谐波减速器零件成组工艺过程设计与成组夹具设计-机械工程硕士论文

谐波减速器谐波减速器零件零件成组工艺过程设计成组工艺过程设计 与成组夹具设计与成组夹具设计 Design of group processes and group fixtures for Harmonic Reducer Parts 工程领域 机械工程 研 究 生 殷红峰 指导教师 张世昌 企业导师 张保杰 天津大学机械工程学院 2013 年 5 月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 I 摘摘 要要 谐波传动减速器（简称谐波减速器）是一种新型减速器，由于其具有减速比 大、重量轻、传动效率高、噪声小等特点，已在机器人、机床、仪器仪表、医疗 器械等领域得到应用。H 公司是一家设计、研发和生产谐波减速器的企业，技术 力量较强，但由于产品多为单件和小批量，制约了生产效率的提高。为改变这种 状况，公司决定全面实施成组技术，本课题即在此背景下展开。 论文主要完成以下工作： 1. 对成组技术的发展现状及成组技术实施的主要问题进行总结和综述， 为公 司制定实施成组技术总体规划提供参考。 2. 设计谐波减速器零件成组编码系统， 为企业全面实施成组技术提供统一标 识。 3. 制定谐波减速器零件机械加工成组工艺规程，规范和统一现有加工工艺， 为划分成组生产单元和组织成组生产奠定基础。 4. 针对企业加工中主要依靠划线找正方法的现状， 设计谐波减速器零件加工 成组夹具，为提高生产效率和保证加工质量提供技术支持。 以上工作已在企业生产中部分实施，取得良好效果。 关键词：关键词：谐波减速器；成组技术；成组编码；成组工艺过程；成组夹具 II ABSTRACT Harmonic drive reducer is a new type reducer, which possesses advantages of large reduction ratio, light weight, high efficiendy, low noise etc, widely used in many cases, shuch as robot, machine tool, instrument and apparatus, medical appliance, and so on. H Company is an enterprise being engaged in design and product Harmonic drive reducers, has strong technical power, but due to the small-lot in production, restricting the increase of production efficiency. In order to change this status, Company determines to full scale operation Group Technology. The topic is proposed in this background. The main works completed in this paper are as follows: 1. Group Technology development status and the main problems for GT application are summarized, aimed to provide reference for Company decisions about GT implementation. 2. The group code system of harmonic reducer parts is developed, this offered an unite identification for Gi in full operation. 3. The group processe of harmonic reducer parts maching is planned, to lay the foundation of group production. 4. Considering the current status slathering of lineation and alignment, group jigs and fixtures are designed, to providing technical support for increasing production efficiency and machining quality. The above works are carried out partially in actual production, and satisfactory results are achieved. KEY WORDS：Harmonic Drive Reducer; Group Technology; Group Process; Group Fixture III 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题背景 1 1.2 成组技术发展与应用 2 1.2.1 成组技术的由来与发展 . 