一种波发生器凸轮的设计方法、装置、谐波减速器及设备

1.本发明涉及谐波减速器技术领域，具体涉及一种波发生器凸轮的设计方法、装置、谐波减速器及电子设备。


背景技术：

2.在谐波传动中，波发生器插入柔轮后，使柔轮产生周期性可控的弹性变形，实现刚轮内齿与柔轮外齿的啮合，从而传递动力和运动，柔轮的变形和啮合质量在很大程度上取决于波形发生器的外形。波发生器是使柔轮变形产生变形波的构件，是谐波减速器传动的重要元件之一，波发生器的型式不仅决定了谐波齿轮传动原始曲线的形状，而且对传动的啮合性能和柔轮强度也有重要影响。
3.目前市场上多数的谐波减速器，使用的是标准椭圆凸轮式波发生器，这种谐波减速器因为其结构简单、易于加工而得到了广泛应用。但是，这种波发生器在谐波工作时由于曲线曲率变化情况不适合谐波运动轨迹，谐波齿面会出现严重的磨损而直接导致铁粉含量过高，对谐波寿命起到直接影响；对于波发生器轮廓组合曲线，大量学者证明了将圆与椭圆组合曲线凸轮波发生器的优越性能，而其他圆锥曲线组合的研究却少有，并且在凸轮长轴部分柔轮所受应力较大且会出现应力集中的情况，同时啮合齿对数较少，造成谐波减速器寿命、承载能力与传动精度达不到工业发展对减速机的要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种波发生器凸轮的设计方法、装置、电子设备及存储介质，解决现有技术中波发生器凸轮为标准椭圆式结构，标准椭圆式凸轮结构不适合谐波运动轨迹而导致谐波减速器出现应力集中，致使减速器寿命低的技术问题。
5.为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
6.第一方面，本发明提供了一种波发生器凸轮的设计方法，包括：
7.获取凸轮的长半轴及短半轴，并以长半轴和短半轴的方向为y方向和x方向建立坐标系；
8.基于所述坐标系，根据凸轮外轮廓曲线变化规律，确定抛物线方程；
9.采用预设的分析软件对柔轮的应力状态进行分析，获取最大等效应力值，根据所述最大等效应力值，确定所述抛物线方程中各参数的取值范围；
10.采用预设的正交试验法，在所述各参数的取值范围内，确定所述抛物线方程各参数的目标值，确定波发生器凸轮轮廓曲线。
11.在一些实施例中，所述基于所述坐标系，根据凸轮外轮廓曲线变化规律，确定抛物线方程，包括：
12.确定抛物线方程的起点；
13.基于所述坐标系，确定绘制象限；
14.根据所述绘制象限，确定所述抛物线方程的开口方向及参数的正负性，初定四分之一轮廓曲线。
15.在一些实施例中，所述采用预设的分析软件对柔轮的应力状态进行分析，获取最大等效应力值，根据所述最大等效应力值，确定所述抛物线方程的参数的取值范围，包括：
16.基于预设的分析软件，建立柔轮与波发生器凸轮接触的分析模型；
17.对所述分析模型中的柔轮模型进行网格划分；
18.导入边界条件；
19.对所述分析模型进行分析和计算，获取柔轮的最大等效应力值，根据所述最大等效应力值确定所述分析模型中波发生器对柔轮的影响程度，确定所述参数的取值范围。
20.在一些实施例中，所述根据所述最大等效应力值确定所述分析模型中波发生器对柔轮的影响程度，确定所述参数的取值范围之前还包括：根据预设的约束条件，对所述凸轮外轮廓曲线进行平滑处理。
21.在一些实施例中，所述采用预设的正交试验法，基于所述参数的取值范围，获取所述参数的取值，确定波发生器凸轮轮廓曲线，包括：
22.确定待分析参数以及各个待分析参数的等差变化值；
23.将所述待分析参数按照所述等差变化值的变化规律绘制成正交试验表格，并进行实验分析，获取处理结果；
24.根据预设的spss方差法对所述处理结果进行分析，确定所述各个待分析参数对凸轮外轮廓曲线的影响程度；
25.根据所述影响程度，确定各个待分析参数的目标值。
26.在一些实施例中，所述待分析参数包括抛物线系数、抛物线长度缩减系数和连接弧半径。
27.在一些实施例中，所述确定各个待分析参数的目标值之后，还包括：
28.根据所述目标值，绘制四分之一凸轮外轮廓曲线；
29.采用预设的对称法，确定完整的凸轮外轮廓曲线。
30.第二方面，本发明还提供了一种波发生器凸轮的设计装置，包括：
31.坐标系建立模块，用于获取凸轮的长半轴及短半轴，并以长半轴和短半轴的方向为y方向和x方向建立坐标系；
32.抛物线方程确定模块，用于基于所述坐标系，根据凸轮外轮廓曲线变化规律，确定抛物线方程；
33.参数取值范围确定模块，用于采用预设的分析软件对柔轮的应力状态进行分析，获取最大等效应力值，根据所述最大等效应力值，确定所述抛物线方程的参数的取值范围；
34.凸轮外轮廓曲线确定模块，用于采用预设的正交试验法，基于所述参数的取值范围，获取所述参数的取值，确定波发生器凸轮轮廓曲线。
