一种柔轮结构设计与优化方法

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。

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。

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。

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。

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 Composite Design（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。