什么是应变波齿轮也就是谐波传动?机器人应用的完美齿轮组!?

在本教程中，我们将学习什么是应变波齿轮，也称为谐波传动。首先，我们将解释它的工作原理，然后设计我们自己的模型和3D打印它，以便我们可以看到它在现实生活中，更好地了解它是如何工作的。betway

什么是应变波齿轮?

应变波齿轮是一种独特类型的机械传动系统，允许非常高的减速比在紧凑和轻量化的包装。与传统的齿轮传动系统，如斜齿轮或行星齿轮，它可以实现更高的减速比高达30倍在相同的空间。此外，它具有零隙特性，高扭矩，精度和可靠性。因此，该传动系统应用于许多领域，包括机器人、航空航天、医疗机械、铣床、制造设备等。

应变波齿轮由C.Walton Musser于1957年发明，另一个常用名称“谐波传动”实际上是由谐波传动公司注册的应变波齿轮品牌名称。

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好了，现在让我们看看它是如何工作的。betway谐波传动有三个关键部件，一个波发生器，一个柔性花键和一个圆形花键。

波发生器为椭圆形，由一个椭圆形轮毂和一个遵循轮毂椭圆形的特殊薄壁轴承组成。这是齿轮组的输入，与电机轴相连。

当波浪发生器旋转时，它产生波浪运动。

柔性花键有一个圆柱形杯的形式，它是由柔性但扭转刚性合金钢材料。杯子的侧面很薄，但底部又厚又硬。

这允许杯的开口端是柔性的，但封闭端是刚性的，因此我们可以将其用作输出，并将输出法兰连接到其上。柔性花键在杯的开口端有外齿。

另一方面，圆形花键是一个刚性环与齿内。圆型花键比柔性花键多出两个齿，这实际上是应变波齿轮系统的关键设计。

所以，当我们将波形发生器插入Flex样条时，Flex样条会呈现波形发生器的形状。

当波浪发生器旋转，它径向变形的开放端flex花键。波发生器和柔性花键然后放置在圆形花键内，啮合齿在一起。

因为椭圆的形状的flex花键，牙齿网格只在两个区域的相反的边的flex花键，那是跨波发生器椭圆的主要轴。

现在，随着波发生器旋转，Flex花键齿与那些圆形花键啮合将慢慢改变位置。由于Flex花键和Circular花键之间的齿数差异，对于每180度旋转的波发生器，齿啮合将导致Flex花键将相对于波发生器向后旋转少量。换句话说，随着波发生器的每180度旋转，柔性花键齿与圆形花键将只前进一个齿。

因此，对于波发生器的360度全旋转，柔性花键将改变位置或前进两个齿。

例如，如果挠性花键有200个齿，波发生器必须做100转为了挠性花键前进200个齿，或者这只是挠性花键的一个单一旋转。比率是100:1。在这种情况下，圆形花键将有202个齿，因为圆形花键齿的数量总是比柔性花键齿大2。

我们可以很容易地用下面的公式计算还原比。这个比值等于柔花键齿-圆花键齿，除以柔花键齿。

因此，与200齿的例子上的flex花键和202齿上的圆形花键，减少比率是-0.01。这是波发生器速度的1/100负叹息表示输出方向相反。

我们可以通过改变齿数或齿数来获得不同的减齿率。

我们可以通过改变机构直径，同时具有相同大小的齿，或通过改变齿的大小，保持齿轮组的大小和重量。

应变波齿轮-谐波驱动3D模型

好了，现在我们知道了应变波齿轮背后的理论，让我向你们展示我是如何设计一个这样我们就可以用3D打印机来制作它。

我用Fusion 360设计了这个模型的应变波齿轮。所有这些零件都可以3D打印，所以我们只需要一些螺栓螺母和一些轴承就可以完成组装。至于输入，我选择使用NEMA 17步进电机。

这里是我如何设计应变波齿轮的3个关键元素，圆形花键，弯曲花键和波发生器。由于3D打印机有自己的限制，如何良好，准确和精确可以打印，我必须决定的第一个是齿轮模块或多大或小的牙齿将是。我选择了1.25和72齿的模块为圆形花键。

