、单选题
1. 对于交流感应电动机，其转差率s的范围为（）。
B. 0＜s 1
2. 直流电机的调速方法是（）C. 改变磁极对数
3. 某4极交流感应电动机，电源频率为50Hz，当转差率为0.02时，其转速为() B. 1470［r/min］
4. 直流测速发电机输出的是与转速( )C. 成正比的直流电压
D. 成反比的直流电压
5. 齿轮传动的总等效惯量与传动级数( )C. 在一定级数内有关
6. 执行元件：能量变换元件，控制机械执行机构运动，可分为( )、液压式和气动式等。
A. 电气式
7. 谐波齿轮传动由三个主要构件所组成，其中不包括（）。
C. 轴承
8. 滚珠丝杠螺母副结构类型有两类：外循环插管式和( )D. 内循环反向器式
9. 步进电动机，又称电脉冲马达，是通过( ) 决定转角位移的一种伺服电动机。
B. 脉冲的数量
10. 顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统，顺序控制器通常用( )C. PLC。
谐波齿轮传动技术与应用
❖ 我国谐波齿轮传动装置尺寸大，承载 能力反而小
❖ 相同外径的产品，国外谐波齿轮传动 装置的体积仅是我国产品的30％左右 ，而承载能力（转矩）却是我国产品 的1.39～2倍
ZRIME
四、国内外产品现状
4. 国内外柔轮比较
a 我国生产的杯形柔轮
b 美国HD Systems公司生产 的短筒柔轮
国内外柔轮比较示意图
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在机器人中的应用
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％
日本东京大学设计的服务机器人
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在其他机器人中的应用
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在 空间技术领域的应用
神州号飞船
美国设计的火星探测装置
ZRIME
传动效率、承载能力提高，结构尺寸缩小
ZRIME
五、重点研究方向和内容
5. 制造工艺研究
❖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
❖ 国际上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等
❖ 用“转化啮合再现法” 来加工柔轮轮齿，是使柔轮 处在与刚轮空载啮合时相同的变形条件下进行范成加 工，消除了啮合干涉，缩短了跑合时间
4. 结构参数及优化设计
结构参数设计方法：
➢常规方法
➢ 在给定传动比、输出扭矩后，为了得到各轮齿数、 模数、齿宽等一系列参数，往往采用类比法或事先选定其 中的几个参数，给出各种误差值后，再求出其它参数。采 用这种方法，难以得到最优方案
➢优化设计方法
➢ 是针对啮合参数和结构参数进行综合性的优化设
计，避免了单一参数优化设计中存在的某些缺陷，可使
第2章 谐波齿轮传动.
一、谐波齿轮传动的基本构成及特点
1．构成：
• 谐波齿轮传动是谐波齿轮行星传动的简称，是一种少 齿差行星传动。通常由刚性圆柱齿轮G、柔性圆柱齿 轮R、波发生器H等零部件构成。柔轮、刚轮和波发生 器，任一固定，另外两个可以形成输入和输出。 • 柔轮和刚轮的齿形有直线三角齿形和渐开线齿形两种， 以后者应用较多 。
2．特点：
• 1 ）传动比大而且范围宽。谐波齿轮传动单 级传动比在1.002—500,而采用复式传动,可 达107数量级。 • 2 ）同时啮合的齿数多。双波传动啮合齿数 可达总齿数的30%～40%，三波传动则更多。 • 3）输出轴和输入轴位于同一轴心线上。 • 4 ）体积小。在相同的工作条件下，这种传 动机构的体积可比普通齿轮减速器的体积减 小20一50％左右，零件数约少一半。
• 多滚轮式：
– 柔轮变形全周被积极控制，承载能力较高，多用于不宜采 用偏心盘式或凸轮式波发生器的特大型传动。
五．谐波传动主要零件常用材料：
• 柔轮（应具有较高的疲劳强度）：
– GGr9、GGr15、30CrMnSi、30CrMnSiA、40CrNiMoA等，对于小功率 的传动装置，有时还可以选用尼龙1010、尼龙6和含氟塑料等材料 来制作柔轮。
2．波发生器常见的结构型（1）：
• 波发生器是迫使柔轮发生弹性变形的重要元件，按变 形的波数不同，常用的有双波和三波两种。双波发生 器的结构型式主要有滚轮式、凸轮式、偏心盘式和行 星构型（2）：
• 双滚轮式：
– 结构简单，制造方便，形成波峰容易，但柔轮变形未被积 极控制，承载能力较低，多用于不重要的低精度轻载传动。
i
R HG
ZG ZG Z R
3．波发生器固定—刚轮输出：
滚珠螺旋传动
滚珠螺旋传动如图1所示，当螺杆转动时,滚珠沿螺纹滚道滚动。
图1 滚珠螺旋传动的工作原理图一、滚珠螺旋传动的特点(1) 运动效率高,一般可达90%以上,约为滑动螺旋传动效率的三倍。
在伺服掌握系统中采纳滚动螺旋传动,不仅可以提高传动效率,而且可以减小启动力矩、抖动及滞后时间。
(2) 运动精度高。
由于其摩擦力小,工作时螺杆的热变形小,螺杆尺寸稳定,并且经调整预紧后,可得到无间隙传动,因而具有较高的传动精度、定位精度和轴向刚度。
