諧波傳動(dòng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
諧波傳動(dòng)是50年代中期隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在薄殼彈性變形理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型傳動(dòng)。該傳動(dòng)的基本原理由美國(guó)聯(lián)合制鞋公司研究顧問(wèn)C.WaltMusser(1909~1998)于1955年提出,。1960年,，C.WaltMusser在發(fā)表于美國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)雜志的論文中使用了HarmonicDrive一詞,，中文翻譯為諧波傳動(dòng)或諧波齒輪傳動(dòng)。
諧波傳動(dòng)通常由柔輪（FlexibleSpline-FS）,、剛輪(CircularSpline-CS)和波發(fā)生器(WaveGenerator-WG)（稱為諧波傳動(dòng)三大件）組成,，當(dāng)波發(fā)生器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果剛輪固定,，則柔輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),；如果柔輪固定，則剛輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn),。由于柔輪與剛輪齒數(shù)相差很少,，因此可獲得很大的傳動(dòng)比。
經(jīng)過(guò)使用證實(shí),，諧波傳動(dòng)與一般的齒輪傳動(dòng)相比較,，具有運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)比大,、重量輕,、體積小、承載能力大,、效率高,、容易實(shí)現(xiàn)零回差、并能在密閉空間和介質(zhì)輻射的工況下正常工作等優(yōu)點(diǎn),。諧波齒輪傳動(dòng)的主要失效形式是柔輪疲勞斷裂,、柔性軸承損壞、齒面磨損或傳動(dòng)滑移,，不過(guò)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范和工藝可以保證諧波齒輪傳動(dòng)具有額定的工作壽命,。
因此，諧波傳動(dòng)一出現(xiàn)即引起了各國(guó)的重視,，目前在中國(guó),、日本、美國(guó),、英國(guó),、俄羅斯、烏克蘭和印度等國(guó)都有研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行此領(lǐng)域的研究工作,。
諧波傳動(dòng)的應(yīng)用
目前,，諧波傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人,、加工中心,、雷達(dá)設(shè)備、造紙機(jī)械,、紡織機(jī)械,、半導(dǎo)體工業(yè)晶圓傳送裝置,、印刷包裝機(jī)械、醫(yī)療器械,、金屬成型機(jī)械,、儀器儀表、光學(xué)制造設(shè)備,、核設(shè)施以及空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域,。例如：日本本田公司仿生機(jī)器人ASIMO的手臂與腿部至少使用了24套諧波傳動(dòng)裝置；美國(guó)NASA發(fā)射的火星機(jī)器人（圖2）每個(gè)則使用了19套諧波傳動(dòng)裝置,；德法英聯(lián)合研制的空中客車上使用了諧波傳動(dòng)陣列來(lái)檢測(cè)飛機(jī)著陸時(shí)副翼的位置,；安裝于夏威夷MaunaKea山的Subaru望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)采用了264套諧波傳動(dòng)裝置，將8.2m口徑主鏡鏡面精度保持在0.1μm,；為確保手術(shù)系統(tǒng)高精度定位與配合作業(yè),，在外科手術(shù)系統(tǒng)中應(yīng)用了各種型號(hào)的諧波傳動(dòng)。現(xiàn)在,，約有90％的諧波傳動(dòng)應(yīng)用在機(jī)器人工業(yè)和精密定位系統(tǒng)中,，諧波傳動(dòng)已成為現(xiàn)代工業(yè)重要的基礎(chǔ)部件。
展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
我國(guó)從1961年開(kāi)始諧波傳動(dòng)方面的研制工作,，并且在研究,、試制和使用方面取得了較大的成績(jī)。到目前為止,，我國(guó)有幾十家單位從事這方面的研究工作,，并先后研制成了多種類型的諧波齒輪傳動(dòng)裝置,。如傳動(dòng)誤差小于9",、回差小于4"的高精度諧波齒輪傳動(dòng)裝置，噪聲小于45dB的高靈敏度小型諧波齒輪傳動(dòng)裝置,，用于水下極光探測(cè)儀的諧波傳動(dòng)裝置,，以及用于導(dǎo)彈發(fā)射架和雷達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)力諧波傳動(dòng)裝置等，為我國(guó)諧波傳動(dòng)的研制和開(kāi)發(fā)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。