2 1.2.2 成组技术基本原理 . 3 1.2.3 实施成组技术的基本问题 . 4 1.2.3 成组技术的应用 . 6 1.3 本文主要研究内容及章节安排 8 第二章 谐波减速器介绍及 H 公司生产概况 9 2.1 谐波减速器介绍 9 2.1.1 谐波减速器工作原理 . 9 2.1.2 谐波减速器结构 . 14 2.1.3 谐波减速器特点 . 12 2.2 H 公司生产简况 . 14 2.2.1 生产车间与设备 . 14 2.2.2 制造工艺 . 14 2.3 本章小结 15 第三章 谐波减速器零件成组编码系统设计 . 16 3.1 成组编码系统结构 16 3.1.1 总体结构 . 14 3.1.2 码位之间结构 . 14 3.1.3 码位内信息排列方式 . 18 3.1.4 OPITZ编码系统结构 . 18 3.2 谐波减速器零件成组编码系统设计. 20 3.2.1 成组编码系统设计思路 . 20 3.2.2 谐波减速器零件成组编码系统结构与编码规则 21 3.2.2 谐波减速器零件成组编码举例 26 2.3 本章小结 27 第四章 谐波减速器零件成组工艺过程设计 . 28 4.1 成组工艺过程设计方法. 28 4.1.1 综合零件法 28 4.1.2 综合路线法 29 4.1.3 计算机辅助工艺过程设计 30 IV 4.2 谐波减速器零件成组工艺过程设计 30 4.2.1 设计思路 30 4.2.2 谐波减速器零件加工成组工艺过程设计 . 30 4.2.3 壳体零件成组工艺过程设计 . 38 4.3 谐波减速器零件工艺过程设计 42 4.3.1 设计思路 42 4.3.2 谐波减速器零件工艺过程设计举例 43 4.4 本章小结 45 第五章 谐波减速器零件加工成组夹具设计 . 46 5.1 成组夹具设计方法 46 5.1.1 成组夹具特点 46 5.1.2 成组夹具的调整方式 46 5.1.3 成组夹具设计 49 5.1.2 计算机辅助夹具设计 50 5.2 谐波减速器零件加工成组夹具设计. 51 5.2.1 成组夹具经济性分析 51 5.2.2 夹具元件图形库的建立 52 5.2.3 夹具装配体生成 56 5.3 谐波减速器零件加工成组夹具设计. 58 5.3.1 设计思路 58 5.3.2 谐波减速器零件加工成组夹具实例分析 59 5.2.3 工程图的转换 67 5.4 本章小结 67 第六章 结论与展望 . 68 6.1 结论 68 6.2 展望 68 参考文献. 69 致谢. 74 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景 制造业是国民经济的支柱产业。机械制造业是制造业的重要组成部分，担负 着为国民经济各部门生产制造装备的重任，因而是国民经济的基础。 谐波传动减速器（简称谐波减速器）是一种技术含量较高的机械产品。与传 统齿轮减速器相比，谐波减速器具有结构简单、体积小、重量轻、传动比大、运 动平稳、噪声小等一系列优点，目前已在航空航天、电子信息、仪器仪表、石油 化工、食品机械、包装机械、医疗器械、机器人等领域得到应用7。但由于谐波 减速器制造工艺复杂，生产成本较高，制约了其大面积扩展应用。 某谐波传动有限公司（以下简称 H 公司）以设计、研发和生产各种谐波减速 器为主营业务。H 公司是我国最早研发和生产谐波减速器的企业之一，至今已有 近 50 年的历史，该企业技术力量雄厚，汇集了众多从事谐波传动研究专家及设 计工程师，曾研发出多款具有自主知识产权的谐波减速器新产品，获得多项国家 专利。 谐波减速器的生产属于典型的多品种、中小批量生产类型，产品品种规格繁 多，但通常生产批量较小，且往往需要根据用户的特殊需求，专门设计和制造批 量有限的订制产品。这种生产方式决定了谐波减速器的生产存在着一般多品种、 中小批量生产的共性问题：生产效率较低，生产周期较长，生产成本较高，难以 满足日益增长的社会需要。 H 公司 2005 年对用户所做的的一份调查问卷中，超过一半的用户将产品价 格和交货期列为关注的重点；而在对潜在用户的一份调查报告中显示，约 80的 潜在用户对谐波减速器感兴趣，但因为受价格的约束，欲采用而一直未采用，或 短期内还不准备采用。 根据以上情况，为了适应社会发展需求，扩大市场规模和开拓新的市场，公 司将提高生产效率和降低生产成本列为企业发展的首要任务。而解决多品种、中 小批量生产方式生产率低下和经济效益不佳的有效方法之一是采用成组技术。故 此，公司做出全面实施成组技术战略决策。 本课题即是 H 公司实施成组技术战略部署的一个组成部分。 第一章 绪论 2 1.2 成组技术的发展及应用成组技术的发展及应用 1.2.1 成组技术的由来与发展成组技术的由来与发展 随着市场需求多样化和多变性的不断增长，多品种、中小批量生产在各类机 器生产中所占的比重越来越大，现已超过 70%，且有继续增大的趋势。传统的多 品种、中小批量生产方式存在着许多问题，如： 1）生产领域普遍存在着“批量法则” ，特别是自上个世纪初开启的大批量自 动化生产模式（Mass Production） ，使大批量生产的产品获得了高效率、高质量和 低成本的优势，而多品种、中小批量生产则相反。