(3) 具有传动的可逆性,但不能自锁。
用于垂直升降传动时,需附加制动装置。
(4) 制造工艺简单,成本较高,但使用寿命长,维护简洁。
二、滚珠螺旋传动的结构形式与类型1.螺纹滚道法向截形螺纹滚道法向截形是指通过滚珠中心且垂直于滚道螺旋面的平面和滚道表面交线的外形。
常用的截形有两种: 单圆弧形（见图2(a)）和双圆弧形（见图2(b)）。
滚珠与滚道表面在接触点处的公法线与过滚珠中心的螺杆直径线间的夹角β叫接触角。
抱负接触角为β＝45°。
图2 滚道法向截形示意图滚道半径rs（或rn）与滚珠直径Dω的比值称为适应度frs=rs/Dω(或frn=rn/Dω)。
适应度对承载力量的影响较大,一般取frs(或frn)=0.25～0.55。
2. 滚珠循环方式按滚珠在整个循环过程中与螺杆表面的接触状况,可将滚珠的循环方式分为内循环和外循环两类。
（1）内循环。
滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环（见图3）。
图 3 内循环（2）外循环。
滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外循环。
按结构的不同,外循环可分为螺旋槽式、插管式和端盖式三种。
螺旋槽式（见图4）端盖式（见图6）是指在螺母1上钻有一个纵向通孔作为滚珠返回通道,螺母两端装有铣出短槽的端盖2,短槽端部与螺纹滚道相切,并引导滚珠返回通道,构成滚珠循环回路。
端盖式的优点是结构紧凑,工艺性好。
缺点是滚珠通过短槽时简单卡住。
图4 螺旋槽式外循环图5 插管式外循环图6 端盖式外循环3.消退轴向间隙的调整预紧方法（见图7）图7 双螺母预紧（1）垫片调隙式。
谐波齿轮传动与滚珠螺旋传动
（4）定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杆 副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧 进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定 位精度和重复定位精度。
滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循 环二种。
其中内循环又分为固定式内循环和浮动式内循环。 外循环又分为螺旋槽式、插管氏、端盖式。
（1）滚珠循环方式
内循环 滚珠在循环过程中始终与丝杠表面 保持接触，内循环方式的优点是滚 珠循环的回路短，流畅性好，效率 高螺母的尺寸也较小。缺点是反向 器加工困难，装配调整也不方便。
三、谐波齿轮传动
谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十~几百)、 传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力 强、效率高等优点，虽然需要专门设备制造，成本高，但 在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到 广泛的应用。
1 谐波齿轮传动的工作原理
三、谐波齿轮传动
谐波传动由三个主要构件所组成，即具有内齿 的刚轮l、具有外齿的柔轮2和波发生器3。通常 波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件， 另一个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔时， 由于前者的总长度略大于后者的内孔直径，故柔 轮变为椭圆形，于是在椭圆的长轴两端产生了柔 轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区；同时在椭圆短 轴两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其余各处， 则视柔轮回转方向的不同，或处于啮合状态，或 处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔轮 长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和 脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间 就产生了相对位移，从而传递运动。
三、谐波齿轮传动
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滚道实际硬度 HRC
≥58
55
50
45
40
KH
1.0 1.11 1.56 2.4 3.85
精度系数 C、D
E、F
G
H
KA
1.0
1.1
1.25
1.43
四、滚珠螺旋传动
（2）．计算额定动载荷
Ca' FC
式中：
nm L'h 1.67 104
nm —丝杠副的平均转速（r/min）；
L'h —运转寿命（h）；
3. 滚珠丝杠副的支撑方式 丝杠的轴承组合及轴承座、螺母座以及其它零