火星機(jī)器人
北京市是中國(guó)重要的諧波傳動(dòng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地,，擁有以北京中技克美諧波傳動(dòng)有限公司、北京諧波傳動(dòng)技術(shù)研究所和北京天階科技工業(yè)公司等為代表的諧波傳動(dòng)產(chǎn)品的主要生產(chǎn)單位,。
國(guó)內(nèi)諧波傳動(dòng)公司的產(chǎn)品已經(jīng)長(zhǎng)期應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)和多種民用機(jī)械產(chǎn)品領(lǐng)域,，部分產(chǎn)品已出口國(guó)外，并開(kāi)發(fā)成功固體潤(rùn)滑諧波傳動(dòng)和短杯諧波傳動(dòng)產(chǎn)品,。
2006年,，北京工商大學(xué)基于橢圓凸輪波發(fā)生器，開(kāi)發(fā)成功了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的諧波齒輪傳動(dòng)雙圓弧基本齒廓,、諧波齒輪加工刀具以及雙圓弧諧波齒輪傳動(dòng)裝置,。經(jīng)FEM分析顯示,，雙圓弧齒形有效減小了柔輪齒根應(yīng)力。對(duì)比試驗(yàn)則表明,，雙圓弧諧波齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)精度和傳動(dòng)剛度明顯優(yōu)于漸開(kāi)線諧波齒輪傳動(dòng),，特別是在低載荷段，傳動(dòng)剛度增加了40%以上,。
展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
日本的諧波傳動(dòng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快,。1964年，日本Hasegawa齒輪公司生產(chǎn)了實(shí)用化諧波傳動(dòng)減速器,；1970年,，Hasegawa公司與USM公司在日本東京合資創(chuàng)立了諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司（HarmonicDriveSystemInc.）。根據(jù)合作協(xié)議,，諧波傳動(dòng)系統(tǒng)公司從Hasegawa公司獲得諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)商業(yè)權(quán)益,。1976年9月，公司資本金降至1億日元,，諧波傳動(dòng)系統(tǒng)公司成為USM公司的全資子公司,。1977年，諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司開(kāi)始生產(chǎn)銷售驅(qū)動(dòng)器和控制器等工廠自動(dòng)化設(shè)備,。1984年12月,，為了拓展市場(chǎng)，諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司在臺(tái)灣和韓國(guó)設(shè)置了銷售代理,。1987年,，其為拓展美國(guó)市場(chǎng)，創(chuàng)建了子公司HDSystem公司,，與Mitsui&Co.Ltd簽署了在韓國(guó)的產(chǎn)品分銷協(xié)議,。1988年，開(kāi)始生產(chǎn)具有新開(kāi)發(fā)的IH齒形的諧波傳動(dòng)減速器,。1989年,，其創(chuàng)建全資子公司，即“新的”諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司,，并轉(zhuǎn)移商業(yè)權(quán)益,。以前的諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司被Koden電子公司接手。1990年,，公司將生產(chǎn)基地從日本Matsumoto轉(zhuǎn)移至位于Nagano的Hotaka工廠,，1996年與德國(guó)HarmonicDriveAntriebstechnik公司（現(xiàn)在的HarmonicDrive公司）簽署排他性分銷協(xié)議，后者負(fù)責(zé)在歐洲,、中東,、非洲、印度和拉丁美洲的產(chǎn)品銷售,，同年12月簽署授權(quán)與技術(shù)支持協(xié)議,。
微型諧波傳動(dòng)裝置
1998年,，諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司進(jìn)入日本證券交易協(xié)會(huì)場(chǎng)外交易市場(chǎng)；1999年,，創(chuàng)立了HD物流和HarmonicPrecision等子公司,。2002年，其獲得了HarmonicDrive公司25%流通股權(quán),；2004年12月,，進(jìn)入了Jasdaq證券交易市場(chǎng)；2005年,，在美國(guó)創(chuàng)建HarmonicDriveL.L.C公司,，該公司是HDSystems與HarmonicDriveTechnologiesNabtesco的合資公司。