由于生产批量小，难以采用高 效、自动化生产设备和生产工艺，致使其生产率长期低下。 2）多品种、中小批量生产周期长，生产准备工作量大。大批量生产中，生 产准备时间和费用， 均摊到每个产品上微乎其微， 多品种、 中小批量生产则不然。 多品种、 中小批量生产总生产时间中， 不足 25% 的时间用于实际加工和装配， 其余的时间均消耗在等待、周转、调整机床、装卸工件、对刀、测量、选配与修 配等辅助工作上。 3）设备利用率低，大材小用的现象十分普遍。据某工厂统计，在 CA6140 车床上， 实际加工的工件直径 90%以上不足 100mm， 而该机床的设计能力为最大 加工直径 400mm。 为了解决多品种、中小批量生产方式生产率低下和经济效益差的问题，人们 一直在寻求各种有效的方法，最终发展了成组技术。 最早系统提出成组技术思想的是前苏联科学院院士 ，其代表 作“成组工艺科学原理” ，发表于上个世纪 50 年代。上个世纪 60 年代，西欧各 国开始研究成组技术，并迅速形成研究热潮。其中，最具代表性的人物是德国阿 亨工业大学的 Opitz 教授。他所领导的研究小组进行了大量调查研究工作，为成 组技术的确立和实施奠定了坚实的基础。由他领导制定的分类编码系统流传甚广， 直至今日在世界范围内仍有极大的影响和重要参考价值。 美国、日本等国家开始接受成组技术思想较晚，但发展较快，并将其与计算 机技术和现代生产模式联系起来，使之成为一种先进的制造哲理（Manufacturing Philosophy）被人们广泛接受，构成现代制造技术的重要理论基础之一。 成组技术的发展过程经历了由成组加工成组工艺成组技术成组生产 系统的几个阶段3。 1）成组加工 在一台机床上，将使用夹具相同、加工方法相似、加工工步 相近的一批零件，放在一起加工，可显著提高生产效率，缩短机床调整时间。 第一章 绪论 3 2）成组工艺 将加工过程相似的若干种零件组成零件组，制定统一的零件 组加工工艺过程； 进一步将零件组的加工设备组成机床组， 形成零件组生产单元， 设计和制作成组夹具，显著提高零件的加工效率，并易于保证零件的加工质量。 3）成组技术 将成组思路从制造工艺扩展到产品设计和生产管理方面，形 成全方位的成组技术，可使企业获得更显著的经济效果。 4）成组生产系统 将成组技术与现代生产系统相结合，使其发展成为现代 制造技术的一个理论基础6。 1.2.2 成组技术基本原理成组技术基本原理 成组技术是一门生产技术，普遍存在于各个生产领域。其基本原理是利用事 物的相似性，将相似的问题分类成组，以寻求解决某一类问题的最优方案。 在机械制造领域中，成组技术可以被定义为3：将多种零件按其相似性分类 成组， 并以这些零件组为基础组织生产， 实现多品种、 中小批量生产的产品设计、 制造工艺和生产管理的合理化。 机械制造领域采用成组技术的优势主要体现在两个方面： （1）规模效益 将零件按其相似性分类成组，使同一类零件分散的小批量生产，汇合成较大 批量的成组生产，从而使多品种、中小批量生产可以获得接近大批量生产的经济 效果。 （2） “重复使用”原则 在市场需求日益向多样化和个性化发展的今天，产品生产批量有不断减小的 趋势，但成组技术仍不失为是一种“制造哲理”3 ，主要体现在“重复使用”原 则上： 1）资源重复使用，可以显著降低生产成本。 2）学习效应，即作业熟练程度的增加，有利于提高生产效率。 1.2.3 实施成组技术的基本问题实施成组技术的基本问题 实施成组技术的基本问题包括制定零件成组分类编码系统，划分零件组，编 制成组工艺过程，建立成组生产单元，设计和制作成组夹具，制定成组生产进度 计划和作业计划等。 1. 制定零件成组分类编码系统制定零件成组分类编码系统 如前所述，机械制造领域采用成组技术的基本方法是利用零件的相似性，将 其分类成组，并以这些零件组为基础组织生产。为此，必须首先对零件的相似特 第一章 绪论 4 征进行描述和识别，而一套完整描述和识别零件有关特征的规则和依据，便是零 件分类编码系统。 最早提出零件分类编码系统的是德国的 Opitz 教授，他在上世纪 60 年代所构 建的零件分类编码系统被称为 Opitz 编码系统。之后几十年内，世界上开发和使 用的分类编码系统多达数百种，其中应用较广泛的有 KK 系统（日本） ，Miclass 系统（荷兰） ，Sulzer 系统（瑞士） ，以及 JLBM-1 系统（中国）等。这些系统均 具有自己的特点，同时又具有一定的通用性，企业可根据需要直接无偿选用，也 可在上述系统的基础上进行适当的修改后形成新的成组编码系统。当然，企业也 可根据成组技术原理，自行开发适合企业特殊要求的成组编码系统。 2. 划分零件组划分零件组 在制定或选用合适的零件分类编码系统之后，需要根据零件的相似性划分零 件组，这是实施成组技术的关键。对于不同的技术领域，划分零件组的概念不完 全相同5。在产品设计领域，通常要求按零件结构相似特征（包括零件形状、尺 寸、结构、精度等）划分零件组；在机械加工领域，通常按零件工艺相似特征（包 括加工方法、 工艺路线、 使用的设备与工装等） 划分零件组； 而在生产管理领域， 则常常根据产品构成特征、零件工艺路线特征及零件投产时间特征等划分零件组。 