件的连接刚性，对滚珠丝杠副传动系统的刚度和 精度都有很大影响，需在设计、安装时认真考虑。 为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主 的轴承组合，承方式及其特点。
四、滚珠螺旋传动
导程：p=6mm
螺旋角：
λ=arctan(6/(50π))=2°11′
滚珠直径：d0=4mm
滚道半径：R
=0.52d0=0.52×4=2.08mm
偏心距：丝杠内径：d1=45.9mm
四、滚珠螺旋传动
(4) 稳定性验算：
① 假设为固定—铰支（F—S），因为丝杠较长，
所以用压杆稳定性来求临界载荷
四、滚珠螺旋传动
固定—铰支 一端安装两个推力轴承，另一端安装向心球轴承 1．轴向刚度不高，与螺母位置有关； 2．双推端可预拉伸安装； 3．适宜中速、精度较高的长丝杠。
四、滚珠螺旋传动
固定—自由 仅在一段安装两个推力轴承，另一端处于自由状态 1．轴向刚度低，与螺母位置有关； 2．双推端可预拉伸安装； 3．适宜中小载荷与低速，更适宜垂直安装，短丝杠。
当柔轮固定时， iHg 101
当柔轮固定时 iHr 100
三、谐波齿轮传动
3. 谐波齿轮传动机构的选择及计算 常见的谐波齿轮减速器标记代号如下图
最大回差 减速比 机型（指柔轮内径，单位为mm) 单级、卧式安装通用谐波减器
谐波齿轮传动机构选用说明： (1). 传动比的选择 目前我国谐波齿轮传动机构的传动比已标准
外循环 滚珠在循环返回时，离开丝杠螺 纹滚道，在螺母或体外作循环运 动。
（2）外循环方式
a 螺旋槽式
螺旋槽式的特点是工艺简单、径向尺寸小、易于制造， 但是挡珠器刚性差，易磨损
b 插管氏
插管式结构简单，容易制造，但 是径向尺寸较大，弯管端部比较 容易磨损
c 端盖式
端盖式结构简单、工艺性好，
但滚道吻接和弯曲处圆角不易
加工准备而影响其性能，故应
用较少。
1
2
1－螺母 2－套筒
（b）端盖式外循环
四、滚珠螺旋传动
2. 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要
求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向 传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠 与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量 和螺母原有间隙的总和。 通常采用双螺母预紧或单螺母（大滚珠、大导程） 的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或 消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。
H
zg
zg
iHg
H g
zg zg zr
三、谐波齿轮传动
(2) 当刚轮固定时，g 0 ，则
irHg
r H 0 H
zg zr
iHr
H r
zr zr zg
r 1 zg zr zg
H
zr
zr
设 zr 200 、z g 202
滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循 环二种。
其中内循环又分为固定式内循环和浮动式内循环。 外循环又分为螺旋槽式、插管氏、端盖式。
（1）滚珠循环方式
内循环 滚珠在循环过程中始终与丝杠表面 保持接触，内循环方式的优点是滚 珠循环的回路短，流畅性好，效率 高螺母的尺寸也较小。缺点是反向 器加工困难，装配调整也不方便。
化，主要有100、125、160、200、250、315、 400等。允许传动比有正负5的误差。
三、谐波齿轮传动
(2). 名义力矩 名义力矩是指在谐波齿轮传动的使用期限（一般
5000h）允许输出的最大力矩。名义力矩也已标准化。 (3). 材料选择
柔轮处在反复变形的状态下工作，需要取强度和抗疲 劳性较好的合金结构钢来制作。对于小功率的传动装置， 有时可以选用尼龙1010、尼龙6和含氟塑料等材料来制 作柔轮。
FC —计算载荷（N）。
四、滚珠螺旋传动
（3）．根据在滚珠丝杠系列中选择所需要的规 格，使所选规格的丝杠副的额定动载荷。
Ca Ca'
（4）．验算传动效率、刚度及工作稳定性，如 不满足要求则应另选其它型号并重新验算。
（5）．对于低速n （10r / min ）传动，只按
额定静载荷计算即可。
四、滚珠螺旋传动
1. 工作原理与结构
端盖循环
滚珠丝杆副结构 插管循环
四、滚珠螺旋传动
丝杠和螺母的螺纹滚道间装有承载滚珠，当丝 杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝杠 与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚 珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程 引导装置，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚 珠在螺母滚道内循环。
规格型号 D0
FFZD3210-3 32
公称导 程 p
10
丝杠外 径 d
32.5
钢球直 径 dW
7.144
丝杠底 径 d1
27.3