35.第三方面，本发明还提供了一种谐波减速器，包括：波发生器凸轮，所述波发生器凸轮由上述任意一项所述的波发生器凸轮的设计方法中的步骤设计而成。
36.第四方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；
37.所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
38.所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上所述的波发生器凸轮的设计方
法中的步骤。
39.与现有技术相比，本发明提供的波发生器凸轮的设计方法、装置、电子设备及存储介质，首先获取凸轮的长半轴及短半轴，并以长半轴和短半轴的方向为y方向和x方向建立坐标系；随后基于所述坐标系，根据凸轮外轮廓曲线变化规律，确定抛物线方程；随后采用预设的分析软件对柔轮的应力状态进行分析，获取最大等效应力值，根据所述最大等效应力值，确定所述抛物线方程中各参数的取值范围；最后采用预设的正交试验法，在所述各参数的取值范围内，确定所述抛物线方程各参数的目标值，确定波发生器凸轮轮廓曲线；本发明以标准椭圆的凸轮长半轴和短半轴为基准建立坐标系，本发明以标准椭圆的凸轮长半轴和短半轴为基准建立坐标系，并且在坐标系中根据凸轮外轮廓曲线的实际变化规律构建能够反映该规律的方程，随后采用有限元分析软件对凸轮的应力状态进行分析，根据应力分析的结果采用正交试验法确定抛物线方程的参数，从而获得能够避免凸轮与柔轮啮合时产生应力集中的非标准椭圆的凸轮外轮廓曲线运动轨迹，使得柔轮产生的最大等效应力、长轴处前后齿圈应力降低，应力分布更加均匀，承载能力更为优良，传动更加稳定，疲劳寿命也有所提高。
附图说明
40.图1是本发明提供的波发生器凸轮的设计方法的一实施例的流程图；
41.图2是本发明提供的波发生器凸轮的设计方法中，步骤s103一实施例的流程图；
42.图3是本发明提供的波发生器凸轮的设计方法中，步骤s104一实施例的流程图；
43.图4是本发明提供的波发生器凸轮的设计装置的一实施例的示意图；
44.图5是本发明提供的电子设备一实施例的运行环境示意图。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.本发明所涉及的波发生器凸轮的设计方法、装置、设备或者计算机可读存储介质可用于航空航天、工业机器人、通信设备、化工机械等领域的谐波减速器设计。本发明所涉及的方法、装置、设备或者计算机可读存储介质既可以与上述系统集成在一起，也可以是相对独立的。
47.本实施例提供了一种波发生器凸轮的设计方法，请参阅图1，波发生器凸轮的设计方法包括：
48.s101、获取凸轮的长半轴及短半轴，并以长半轴和短半轴的方向为y方向和x方向建立坐标系；
49.s102、基于所述坐标系，根据凸轮外轮廓曲线变化规律，确定抛物线方程；
50.s103、采用预设的分析软件对柔轮的应力状态进行分析，获取最大等效应力值，根据所述最大等效应力值，确定所述抛物线方程中各参数的取值范围；
51.s104、采用预设的正交试验法，在所述各参数的取值范围内，确定所述抛物线方程各参数的目标值，确定波发生器凸轮轮廓曲线。
52.在步骤s101中，忽略柔性轴承，假设波发生器直接与柔轮装配使之产生弹性变形，根据某一型号谐波减速器，确定其波发生器凸轮的标准椭圆长半轴和短半轴的参数值，并以此作为波发生器凸轮组合曲线长半轴和短半轴参数值，以长半轴方向作为轴，短半轴方向作为轴，建立组合曲线凸轮波发生器设计的坐标系。
53.在步骤s102中，抛物线方程为y＝a-a
p
x2，其中a
p
为抛物线系数，x为各点的横坐标，其中，为保证波发生器能够装配进柔轮，其短半轴长度要小于等于b，因此抛物线区域的x应该限制在-b
p
b和b
p
b之间，其中将b
p
称为抛物线长度缩减系数，其值必须小于或等于1.0。
54.在步骤s103中，预设的分析软件包括有限元分析软件、sas分析软件以及spss分析软件等，于本实施例中，采用的是有限元分析软件对柔轮的应力进行分析，通过大量的有限元分析，获取柔轮的应力状态，并通过最大等效应力值确定抛物线方程各参数的取值范围。
55.在步骤s104中，正交试验设计(orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表格，称为正交表。当对柔轮的应力状态进行分析时，设计要求的实验次数太多，需从析因设计的水平组合中，选择一部分有代表性水平组合进行试验。因此就出现了分式析因设计(fractional factorial designs)，利用正交实验法能够大大减少工作量。