由于零件的工艺特征涉及面较广，牵涉企业多个部门和生产活动的多个环节，因 而就企业整个生产过程而言，常常首选按零件工艺特征划分零件组。 划分工艺相似零件组的方法主要有三种类型，分别是目视法、分类编码法和 生产流程分析法2。 （1）目视法 这是一种完全依靠人工划分零件组的方法。工艺工程师根据个人的经验和直 觉，将所有零件划分成若干个不同的零件组。这种分组方法完全决于工艺人员个 人的经验和水平，往往难以取得最优结果，且效率低下，仅在实施成组技术初期 或生产规模较小的企业使用。 （2）分类编码法 顾名思义，这种方法首先对零件进行分类编码，然后主要根据零件的成组编 码，划分零件组。这种方法又可细分为两种：特征码位法和码域矩阵法。 1）特征码位法 将编码系统中影响零件工艺特征的主要码位确定为特征码 位， 只要零件编码在特征码位上相同， 就视为同一个零件组。 这种方法简单易行， 但考虑问题不够全面。特征码位选取过少，不能保证同组零件之间的相似性；特 征码位选取过多，又会使划分到一个零件组的零件数目过少。 2）码域矩阵法 为了克服了特征码位法的不足，需要考虑所有码位特征。 但若要求零件所有码位编码系统，则过于苛刻。解决的办法是划定一定的码域， 第一章 绪论 5 即每个码位给出一定的范围，便形成 “码域矩阵” （又称“零件组矩阵） ，如图 1-1 所示。码域矩阵为每个零件组规定了一个相应的码域，凡零件的编码落在该 码域内，就可将该零件划分到这个零件组。 a）零件组代表零件与复合零件 b）零件组码域矩阵 图 1-1 码域矩阵与综合零件 采用分类编码法划分零件组的优点是根据零件设计图纸即可划分零件组，且 易于计算机处理。在计算机集成环境下，采用分类编码法划分零件组有利于实现 CAD 与 CAPP 系统的连接。 采用分类编码法划分零件组的缺点是对零件分类编码系统要求较高，要能充 分反映零件的工艺信息。否则难以保证零件组内所有零件的工艺相似性。 （3）生产流程分析法 生产流程分析法按零件的加工工艺过程及所用设备划分零件组。显然这种方 法能保证零件组内所有零件工艺过程的相似性。 采用生产流程分析法划分零件组，需首先编制每一个零件的工艺过程，然后 根据零件工艺过程建立相应的零件机床矩阵，再以此矩阵为基础，采用不同方 法 （如核心零件法、 顺序分枝法、 聚类分析法、 二进制数排序法等）划分零件组， 最后凭设计者的经验和判断力或通过机床负荷计算，对已划分的零件组进行适当 的调整，得到最终结果。 采用生产流程分析法划分零件组的一个重要优点是在划分零件组的同时可 以形成机床组，而机床组是建立成组生产单元的基础。 3. 建立成组生产单元建立成组生产单元 零件组划分好以后， 需制定零件组的成组工艺， 确定零件组加工所用的机床， 再通过机床负荷计算确定机床台数，也即建立了成组生产单元。 9 码位 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 码 域 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 15 第一章 绪论 6 建立成组生产单元时，可按下式计算单元内机床的数量： F tN Q m i iji j 1 （1-1） 式中 Qj第 j 种机床的计算台数； N i 第 i 种零件年产量； tij 第 i 种零件在 j 机床上的单件加工时间； m 单元内加工零件的种数； F 机床年台时基数。 成组生产单元是一种先进的生产组织形式。传统上，多品种、小批量生产车 间，机床按机群式布局，生产单位按机床类型划分班组，这造成了生产的不连贯 和物流的混乱。在成组生产单元内，工件可以有序地流动，缩短了周转时间，减 少了物流成本，见图 1-24。同时，成组生产单元使零件加工在单元内封闭起来， 有利于调动一线工人的积极性，有利于提高生产效率和保证产品质量。 a）机群式布局 b）成组单元布局 图 1-2 机群式布局与成组单元机床布置形式比较 1.2.4 成组技术的成组技术的应用应用 1成组技术在产品设计中的应用成组技术在产品设计中的应用 在产品设计中应用成组技术的成效主要表现在两个方面： （1）减少设计工作量 在零件（部件或产品）的设计过程中，可以利用零件（部件或产品）编码， 检索并调出已设计过的与之相似的零件（部件或产品） ，在此基础上进行局部修 改，形成新的零件（部件或产品） 。这可以大大减少零件设计工作量，并可减少 进出料口 进料口 出料口 L G G L L A M M D D G G G L L L L L L M A M M M D D A 进出料口 第一章 绪论 7 工艺准备工作和降低制造费用。在参数化设计已广泛应用的今天，这一优越性得 到充分的展现。 （2）提高标准化程度 在产品和零部件设计中采用成组技术，有利于提高设计和制造工艺的标准化 的程度。设计标准化是工艺标准化的前提，而制造工艺标准化对合理组织生产至 关重要。 2成组技术在加工工艺方面的应用成组技术在加工工艺方面的应用 成组技术最初源于成组加工，之后进一步发展成为成组工艺。实施成组加工 和成组工艺， 有利于提高操作工人的熟练程度和设备利用率， 从而提高生产效率。 采用成组工艺后，人为地扩大了生产批量，使多品种、中小批量生产可以取得接 近大批量生产的经济效果。 采用成组加工和成组工艺，还有利于提高工装系数。