什么是应变波齿轮，又名谐波传动？机器人应用的完美齿轮组！？
在本教程中，我们将了解什么是应变波齿轮，也称为谐波驱动。首先，我们将解释它的工作原理，然后设计我们自己的模型并进行 3D 打印，以便我们可以在现实生活中看到它并更好地了解它的工作原理。
您可以观看以下视频或阅读下面的书面教程。
应变波齿轮是一种独特类型的机械齿轮系统，它在紧凑轻巧的包装中实现了非常高的减速比。与斜齿轮或行星齿轮等传统齿轮系统相比，它可以在相同空间内实现高达30倍的减速比。除此之外，它还具有零背隙特性、高扭矩、精度和可靠性。因此，该齿轮系统被应用于许多领域，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，常用的另一个名称是“谐波传动”，实际上是谐波传动公司注册商标的应变波齿轮的品牌名称。
好的，让我们来看看它现在是如何工作的。谐波传动由波发生器、柔轮和圆轮三个关键部件组成。
波发生器呈椭圆形，由椭圆轮毂和沿轮毂椭圆形状的特殊薄壁轴承组成。这是齿轮组的输入，它连接到电机轴。
当波发生器旋转时，它会产生波动。
Flex 花键呈圆柱形杯形，由柔韧但抗扭转的合金钢材料制成。杯子的侧面很薄，但底部又厚又硬。
这允许杯子的开口端是灵活的，但封闭端是相当刚性的，因此我们可以将它用作输出并将输出法兰连接到它。柔性花键在杯的开口端有外齿。
另一方面，圆形花键是内部带有齿的刚性环。圆花键比柔轮多两个齿，这实际上是波动齿轮系统的关键设计。
所以，当我们将波发生器插入到柔性样条中时，柔性样条就变成了波发生器的形状。
当波发生器旋转时，它使柔性花键的开口端径向变形。然后将波发生器和柔性花键放置在圆形花键内，使齿啮合在一起。
由于柔轮的椭圆形状，齿只啮合在柔轮相对两侧的两个区域，并且穿过波发生器椭圆的长轴。
现在，随着波发生器的旋转，与圆形花键啮合的 Flex 花键齿将慢慢改变位置。由于柔轮与圆轮的齿数差异，波发生器每旋转180度，齿啮合将导致柔轮相对于波发生器向后旋转少量。也就是说，波发生器每旋转180度，与圆花键啮合的柔轮齿只前进一个齿。
所以，对于波发生器360度的完整旋转，柔轮将改变位置或前进两个齿。
例如，如果柔性花键有 200 个齿，则波发生器必须旋转 100 圈才能使柔性花键前进 200 个齿，或者这只是柔性花键的单次旋转。这是100：1的比例。在这种情况下，圆花键将有 202 个齿，因为圆花键的齿数总是比柔性花键的齿数多两个。
我们可以使用以下公式轻松计算减速比。该比值等于柔轮齿-圆轮齿除以柔轮齿。
因此，以柔轮上的 200 个齿和圆花键上的 202 个齿为例，减速比为 -0.01。那是波发生器速度的 1/100，负号表示输出方向相反。
我们可以通过改变齿数或齿数得到不同的减速比。
我们可以通过在齿数相同的情况下改变机构直径来实现这一点，或者通过改变齿的尺寸来保持齿轮组的尺寸和重量。
好的，既然我们知道了 Strain Wave Gear 背后的理论，让我向您展示我是如何设计的，这样我们就可以使用 3D 打印机来构建它。
我使用 Fusion 360 设计了这个 Strain Wave Gear 模型。所有这些部件都可以 3D 打印，所以我们只需要一些螺栓和螺母以及一些轴承来完成组装。至于输入，我选择使用 NEMA 17 步进电机。
以下是我如何设计应变波齿轮的 3 个关键元素，即圆形样条、柔性样条和波发生器。由于 3D 打印机的打印质量、精度和精度都有其自身的局限性，所以我首先要决定的是齿轮的模块或齿的大小。我为圆形花键选择了 1.25 和 72 齿的模块。
当然，柔性花键需要少 2 个齿，或者是 70 个齿。这将产生 35:1 的传动比，同时齿轮组的尺寸相对较小。
至于波发生器，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，我们将使用围绕椭圆圆周布置的普通滚珠轴承。椭圆的尺寸应根据柔轮内壁的尺寸制作。
我使椭圆的长轴半径比柔性花键内壁的半径大 1.25 毫米。另一方面，椭圆的短轴半径小了1.25mm。
波浪发生器将由两个部分组成，10 个轴承可以很容易地安装在这些部分上。其中一个部分还具有一个轴耦合器，适用于固定 NEMA 17 步进电机。
其余部分围绕这 3 个关键组件进行设计。在外壳的输出侧，我们将插入两个外径为 47mm 的轴承，我们将借助一些螺栓和螺母将它们固定。
输出法兰由螺栓和螺母连接的两部分组成，因此我们可以轻松地将其固定到两个轴承上。
3D打印所需的STL文件如下。
您可以下载此 3D 模型，也可以在 Thangs 上的浏览器中进行探索。
在 Thangs 下载 3D 模型。
3D打印所需的STL文件：
另请参阅：适合初学者和创客的最佳 3D 打印机 [2021 年更新]
好的，现在是 3D 打印零件的时候了。在 3D 打印齿轮时，使用切片软件中的水平扩展功能非常重要。
我将我的设置为-0.15mm，并且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。如果我们不使用这个功能，打印时由于灯丝膨胀，打印件会稍大，零件或齿轮将无法正常啮合。
我使用我的 Creality CR-10 3D 打印机打印所有零件，考虑到它的价格点，我认为它做得很好。
所以，这里都是 3D 打印的零件。