56.在本实施例中，通过预估凸轮外轮廓曲线变化规律，从而确定抛物线方程，然后利用有限元软件对柔轮的应力状态进行分析，获取最大等效应力，通过最大等效应力确定抛物线方程中各个参数的取值范围，其中，所述待分析参数包括抛物线系数、抛物线长度缩减系数和连接弧半径，随后通过正交实验法确定各个参数的目标值，从而确定波发生器凸轮轮廓曲线，使得柔轮产生的最大等效应力、长轴处前后齿圈应力降低，应力分布更加均匀，承载能力更为优良，传动更加稳定，疲劳寿命也有所提高。
57.在一些实施例中，请参阅图2，所述基于所述坐标系，根据凸轮外轮廓曲线变化规律，确定抛物线方程，包括：
58.确定抛物线方程的起点；
59.基于所述坐标系，确定绘制象限；
60.根据所述绘制象限，确定所述抛物线方程的开口方向及参数的正负性，初定四分之一轮廓曲线。
61.在本实施例中，设定抛物线起点为(0,a)，根据凸轮外轮廓曲线的对称性，选定其中一个象限建立四分之抛物线方程，能够减小计算难度，提高计算效率，于本实施例中，选定第一象限绘制抛物线方程，则a
p
》0，称为抛物线系数，是一个自定义的参数，与抛物线得曲率成比例，x为各点的横坐标，抛物线区域的x应该限制在-b
p
b和b
p
b之间，其中将b
p
定义为抛物线长度缩减系数，其定义值必须小于或等于1.0；通过后续的分析确定抛物线系数等参数，从而确定抛物线方程，从而确定波发生器凸轮外轮廓曲线，使得柔轮产生的最大等效应力、长轴处前后齿圈应力降低，应力分布更加均匀，承载能力更为优良，传动更加稳定，疲劳寿命也有所提高。
62.在一些实施例中，请参阅图2，所述采用预设的分析软件对柔轮的应力状态进行分
析，获取最大等效应力值，根据所述最大等效应力值，确定所述抛物线方程的参数的取值范围，包括：
63.s201、基于预设的分析软件，建立柔轮与波发生器凸轮接触的分析模型；
64.s202、对所述分析模型中的柔轮模型进行网格划分；
65.s203、导入边界条件；
66.s204、对所述分析模型进行分析和计算，获取柔轮的最大等效应力值，根据所述最大等效应力值确定所述分析模型中波发生器对柔轮的影响程度，确定所述参数的取值范围。
67.在步骤s201中，采用调试好的有限元分析软件进行建模并对建好的柔轮与凸轮的模型进行多次分析，其中，若柔轮采用全齿模型，网格的划分比较复杂，得不到较好的网格质量，因此对柔轮齿壁厚度进行了简化和等效，简化后的等效齿圈厚度其中δ为柔轮内壁到齿根圆的厚度，同时将模型导入有限元分析软件，柔轮材料为设置为40crnimoa，具有高的强度、韧性和良好的淬透性等，波发生器材料选用机械制造行业最广泛应用的调质钢40cr。
68.在步骤s202中，对柔轮模型进行网格划分，具体的，设置网格单元尺寸为1mm，能够简化分析的流程，其中波发生器为刚体，不需要进行网格划分。
69.在步骤s203中，在有限元分析软件中设置柔轮内表面为接触面，波发生器的外环面为目标面；选用接触类型为摩擦接触，摩擦系数设置为0.12，接触计算的方法选用增强的拉格朗日法；经过反复尝试，当法向接触刚度系数选用0.01时，计算比较容易收敛，并且接触对之间的渗透量比较小。
70.在本实施例中，通过采用有限元分析软件对柔轮-波发生器凸轮模型的应力状态进行分析，获取最大等效应力，并且根据应力状态获取抛物线方程的各个参数的取值范围，具体的，针对抛物线系数，其值小于0.01时，所设计的波发生器凸轮曲线模型与柔轮装配时，出现明显的干涉现象，等效应力显著增加。其值大于0.02时，参数组合后，多数曲线之间不能满足平滑过渡条件，组合曲线凸轮波发生器无法成型。因此区间选定0.01～0.02。对于长度缩减系数，其值小于0.2或大于0.5时，均会出现应力显著增加和曲线之间不满足平滑过渡条件的现象，对于连接弧半径，其值对最大等效应力影响小，以平滑过渡为条件，选择合适的取值范围。
71.在一些实施例中，所述根据所述最大等效应力值确定所述分析模型中波发生器对柔轮的影响程度，确定所述参数的取值范围之前还包括：根据预设的约束条件，对所述凸轮外轮廓曲线进行平滑处理。
72.在本实施例中，通过采用设定的约束条件对抛物线方程进行限定，以使抛物线方程能够平滑连接，其中约束条件为：
[0073][0074]
rc＝x
b-x
oc
，
[0075][0076]
其中，抛物线与连接弧交点为c，坐标(xc,yc)。连接弧与侧弧交点为d，坐标为(xd,yd)，ra为抛物线上c点的曲率半径，oa为曲率圆圆心，坐标为(x
oa
,y
oa
)。rb为连接弧指定半径，ob为其圆心，坐标为(x
ob
,y
ob
)，rc为侧弧半径，oc为侧弧圆心，坐标为(x
oc
,y
oc
)。
[0077]
在一些实施例中，请参阅图3，所述采用预设的正交试验法，基于所述参数的取值范围，获取所述参数的取值，确定波发生器凸轮轮廓曲线，包括：
[0078]
s301、确定待分析参数以及各个待分析参数的等差变化值；