传统上，多品种、中小 批量生产中考虑成本因素，较多使用划线找正等人工方法，而较少使用专用工艺 装备，致使生产效率低下，且不容易保证加工质量。采用成组技术后，有条件设 计和使用成组工艺装备，为提高生产效率和产品质量提供了有力支持。 3成组技术在生产管理方面的应用成组技术在生产管理方面的应用 首先，成组生产单元是一种先进的的生产组织形式。在成组生产单元内，零 件加工过程被封闭起来，责、权、利集中在一起，生产一线人员的积极性和责任 感被充分地调动起来。 其次，按成组工艺进行加工，可使零件加工流向基本相同（图 1-2b） ，可以 减少工件运动距离，同时也有利于作业计划的安排。这是因为组内零件按相同顺 序加工，其作业计划的制定变得简单许多，易于实现优化10。 需要指出的是采用成组技术需要按零件组制定零部件生产进度计划，这是对 传统的按产品制定生产计划方式的巨大挑战，因而成为一些企业推行成组技术的 阻力。要克服这种阻力，仅靠转变传统观念还不够，而必须充分应用信息技术和 采用计算机辅助生产管理方法。 1.3 本文主要研究内容及章节安排本文主要研究内容及章节安排 根据 H 公司实施成组技术的战略部署和执行计划， 确定本文主要研究工作如 下： 1） 制定谐波减速器零件成组编码系统， 为公司实施成组技术提供必要手段。 对编码系统的基本要求是简单、实用，并最好能与已有的零件图号对应起来。 2）谐波减速器零件成组工艺过程设计和工序设计。除刚轮、柔轮和凸轮三 大件工艺比较特殊外，将大、中、小型轴类、盘套类、壳体类、支座类、杂件类 第一章 绪论 8 等 15 个系列约 200 种零件划分成 14 个零件组，分别编制其零件组的成组工艺， 并完成零件组内各零件的工艺过程设计和工序设计。设计的原则是尽量与现有工 艺保持一致，以实现制造工艺的平稳过渡。同时也要兼顾企业的技术发展，特别 是数控机床的使用。 3）谐波减速器零件成组夹具设计。长期以来，由于零件加工批量较小，除 一部分加工采用通用夹具外，大多采用划线找正方法装夹零件，极少使用专用夹 具。实施成组工艺后，需要设计和制作一批成组夹具，以提高生产效率和保证加 工质量。成组夹具设计的原则是保障生产，经济合理，急用优先，逐步完成。在 设计过程中，注意充分挖掘和利用现有软件功能，从实用角度出发，尽量不做或 少做二次开发，以较小投入获得较好效果。 论文章节安排如下： 第一章绪论， 说明课题背景， 对机械制造中的成组技术原理及应用进行综述， 阐述论文主要研究内容即章节安排。 第二章介绍谐波减速器工作原理及结构特点， 以及 H 公司生产谐波减速器的 工艺现状，为后续内容的展开进行铺垫。 第三章为谐波减速器零件成组编码系统设计。主要参考 Opitz 分类编码系统 结构框架，充分考虑谐波减速器零件的特点，构建简单实用的编码系统，并与已 有的零件图号对应起来。 第四章阐述谐波减速器零件成组工艺设计。结合公司现行生产工艺，考虑公 司今后发展，采用综合零件法设计成组工艺，并进一步利用计算机辅助工艺过程 设计原理和方法，实现零件组内具体零件的工艺过程设计和工序设计。 第五章为谐波减速器零件加工成组夹具设计。通过两个实例，介绍如何通过 使用 SolidWorks 软件进行成组夹具计算机辅助设计的方法和过程， 并对成组夹具 设计中的关键问题进行讨论。 第六章对全文进行总结，并提出进一步研究的设想。 第二章 谐波减速器介绍及 H 公司生产概况 9 第二章第二章 谐波减速器介绍及谐波减速器介绍及 H H 公司生产概况公司生产概况 2.1 谐波减速器介绍谐波减速器介绍 2.1.1 谐波减速器工作原理谐波减速器工作原理 谐波齿轮传动（简称谐波传动）是一种依靠柔性零件产生弹性机械波来传递 动力和运动的行星齿轮传动。谐波齿轮减速器（简称谐波减速器）则是基于谐波 传动的减速器，它实际上是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。 谐波减速器主要由三个基本构件（称为谐波减速器三大件）组成： 1）带有内齿圈的刚性齿轮（称为刚轮），它相当于行星轮系中的中心 轮； 2）带有外齿圈的柔性齿轮（称为柔轮），它相当于行星轮系中的行星 齿轮； 3）波发生器 H（又称为凸轮），它相当于行星轮系中的行星架。 三个构件可任意固定一个，其余两个一个为主动、一个为从动，可实现减速 或增速（固定传动比） ，也可变换成两个输入，一个输出，组成差动传动，其工 作原理如图 2-1 所示。 图 2-1 谐波减速器工作原理 作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。 刚轮 柔轮 波发生器 柔性轴承 第二章 谐波减速器介绍及 H 公司生产概况 10 波发生器 H 是一个杆状部件，其上装有柔性滚动轴承构成滚轮，与柔轮 的内壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小 于波发生器的周长。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件，最简单的 形状为椭圆（参考图 2-1）。