鉴于机械臂关节中谐波减速器存在迟滞效应,且当其承受交变负载力矩时滞后环节会对其输出精度产生较大影响;多自由度机械臂运动时各个关节所受的负载为非恒定值,分析机械臂末端运动精度时需要考虑关节中谐波减速器的滞后环节;提出了一种具有迟滞效应的刚度模型。结合Stribeck摩擦模型,建立了机械臂动力学模型,通过求解该模型,得到考虑谐波减速器扭转角滞后性的机械臂末端运动轨迹;建立运动精度指标,研究分析了谐波减速器的滞后角及扭转刚度对机械臂运动轨迹精度的影响。研究结果可为机械臂关节中谐波减速器的工程设计提供参考。

柔轮的疲劳开裂是引起谐波减速器精度下降和设备可靠性降低的重要原因。以某型号谐波减速器为研究对象,基于壳体力矩理论建立柔轮等效模型,确定柔轮应力集中的参数;通过有限元仿真,获取柔轮应力最大结点位置,并引入微小角裂纹;通过分析裂尖应力场参量,描述了柔轮裂纹扩展的能力和趋势;基于最大主应力损伤演化准则,通过扩展有限元方法(XFEM)模拟裂纹扩展差异性行为,并搭建加速寿命实验台,验证了扩展有限元模型的正确性。结果表明,裂纹扩展路径与有限元结果吻合;柔轮齿根部及筒体与凸缘交界处应力集中,最易出现疲劳裂纹;裂纹扩展路径受增量步与应力分布影响;应力分布随裂纹扩展程度变化,易引起扩展路径出现偏折现象。

针对谐波减速器随负载变化所表现出的负载转矩与扭转角之间的迟滞特性,导致谐波减速器转换精度下降的问题,构建了忆阻迟滞模型与RBF神经网络并联的谐波减速器混合迟滞模型。将忆阻器模型改进成忆阻迟滞模型,用于描述谐波减速器迟滞输出的基本变化规律;借助具有非线性拟合能力的RBF神经网络对谐波减速器迟滞模型与忆阻迟滞模型之间的差值进行补偿。实验数据验证结果表明,与忆阻迟滞模型相比,所构建的混合迟滞模型能有效描述谐波减速器迟滞的突变和非光滑特性,模型验证均方误差为0.06。

针对柔轮小型化、轻量化、高谐振频率的设计需求,以柔轮内径、长径比、厚径比和齿宽系数为研究变量,基于有限元软件Ansys,采用响应面法参数优化分析探究了各参数变化对柔轮固有频率的影响。结果表明,在柔轮小型化的设计过程中,柔轮内径和长径比的减小会引起其固有频率的增加,厚径比和齿宽系数的减小会导致其固有频率增大;但其固有频率都大于减速器工作的激励频率,因此,不会发生共振,不影响正常工作。

谐波减速器啮合力分布对其承载能力、传动效率、传动精度以及使用寿命有着重要的影响。为了更准确地描述负载状态下柔轮与刚轮之间的啮合状况,提出了一种基于空载侧隙和周向啮合刚度的解析模型。利用几何法计算出装配状态下的空载侧隙;建立并分析了负载条件下柔轮力学模型,得到了周向啮合刚度矩阵。根据空载侧隙和周向啮合刚度矩阵,迭代求解得到不同负载条件下啮合力的分布。建立有限元模型验证了解析模型的准确性,结果基本吻合。

为了优化双圆弧谐波减速器中的柔轮结构,使用SoildWorks软件建立双圆弧齿廓的柔轮三维模型,利用有限元法模拟在装配条件下波发生器对柔轮的变形并建立了接触模型。针对柔轮轮齿上倒角的角度和薄壁圆筒壁厚等结构参数进行了优化,通过ANSYS Workbench对比分析了柔轮在空载和负载情况下,柔轮轮齿上最大等效应力和薄壁圆筒最大等效应力随柔轮结构参数的变化规律。研究为优化谐波减速器中柔轮的结构设计提供了依据,为空载和负载时柔轮的受力分布情况提供了参考。

谐波减速器的传动误差是由零件加工及装配过程中的几何偏心和运动偏心等偏心矢量耦合而成的,具有频域性特点,并且各种单因素引起的传动误差分布概率符合瑞利分布。通过空间运动学、谐波啮合原理,建立了基于瑞利分布的传动误差多因素耦合模型,完成了置信区间可达99%的谐波减速器传动误差的预判模型。通过预判模型能够计算出各传动误差源的权重系数,提出一种基于误差源权重系数、从控制零件加工制造精度重新优化分配传动误差的逆向分析方法,在满足传动误差设计指标的同时,可最大程度降低加工制造的难度及成本,具有重要的工程应用价值。最后,针对40型谐波齿轮减速器进行传动精度的逆向理论分析和实验验证对比,实测结果与理论计算值吻合。

针对现有的谐波减速器加速寿命试验方法效率低、试验方案不完善的问题,提出了一种双应力步降加速寿命试验方法。以工业机器人用谐波减速器为研究对象,通过对加速方案的对比以及加速寿命失效机理的分析,制定出双应力步降试验载荷谱。基于各段步降载荷应力之间的迭代关系,利用遗传算法计算了谐波减速器所服从Weibull分布的最优参数。结果表明,此双应力步降加速寿命试验的加速因子为12.5。该方案准确并有效地提高了试验效率,为优化谐波减速器设计以及缩短谐波减速器加速寿命试验的试验周期提供了参考依据。

简要回顾了近年谐波减速器的发展与应用现状。着重阐述轮齿齿形的发展及当前主流厂商应用的齿形以及影响减速器寿命的主要因素。在传统齿形方面,齿形经历了从直线齿形到圆弧齿形,再到双圆弧齿形的发展阶段,分析了各阶段齿形的啮合特性及疲劳寿命,当前产品化的代表齿形有"S"齿形、"P"齿形、"δ"齿形等。近年来柔轮筒体的薄壁和长寿命是研究的重点,大量研究集中在筒体、轮齿、波发生器等应力研究。在此基础上,对谐波减速器未来应关注的研究方向给出建议,包括齿形的研究、材料微观结构的分析、加工工艺的研究、理论体系的建立、固有频率波动大的问题、齿间啮合力的精确分析和计算、传动精度的影响因素等。

以柔轮常用15-5ph不锈钢为对象，研究不同表面处理工艺对柔轮材料力学性能的影响规律。利用纳米压痕仪开展15-5ph不锈钢试件压入实验，将得到的载荷-深度曲线与有限元模拟结果进行对比，验证有限元压入模型的有效性。在此基础上，开展常见表面处理工艺影响柔轮材料力学性能的有限元建模与分析。研究结果表明：涂层弹性模量的增加将提高涂层?基体系统的等效硬度及刚度；渗碳层厚度的适当增大可减小柔轮基体应力而不影响柔轮的啮合精度；由喷丸产生的残余压应力越大，基体材料等效硬度越大，并可带来材料等效刚度的一定提高。