[0079]
s302、将所述待分析参数按照所述等差变化值的变化规律绘制成正交试验表格，并进行实验分析，获取处理结果；
[0080]
s303、根据预设的spss方差法对所述处理结果进行分析，确定所述各个待分析参数对凸轮外轮廓曲线的影响程度；
[0081]
s304、根据所述影响程度，确定各个待分析参数的目标值。
[0082]
在本实施例中，波发生器凸轮外轮廓曲线区域的几何形状主要由抛物线系数a
p
、抛物线长度缩减系数b
p
、连接弧半径rb三个参数决定，通过正交试验的方法探究的这三个参数对柔轮最大等效应力的影响，确定影响因素中抛物线系数对柔轮的最大等效应力具有显著的影响，并且三个因素的主次关系是：抛物线系数》抛物线长度缩减系数》连接弧半径，根据以上探究结果，结合参数的取值范围，选择合适的最优化参数组合，即可获取最佳的波发生器凸轮外轮廓。
[0083]
基于上述波发生器凸轮的设计方法，本发明实施例还相应的提供一种波发生器凸轮的设计装置400，请参阅图4，该波发生器凸轮的设计装置400包括坐标系建立模块410、抛物线方程确定模块420、参数取值范围确定模块430和凸轮外轮廓曲线确定模块440。
[0084]
坐标系建立模块410，用于获取凸轮的长半轴及短半轴，并以长半轴和短半轴的方向为y方向和x方向建立坐标系；
[0085]
抛物线方程确定模块420，用于基于所述坐标系，根据凸轮外轮廓曲线变化规律，确定抛物线方程；
[0086]
参数取值范围确定模块430，用于采用预设的分析软件对柔轮的应力状态进行分析，获取最大等效应力值，根据所述最大等效应力值，确定所述抛物线方程的参数的取值范围；
[0087]
凸轮外轮廓曲线确定模块440，用于采用预设的正交试验法，基于所述参数的取值范围，获取所述参数的取值，确定波发生器凸轮轮廓曲线。
[0088]
谐波减速器主要由波发生器、柔性齿轮、柔性轴承、刚性齿轮四个基本构件组成，谐波传动减速器，是一种靠波发生器装配上柔性轴承使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。具有传动精度高、平稳，且没有冲击和明显噪声等优点。
[0089]
如图5所示，基于上述波发生器凸轮的设计方法，本发明还相应提供了一种电子设备，该电子设备可以是移动终端、桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及服务器等计算设备。该电子设备包括处理器510、存储器520及显示器530。图5仅示出了电子设备的部分组件，但是
应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
[0090]
存储器520在一些实施例中可以是该电子设备的内部存储单元，例如电子设备的硬盘或内存。存储器520在另一些实施例中也可以是电子设备的外部存储设备，例如电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，存储器520还可以既包括电子设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器520用于存储安装于电子设备的应用软件及各类数据，例如安装电子设备的程序代码等。存储器520还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器520上存储有波发生器凸轮的设计程序540，该波发生器凸轮的设计程序540可被处理器510所执行，从而实现本技术各实施例的波发生器凸轮的设计方法。
[0091]
处理器510在一些实施例中可以是一中央处理器(central processing unit,cpu)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器520中存储的程序代码或处理数据，例如执行波发生器凸轮的设计方法等。
[0092]
显示器530在一些实施例中可以是led显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及oled(organic light-emitting diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器530用于显示在所述波发生器凸轮的设计设备的信息以及用于显示可视化的用户界面。电子设备的部件510-530通过系统总线相互通信。
[0093]
当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
[0094]
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。