当然，弯曲样条需要少2个齿，或者70个齿。这将导致35:1的比率，而有一个相对较小的齿轮设置。

至于波形发生器，我们不能真正使用前面提到的那些特殊类型的薄壁轴承，因为它们不容易找到。相反，我们将使用正常的球轴承安排在一个椭圆形的圆周。椭圆的尺寸应根据挠性花键内壁的尺寸来确定。

我使椭圆的长轴半径比柔性花键内壁的半径大1.25mm。另一方面，椭圆的短轴半径小1.25mm。

波浪发生器将由两个部分组成，其中10个轴承可以很容易地附加。其中一个部分还具有适合于固定NEMA 17步进电机的轴耦合器。

其余部分围绕这3个关键组件进行设计。在外壳的输出侧我们会插入两个外径为47mm的轴承，我们会用一些螺栓和螺母来固定它们。

输出法兰由两部分组成，用螺栓和螺母连接，所以我们可以很容易地将它固定在两个轴承上。

您可以下载3D模型和3D打印所需的STL文件如下。

应变波齿轮谐波传动三维模型

1文件(年代)9.79 MB

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应变波齿轮-谐波驱动STL文件

1文件(年代)1.44 MB

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另请参阅

最实惠的3D打印机为初学者和爱好者

3D打印应变波齿轮-谐波驱动

好的，现在是3D打印零件的时候了。3D打印齿轮时，在切片软件中使用水平扩展功能非常重要。

我将我的设置为-0.15mm，在打印上获得了相对不错的精度。请注意，这可能因打印机而异。如果我们不使用此功能，打印时由于灯丝膨胀，打印会稍微大一些，零件或齿轮将无法正确啮合。

我用我Creality CR-10 3 d考虑到它的价格，我认为它做得很好。

这些都是3D打印的零件。

我们只需要一些螺栓，螺母和轴承来完成谐波驱动器的装配。

以下是所有组件的完整列表:

• 螺栓：
• M3x16–13件
• M3x12 - 4
• M4x12 - 6
• M4x25 - 6
• M4x30 - 6
• M4x40 - 4
• 坚果:
• M3自锁–13
• M4自锁- 16
• M4 - 10
• 轴承:
• (OD) 16毫米x() 5 - 10毫米x (W) 5毫米 ..............亚马逊
• (OD) 47毫米x(在)35毫米x 7毫米(W) - 2 ..............亚马逊
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我通过将两个输出轴承插入壳体开始装配。轴承外径为47mm，内径为35mm。正如我所说，我在切割零件时使用了-0.15mm的水平膨胀补偿，因此轴承安装在壳体中非常紧密。

在两个轴承之间，我放置了1.5毫米3D打印距离环。为了将轴承固定到壳体上，我们需要六个长度为25mm的M4沉头螺栓。我们还将使用M4垫圈，其将刚好接触轴承的外圈，因此它们将保持轴承固定在壳体上。

接下来是柔性样条曲线。杯子的墙壁只有1.2毫米，所以虽然它是用PLA印刷的，但在开口端仍然是灵活的。

在Flex花键的闭合端，我们可以使用6个M4螺栓连接输出法兰。一旦安全，flex样条现在是有点不灵活，然后以前，但关闭的结束，现在相当刚性。

接下来，我们需要通过轴承插入柔性花键。输出法兰穿过第一个轴承的一半。在另一边，我们将插入输出法兰的另一部分，这将完全适合之间的两个轴承。

我继续放置四个M4螺母在输出轴上的槽。这些螺母将用于连接或连接到齿轮组的输出。

完成输出轴，在这上面我放置了另一部分，将覆盖螺母，并使用4 M4螺栓40mm长度，我可以最终固定两个输出部分在一起。现在，柔性花键和输出轴可以自由地同时被固定到住房。

好的，所以接下来我们有圆形花键，它将被固定到住房与齿轮组盖和电机安装。但在那之前，我们需要组装波发生器。首先，我们需要插入两个M3螺母。这些螺母将使用两个螺丝将波浪发生器固定到电机轴上。