波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先 的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端 附近的齿则与刚轮完全脱开，周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状 态。当波发生器沿图示方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚 轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入，周而复 始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器 H 相反方向的缓慢旋转。 波发生器转一周，柔轮上某点变形的循环次数称为波数，以 n 表示。 常用的是双波和三波两种。双波传动的柔轮应力较小，结构比较简单，易于 获得大的传动比。故为目前应用最广的一种。 谐波齿轮传动的柔轮和刚轮的周节相同，但齿数不等，通常采用刚轮与 柔轮齿数差等于波数，即 nzz 12 （2-1） 式中 z2、z1分别为刚轮与柔轮的齿数。 当刚轮固定、发生器主动、柔轮从动时，谐波齿轮传动的传动比为 12 1 zz z i （2-2） 上式负号表示柔轮的转向与波发生器的转向相反。 双波传动中， 2 12 zz，由于柔轮齿数很多，因此谐波减速器可获得很大的传动比。 2.1.2 谐波减速器结构谐波减速器结构 谐波减速器品种规格繁多，形状结构也有所差异，但其基本结构相似， 即以三大件为核心构成一个完整的减速装置。下面仅以小型单级谐波减速器 为例说明其基本结构。 图 2-2 所示为一单级谐波减速器典型结构图，图 2-2 为该谐波减速器部 件分解图。 由图可见，刚轮的外圆与壳体圆柱孔配合，并通过螺钉连接在壳体上， （连接后使用两个圆柱销定位）。柔轮与减速器的输出轴（低速轴）连接在 一起（或做成一体），并与轴承、隔环等装配在一起构成输出轴组件。该组 件再通过轴承定位在壳体中。波发生器（凸轮）则通过键连接固定值输入轴 （高速轴）上，柔性轴承的内圈与波发生器过盈配合连接，连同轴承等构成 第二章 谐波减速器介绍及 H 公司生产概况 11 输入轴组件。该组件通过轴承分别与输出轴内孔和端盖小孔配合。端盖的大 圆柱孔也与刚轮配合，并通过刚轮实现与壳体的对中，再用螺钉连接完成整 个减速器的装配。 1.装配时修磨隔环或调整垫，保证无轴向位移， 柔性轴承 技术要求 刚轮 凸轮 调整垫 输入轴 端盖柔轮(输出轴) 透气塞 XB1-XX 共 张审核 会签 批准 谐波减速器 隔环 比例 重量 1:1 第 张 壳体 且转动灵活。 2.按规范进行跑合，跑合后拆洗检查重新装配， 设计 校对 序号名 称规 格数量材料备 注 接缝处涂真空密封脂。 图 2-1 单级谐波减速器装配图 图 2-2 单级谐波减速器部件分解图 刚轮 柔轮 波发生器 壳体 端盖 柔性轴承 第二章 谐波减速器介绍及 H 公司生产概况 12 2.1.3 谐波减速器特点谐波减速器特点 通过分析谐波减速器的工作原理和结构，可以看出谐波传动具有如下特点： （1）结构简单，体积小，重量轻 谐波齿轮传动的主要构件只有三个：波发生器、柔轮、刚轮。与传动比相当 的普通减速器比较，其零件数减少约 50%，体积和重量均减少 1/3。 （2）传动比范围大 单级谐波减速器传动比可达 50300（优选为 75250）； 双级谐波减速器传动比可达 300060000； 复波谐波减速器传动比可达 200140000。 （3）同时啮合的齿数多，承载能力大 双波谐波减速器同时啮合的齿数可达30%， 甚至更多。 而在普通齿轮传动中， 同时啮合的齿数只有 27%， 对于直齿圆柱渐开线齿轮同时啮合的齿数只有 12 对。由于同时啮合齿数多，使谐波传动与普通齿轮传动相比具有精度高、承载能 力大的特点。 （4）运动平稳，无冲击，噪声小 齿的啮入、啮出是随着柔轮的变形，逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合 过程中齿面接触，滑移速度小，且无突然变化。 （5）传动效率高，齿面磨损小 与相同速比的其它传动相比，谐波传动由于运动部件数量少，而且啮合齿面 相对运动速度很低，因此传动效率较高，可达 6596%，且齿面磨损较小。 （6）齿侧间隙可以调整 谐波齿轮传动在啮合中，柔轮和刚轮齿侧间隙主要取决于波发生器外形的最 大尺寸，及两齿轮的齿形尺寸，可以调整使传动的回差很小，某些情况甚至可以 实现零侧间隙。 （7）可实现向密闭空间传递运动及动力 采用密封谐波传动减速装置，可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及其它有害 介质空间的机构，而这一点其它传动机构难以实现。 （8）可实现差速传动 由于谐波齿轮传动的三个基本构件中，可以使任意两个构件为主动，第三个 为从动（例如让波发生器、刚轮主动，柔轮从动），就可以构成一个差动传动机 构，从而方便的实现快慢速工作状况。 （9）工艺复杂，制造难度较大 第二章 谐波减速器介绍及 H 公司生产概况 13 由于谐波齿轮传动中的柔轮是薄壁零件，且工作时要承受较大的交变载荷， 因而对柔轮材料的抗疲劳强度、加工精度和热处理要求均较高，制造难度较 大。