我们只需要一些螺栓、螺母和一些轴承即可完成谐波驱动的组装。
以下是所有组件的完整列表：
我通过将两个输出轴承插入外壳开始组装。轴承的外径为 47 毫米，内径为 35 毫米。就像我说的，我在切割零件时使用了-0.15mm的水平膨胀补偿，因此轴承在外壳中安装得非常紧密。
在两个轴承之间，我放置了 1.5 毫米 3D 打印的距离环。为了将轴承固定到外壳上，我们需要六个长度为 25 毫米的 M4 埋头螺栓。我们还将使用 M4 垫圈，该垫圈刚好接触轴承的外圈，因此它们将轴承固定在外壳上。
接下来是 Flex 样条。杯子的壁只有 1.2 毫米的刻度，所以虽然它是用 PLA 印刷的，但它的开口端仍然很灵活。
在 Flex 花键的封闭端，我们可以使用六个 M4 螺栓连接输出法兰。固定后，柔性样条现在的柔韧性比以前稍差，但闭合端现在相当刚性。
接下来，我们需要将柔性花键插入轴承。输出法兰穿过第一个轴承的一半。在另一侧，我们将插入输出法兰的另一部分，该部分将完全安装在两个轴承之间。
我继续在输出轴的槽中放置四个 M4 螺母。这些螺母将用于将物品连接或连接到齿轮组的输出端。
为了完成输出轴，我在上面放置了另一个覆盖螺母的部件，并使用 4 个 40mm 长的 M4 螺栓，我终于可以将两个输出部件固定在一起。现在，柔性花键和输出轴可以自由地固定在外壳上。
好的，接下来我们有圆形花键，它将与齿轮组盖和电机支架一起固定在外壳上。但在我们这样做之前，我们需要组装波发生器。这里首先我们需要插入两个 M3 螺母。这些螺母将用于使用两个平头螺钉将波发生器固定到电机轴上。
接下来，我们可以开始将 10 个轴承插入到位。我们可以在这里注意到轴承与墙壁的距离是如何与轴底部的小边缘稍微分开的。波发生器的另一部分也有这样的边缘，因此轴承不会接触墙壁。我们将用 16mm 长的 M3 螺栓和一些螺母固定轴承，实际上是整个波发生器。
接下来，我们需要将波发生器固定到电机上，但在此之前，我们需要将电机连接到电机支架和齿轮组的盖子上。波发生器应与电机盖相距 2 毫米，因此在将波发生器插入到位时，我使用了两个垫圈作为导向。然后我们只需拧紧定位在轴承之间的平头螺钉即可。
最后，我们可以将波发生器插入柔性样条并将所有东西连接在一起。我们应该先将柔轮调整为椭圆形与圆形样条啮合，然后在同一方向插入波发生器。
老实说，这可能有点困难，因为由于电机安装，我们无法控制柔性花键。我本可以设计的有点不同，但我仍然认为它足以用于演示目的。
现在剩下的就是将 M4 螺母插入这些外壳插座中，并将圆形花键和波发生器固定到外壳上。
就是这样，我们的 Strain Wave Gear 或 Harmonic Drive 现在完成了。但是当我完成时，我认为像这样完成齿轮组有点无聊，因为除了缓慢旋转的输出轴之外我们什么也看不到。在那里，我决定用亚克力替换 3D 打印的齿轮组盖，这样我们也可以看到里面发生了什么。
我有一个 4mm 刻度的亚克力板，所以我在上面标记了盖子的形状，然后用手锯大致切割了形状。
然后用锉刀微调亚克力的形状。我用 3 毫米钻头钻了孔，用 25 毫米 Forstner 钻头钻了电机的大孔。最后的形状还不错。
如前所示，我重新组装了电机和波发生器。我们可以在这里注意到，我在亚克力和外壳之间添加了一些螺母，以便获得与之前盖子一样的适当距离。
现在这套装备看起来更酷了。
我将步进电机连接到 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的工作原理。
所以就在这里。现在我们可以看到谐波驱动器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，我用红色标记了柔性样条的一个齿，以便我们可以更好地跟踪它并了解柔性样条的运动。老实说，看看这个东西是如何工作的很有趣。
但是，我们注意到柔性样条有时会抖动或运动不是那么平滑。有几个原因。在这种配置中，问题是我手工制作了亚克力电机支架，因此电机没有完美地安装在中心。使用原装 3D 打印电机支架时，运动更加顺畅。
我们还可以注意到，我们的谐波驱动器远非零背隙。这是因为，正如我之前所说，这些类型的 3D 打印机的局限性以及它们的打印效果如何。这不仅关系到可以打印出多好的牙齿轮廓，还关系到整体尺寸的精确度。例如，这里我在亚麻花键内侧使用了绝缘胶带，只有 0.18mm 的刻度，用它我得到了更好的效果。
所以，我想，这都是关于测试和调整打印以获得更好的结果。我也试过用1.75的模数打印齿轮，但效果不好。
实际上，当使用原始的 3D 打印盖子时，运动更顺畅，但仍然不够好。
我也尝试过举重。在 25 厘米的距离处，它能够举起 1.25 公斤。那是大约 3Nm 的扭矩，比这款 NEMA 17 步进电机的额定扭矩至少大 10 倍。
这就是这个视频的几乎所有内容。我只想补充一点，这个齿轮系统可以很容易地设计成具有空心轴，这对于机器人应用非常方便。所以，我可能会在未来制作一些机器人项目的视频中使用 Harmonic Drives。
我希望你喜欢这个视频并学到了一些新东西。不要忘记订阅，更多教程和项目，请访问 HowToMechatronics.com什么是应变波齿轮？
工作原理
应变波齿轮 - 谐波驱动 3D 模型
3D 打印应变波齿轮 - 谐波驱动
工业技术