接下来，我们可以开始插入10个轴承到位。我们可以注意到在这里轴承是如何从墙只是一点点与小边缘底部的轴。波发生器的另一部分也有这样的边缘，所以轴承不会碰到墙壁。我们要用16mm长的M3螺栓和一些螺母来固定轴承和整个波浪发生器。

接下来，我们需要将波形发生器固定到电机上，但在我们这样做之前，我们需要将电机连接到电机支架和齿轮组盖上。波形发生器应与电机盖相距2mm，因此我在插入波形发生器时使用了两个垫圈作为导向。然后，我们只需拧紧平头螺钉，这些螺钉的定位方式使其能够到达轴承之间。

最后，我们可以将波形发生器插入到柔性样条曲线中，并将所有内容连接在一起。我们应该首先调整柔性花键，使其与椭圆形式的圆形花键啮合，然后在同一方向插入波形发生器。

老实说，这可能是有点困难的，使这适合，因为我们没有一个控制flex花键，因为电机安装。我本可以把它设计得稍微不同一点，但我仍然认为它足以用于演示目的。

现在剩下的就是把M4螺母插入这些住房插座，并将圆形花键和波形发生器都固定到住房。

就这样，我们的应变波齿轮或谐波驱动现在完成了。但当我完成，我认为完成齿轮设置，像这样是有点无聊，因为我们可以看到除了一个缓慢旋转的输出轴。在那里，我决定把3D打印的齿轮套盖换成丙烯酸的，这样我们也可以看到里面发生了什么。

我有一个4毫米的亚克力板，所以我标记了盖子的形状，并使用手锯粗略地切割形状。

然后使用锉刀，我微调丙烯酸的形状。我用一个3mm的钻头和一个25mm的Forstner钻头为电机打了一个大洞。最后的形状相当不错。

我重新组装了马达和波发生器，就像之前展示的那样。我们可以注意到这里，我添加了一些坚果之间的丙烯酸和住房，以获得适当的距离，就像之前的盖子。

现在这个齿轮组看起来酷多了。

我连接步进电机到Arduino这样我就可以控制电机的速度和方向，以便更好地检查和了解系统是如何工作的。

这就是它。现在我们可以看到谐波驱动在现实生活中是如何工作的。在这种情况下，输出轴比输入轴慢35倍。

在这里，我用红色标记了弯曲花键的一个齿，这样我们可以更好地跟踪它，并了解弯曲花键的运动。说实话，看这个东西怎么工作很有趣。

然而，我们注意到，flex样条有时抖动或运动不是那么平滑。这有几个原因。在这个配置中，问题是压克力电机是我手工安装的，所以电机在中间安装的不完美。使用原装3D打印马达支架时，运动更加流畅。

我们还可以注意到，我们的谐波驱动器远没有零反弹。这是因为，就像我之前说的，这些类型的3D打印机的局限性以及它们打印的好坏。这不仅仅是关于牙齿的轮廓能打印得多好，还包括牙齿的整体尺寸有多精确。例如，在这里，我在亚麻样条内侧使用了绝缘胶带，只有0.18毫米的刻度，用它我得到了更好的结果。

所以，我想，这一切都是为了测试和调整指纹以获得更好的结果。我也试图打印齿轮模块1.75，但我没有得到好的结果。

实际上，在使用原始3D打印的盖子时，动作更流畅，但仍然不够好。

我也试着举重。在25厘米的距离，它能举起1.25公斤的重物。这是扭矩约3Nm，这是至少10倍大于这个NEMA 17步进电机的额定。

这就是这个视频的全部内容了。我想补充一点，这个传动系统可以很容易地被设计成中空轴，这对机器人应用来说非常方便。所以，当我制作机器人项目的时候，我可能会在未来的一些视频中使用谐波驱动器。bet188me

我希望你喜欢这个视频，并学到了一些新的东西。不要忘记订阅，了解更多教程和项目，请访问HowToMechatronics.combet188官方网站bet188me