此点也是制约谐波减速器大面积推广应用的重要因素。 表 2-1 所示为谐波齿轮传动与其它传动性能的比较。由表可见，在相同输出 扭矩和相似传动比（传动比较大）的情况下，谐波减速器在体积、重量、外形尺 寸、齿面接触应力、运动平稳性等方面具有明显的优势。 表 2-1 谐波传动与其它传动性能的比较18 参 数 减 速 器 类 型 行星齿轮 人字齿轮 蜗杆蜗轮 圆柱齿轮 谐波齿轮 传动级数 3 2 2 3 1 输出力矩 / N m 390 390 390 390 390 传动比 97.4 96 100 98.3 100 效率 /% 85 85 78 93 85 齿轮数量 13 4 4 6 2 轴承数量 17 6 6 8 5 节圆线速度 /(m/s) 7.62 7.62 7.62 7.62 0.094 齿滑动速度 /(m/s) 12.7 12.7 12.7 12.7 0.12 同时啮合齿数 7 5 3 3 30 齿面接触应力 /MPa 345 345 345 345 4.12 齿的剪应力 /MPa 172 172 172 172 2.06 安全系数 3 3 2 5 36 齿面接触状态 线 线 线 线 面 运动平稳性 中 好 好 中 好 力的平衡 好 好 不好 好 好 外形尺寸高 /cm 33.1 35.6 40.6 58.8 18.5 外形尺寸长 /cm 38.1 50.8 43.2 91 16 外形尺寸宽 /cm 33.1 25.4 25.4 34.6 16.5 体积 /1000cm3 40 146 44 185 5.5 质量 /kg 111 127 92.5 325 25 第二章 谐波减速器介绍及 H 公司生产概况 14 2.2 H 公司生产简况公司生产简况 2.2.1 生产车间与设备生产车间与设备 H 公司为了扩大生产规模，已新建成一面积为 3000m2的机加工车间和一面 积为 1200m2的热处理车间，并新购置了一批数控车床和加工中心。加上原有设 备，机床设备数量已达到 110 余台，包括不同规格的普通车床、数控车床、椭圆 车床、立式钻床、台式钻床、摇臂钻床、立式铣床、卧式铣床、数控铣床、加工 中心、外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、滚齿机、插齿机、磨齿机，以及旋压机、 带锯等。机床设备品种规格较齐全，完全可以满足各种规格、型号谐波减速器零 件加工要求。 基于单件小批、多品种产品的生产现状及车间沿袭的组织形式，同时兼顾即 将采用的成组生产方式，车间机床布局采用机群式与成组加工单元相结合的布局 方案。车间按加工对象划分成几个不同的区域：三大件区，输入输出轴区，壳体 端盖区，环套杂件区，参见图 2-3。每个区域内，机床尽可能按零件加工工艺流 程排列，且但大部分机床都没有安装地脚螺钉，为的是便于以后向完全的成组生 产单元的转换。 2.2.2 制造工艺制造工艺 H 公司多年来一直采用订单生产方式，按用户需求进行生产。生产批量多为 单件、小批量，据统计，单件和不多于 10 件的订单约占订单总数的 80，其余 订单批量也不超过 100 件。虽然公司产品已成系列，但很多情况仍需根据用户要 求单独进行设计和制造，或在现有产品基础上进行局部变更，如输入轴、输出轴 轴端形式和尺寸变更，壳体尺寸或安装方式变更等。 单件小批的生产特点决定了零件加工工艺规程较简单，一般只给出零件加工 的粗略过程，如表 2-2 所示为端盖零件的现行的加工工艺规程。 由表 2-2 可以看出，目前执行的工艺规程很粗糙，基本上只给出了一个加工 顺序和使用的机床及夹具，没有具体的工序尺寸，也没有刀具、量具、工时定额 等信息，且工件在机床上的定位主要采用划线找正的方法，很少使用专用夹具， 加工质量的只能靠操作工人的技术水平和工作态度来保证。而近年来，由于生产 规模的不断扩展，年轻工人所占比例越来越大，他们由于缺乏经验和熟练的操作 技能，致使零件加工质量难以持久保持，经常出现较大波动，不合格品率和次品 率居高不下。不仅严重影响生产效率，也增加了制造成本。 针对 H 公司的生产现状， 有必要制定详细的工艺规程， 并规范各种加工操作， 同时大量增加夹具的使用，以弥补操作技能的欠缺和提高生产效率。而在单件小 第二章 谐波减速器介绍及 H 公司生产概况 15 批生产的条件下，要做到这一点，唯一可行的方法是采用成组技术。 表 2-2 端盖零件加工工艺规程 H 公司 机械加工工艺规程卡片 零件名称 零件图号 端盖 XB1-80-05 材 料 名称 灰铁 毛 坯 种类 铸件 每料件数 1 每批件数 共 1 页 牌号 HT200 重量 每台件数 1 单件时间 第 1 页 工 序 号 工序名称及内容 设备名称 及编号 工艺装备名称及编号 时间 定额 夹具 刀具 量具 1 铸造 2 退火 3 划线 4 夹四方，按划线找正：车平大端面； 车内凹面，成；车 115 孔， 35 孔， 留 2mm 余量；倒角 C6132 四爪卡盘 5 夹 115 孔：车 66 外圆，成；车 56 孔，留 2mm 余量 C6132 三爪卡盘 6 时效 7 夹 66 外圆：车大端面，成；车 115 孔， 35 孔，成 NC 车床 三爪卡盘 8 夹 115 孔：车 56 孔，成 NC 车床 三爪卡盘 9 划线 10 按划线：钻孔，锪孔，攻丝，成 台钻 11 检验 设计 校对 审核 批准 2.3 本章小结本章小结 本章介绍了谐波减速器的工作原理、结构特征，以及相比其他齿轮传动谐波 齿轮传动的优点，表明谐波传动具有很大的发展潜力。