循环圈 动负荷 数 Ca(KN)
3
25.7
FFZD5006-5 50
6
48.9
4
45.9
5
26.4
四、滚珠螺旋传动
考虑各种因素，选FFZD5006-5，其中：
公称直径：D0=50mm
四、滚珠螺旋传动
4. 滚珠丝杠副的设计计算
设计滚珠丝杠副的已知条件：
L 工作载荷F(N)或平均工作载荷Fm(N)，使用寿命
' h
(h)，
丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)L(m)，丝杠的转速n （平
均转速nm或最大转速nmax) (r／min)，以及滚道硬度HRC
和运转情况。
一般的设计步骤及方法如下：
三、谐波齿轮传动
在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形 的循环次数与波发生器上的凸起部位数是一致的， 称为波数。常用的有两波和三波两种。为了有利 于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉，刚轮和柔轮的 齿数差应等于波发生器波数(即波发生器上的滚轮 数)的整倍数，通常取为等于波数。
三、谐波齿轮传动
三、谐波齿轮传动
2 206 109 2.18 107
(2 / 31.2)2
解：(1) 求计算载荷Fc
FC KF KH KAFm 1.21.01.03800 4560N
四、滚珠螺旋传动
(2) 根据寿命条件计算额定动载荷 Ca'
Ca' FC
nm L'h 1.67 104
4560
100 15000 1.67 104
20422N
(3) 根据必须的额定动载荷选择丝杠副尺寸，由 查表，得如下规格：
（3）工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为 高硬度(HRC58—62)、高精度，具有较长的工 作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的 5~6倍以上。
（4）定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杆 副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧 进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定 位精度和重复定位精度。
2 谐波齿轮传动的传动比计算
irHg
r H g H
zg zr
发式生中器：的角g 速、度r；、H 分别为刚轮、柔轮和波形
z g、zr 分别为刚轮和柔轮的齿数。
(1) 当柔轮固定时，r 0 ，则
irHg
0H g H
zg zr
g 1 zr zg zr
FR—悬臂负荷系数（齿轮FR=1.5；链轮
FR=1.2；三角皮带轮FR=2；平皮带轮FR=2.5)
当
FC1 F许
结果安全。
四、滚珠螺旋传动
滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适 量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时， 带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器， 与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与 滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预 紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封 件。
四、滚珠螺旋传动
（5）同步性好 用几套相同的滚珠丝杆副同时传 动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。
（6）可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方 便。
（7）不能自锁 用于垂直传动时，必须在系统中 附加自锁或制动装置。
（8）制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工 精度、表面粗糙度要求高，故制造成本较高。
刚轮可采用45钢、40Cr或高强度铸铁 、球墨铸铁等 材料。
波形发生器一般选用55Si2、60Si2、50CrMn等 材料。
三、谐波齿轮传动
(4). 减速机构输出轴装有齿轮、链轮、三角皮带 轮及平皮带轮时，需要校验轴伸的悬臂负荷 FC1 ， 校验公式为
FC1 2TK A / DFR
式中：D—齿轮、链轮、皮带轮的节圆直径(m)
铰支—铰支 丝杠两端都安装一个推力轴承和向心球轴承 1．轴向刚度较高； 2．预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比方案
2低； 3．适宜中速传动、精度高。
四、滚珠螺旋传动
固定—固定 丝杠两端各安装两个推力轴承和向心球轴承 1．轴向刚度最高； 2．预拉伸安装时，须加载荷较小，轴承寿命较高 3．适宜高速、高刚度、高精度。