HarmonicDriveAG成立了子公司——Micromotion公司,，專門負(fù)責(zé)用直接LIG工藝開(kāi)發(fā)與制造微型諧波齒輪傳動(dòng)（圖3）及其傳動(dòng)方案,，在微型諧波傳動(dòng)領(lǐng)域，于2005年向市場(chǎng)推出了“P”齒形,，目前開(kāi)發(fā)出了MHD8和MHD10兩個(gè)系列的產(chǎn)品,，外徑最小為8mm，采用行星齒輪傳動(dòng)式波發(fā)生器,，傳動(dòng)比為160,、500和1000，質(zhì)量最小為2.2g,，重復(fù)精度可達(dá)10弧秒,。
由于傳統(tǒng)工藝能加工齒輪的最小模數(shù)為60~100m，因此微型諧波齒輪傳動(dòng)元件采用了LIGA工藝制造,。LIGA工藝可以獲得高深寬比微結(jié)構(gòu),，它于1980年代起源于德國(guó)Karlsruhe原子核研究中心，是目前微型機(jī)系統(tǒng)（MEMS）加工的重要工藝,。
子公司HarmonicDrivePolymer公司專門負(fù)責(zé)用熱塑性塑料制造大減速比精密諧波齒輪傳動(dòng)的開(kāi)發(fā)與制造,，子公司Ovalo公司則負(fù)責(zé)大批量的生產(chǎn)與應(yīng)用，開(kāi)發(fā)或?qū)⒂脩舳ㄖ频闹C波傳動(dòng)產(chǎn)品工業(yè)化,。HarmonicDrive公司還分別在英國(guó)、法國(guó),、意大利,、澳大利亞和西班牙創(chuàng)建了另外5個(gè)子公司，以加強(qiáng)國(guó)際銷售和本土化服務(wù),。
CSD長(zhǎng)度為R系列的1/3
在諧波齒輪傳動(dòng)中采用雙圓弧齒廓,，可以有效改善柔輪齒根的應(yīng)力狀況和傳動(dòng)嚙合質(zhì)量，提高承載能力,、扭轉(zhuǎn)剛度和柔輪疲勞壽命,，并可降低最小傳動(dòng)比,。日本的IH齒形是基于余弦凸輪波發(fā)生器開(kāi)發(fā)的雙圓弧齒形，由于采用近似方法設(shè)計(jì),，應(yīng)用初期出現(xiàn)了齒廓干涉等問(wèn)題,，但是到1990年代初期已經(jīng)基本完善。目前,，日本諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司的諧波產(chǎn)品有十幾個(gè)類型,，二十多個(gè)系列，最小傳動(dòng)比為30,，型號(hào)中帶有字母“S”的,，其齒形為雙圓弧齒形，產(chǎn)品壟斷了主要國(guó)際市場(chǎng),。其中超短杯型號(hào)CSD（圖4）和SHD,，其柔輪長(zhǎng)度僅有常規(guī)諧波傳動(dòng)柔輪的1/3，既增加傳動(dòng)剛度,，又大幅度減輕了諧波減速器重量,。此外，在諧波傳動(dòng)輕量化技術(shù)方面,，采用鋁等輕合金材料制造波發(fā)生器與減速器殼體等方式,，減薄剛輪外緣以及改進(jìn)連接結(jié)構(gòu)等形式，使整機(jī)重量大幅度減輕,，在航空航天和機(jī)器人領(lǐng)域,，其輕量化諧波傳動(dòng)產(chǎn)品系列的應(yīng)用日益廣泛。
自2000年開(kāi)始,，日本諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司還在中國(guó)大陸注冊(cè)了11項(xiàng)與諧波傳動(dòng)相關(guān)的商標(biāo),，其中，僅2006年就申請(qǐng)注冊(cè)了10項(xiàng),。在研究投入方面,，根據(jù)公司（HarmonicDriveSystemInc.）2007年財(cái)報(bào)，減速器銷售額為150億日元,，占公司產(chǎn)品的75.7%,；公司有研究開(kāi)發(fā)人員55人，占員工比例14.9%,；研究開(kāi)發(fā)費(fèi)用11.85億日元,，占凈銷售額的6.2%。
日本諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司通過(guò)持續(xù)深入的研究開(kāi)發(fā),、規(guī)�,；�(jīng)營(yíng)與資本運(yùn)作，促進(jìn)了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和升級(jí)換代。目前,，其諧波傳動(dòng)產(chǎn)品不僅壟斷了主要國(guó)際市場(chǎng),，并且進(jìn)入了中國(guó)市場(chǎng)。與國(guó)外,，主要是日本相比,，國(guó)內(nèi)諧波傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模偏小且產(chǎn)品種類少，研究開(kāi)發(fā)人員和投入不足,，在加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù),、加快新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品升級(jí)換代以及經(jīng)營(yíng)管理等方面,，日本諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司的發(fā)展可以作為有益的借鑒。
出處：《 發(fā)布時(shí)間,；2009-09-09 來(lái)源：MM現(xiàn)代制造 》
日期： 2009/9/9