同时也指出谐波减速器的 制造工艺较复杂，是其生产和应用受到一定限制。结合 H 公司的生产现状，进一 步说明实施成组技术的必要性，为后续章节有关成组技术的应用研究做好铺垫。 第三章 谐波减速器零件成组编码系统设计 16 第三章第三章 谐波减速器零件成组编码系统设计谐波减速器零件成组编码系统设计 3.1 成组编码系统结构成组编码系统结构 如前所述，零件分类编码系统是用字符（数字、字母或符号）对零件有关特 征进行描述和识别的一套特定的规则和依据。考察现有编码系统，分析其系统结 构，有助于谐波减速器零件成组编码系统的设计。 3.1.1 总体结构总体结构 现有成组编码系统总体结构主要有三种形式， 即整体式、 分段式和子系统式， 如图 3-1 所示。 图 3-1 成组编码系统总体结构 整体式系统将所有编码看作是一个整体，其特点是结构简单，使用方便。分 段式系统一般将零件编码分成主码和副码（又称辅助码）两个部分，一般情况下 仅使用主码部分，在某些特殊需要时附加副码，以表达某些特定的信息。与整体 式系统相比，分段式系统包含了更多的零件特征信息，使用也较为灵活。子系统 式结构则更加灵活，它将零件编码分成若干个相互独立的部分，使用时可以根据 不同需要，选择其中一个或几个子系统表达零件特征。 3.1.2 码位间结构码位间结构 码位之间的结构也有三种形式： 树状结构、 链式结构和混合式结构， 如图 3-2 所示。 树状结构（图 3-2a）各码位之间形成树状关系，即后一码位的含义取决于前 一码位内容。树状结构的特点是信息容量大，但使用不便，特别是在人工处理的 情况下。树状结构系统的信息量为： 零件代码 整体式 主码 副码 分段式 S1 S2 Sn 子系统式 第三章 谐波减速器零件成组编码系统设计 17 S 1 S n i i MR （3-1） 式中：RS树状结构系统信息容量； nS树状结构码位数； M码位内项数。 （a）树状结构 （b）链式结构 （c）混合结构 图 3-2 成组编码系统码位之间结构形式 链式结构（图 3-2b）各码位相互独立，各码位的含义之间不存在依附关系。 链式结构的特点使用方便，其不足是信息容量较小。链式结构系统的信息量为： LL nMR （3-2） 式中：RL链式结构系统信息容量； nL链式结构码位数； M码位内项数。 混合结构（图 3-2c）系统中部分码位为树状结构，部分码位为链式结构，它 兼顾了树状结构和链式结构两种形式的特点，在实际成组编码系统中应用较多。 链式结构系统的信息量为： L 1 M S nMMR n i i （3-3） 式中：RM混合结构系统信息容量； nS树状结构码位数； nL链式结构码位数； M码位内项数。 1 2 nS 1 nS 2 1 2 nL 1 2 nL 1 2 nL 1 2 nS 1 nS 2 1 2 nL 1 2 nL 第三章 谐波减速器零件成组编码系统设计 18 3.1.3 码位内信息排列方式码位内信息排列方式 目前广泛使用的成组编码系统大都采用阿拉伯数字编码，即每个码位内有 09 十项，其信息排列的一般规律是： 1）对于数字和数量信息，由小到大排列； 2）对于结构和形状信息，由简单到复杂排列； 3）对于加工和处理信息，由容易到困难排列； 4）对于出现频率信息，由常见到少见排列。 码位内信息排列的方式主要有两种：全组合排列和选择排列。 全组合排列将所有要素可能出现的组合均排列出来，其特点是各项含义确切， 无二义性或多义性；缺点是在有限的项数内能够涵盖的信息量较小。例如采用十 进制编码，一个码位内最多只能有 3 个特征要素全组合（C30+ C31+ C32+ C33=8） ， 即使采用十六进制编码， 一个码位内最多也只能有 4 个特征要素全组合 （C40+ C41+ C42+ C43+ C44=16） 。 选择排列则不受特征要素多少的限制，它不要求将特征要素全部组合列出， 一般只列出常见的一些组合形式，对于罕见或少见的组合形式，可以省略，或列 入码位的最后一项。 选择排列虽然可以涵盖较多的特征信息，但也带来了编码多义性的弊端。为 了减小多义性在编码过程中带来的不确定性， 人们制定一些附加的规定。 例如 “后 项包括前项”的规定，是指零件的某一特征可同时划入某一码位中的两个或两个 以上项内时，则按后一项进行编码。尽管如此，采用选择排列方式无法从根本上 杜绝多义性（即编码不确定性）的发生。 3.1.4 Opitz 编码系统结构编码系统结构 目前世界上使用的编码系统不胜枚举，较著名的有德国 Opitz 系统、荷兰的 Miclass 系统、瑞士的 Selzer 系统、日本的 KK 系统、我国的 JLBM-1 系统等1。 其中 Opitz 系统最早提出， 影响也最大， 其他系统或多或少都借鉴了 Opitz 系统的 基础框架和结构方法。 Opitz 系统具有如下优点： 1）结构简单，使用方便； 2）对零件形状（特别是回转类零件）描述较完善； 3）适用范围较广，不仅适用于零件制造工艺，也适用于产品设计和生产管 理等部门。 Opitz 系统也存在一定缺陷，主要体现在两个方面： 第三章 谐波减