Harmonic Drive 諧波減速機 / HD 諧和式減速機 原理介紹

Harmonic Drive 諧波減速機:應用金屬彈性力學的諧波減速機|原理介紹

Harmonic Drive 諧波減速機,(諧和式減速機)(常見縮寫:HD 減速機、HDS 減速機)是由日本 ハーモニック・ドライブ・システムズ 所研發,其最大特徵,在於僅由 3 項基本零件:波產生器(Wave Generator)、彈性齒杯(Flex Spline)、剛性齒輪(Circular Spline)所構成,此為其它諧波減速齒輪傳動機構所沒有的優秀特徵(詳見下方原理介紹及優點),且由於齒槽的嚙合數量高,因此能夠產生更強的轉矩並進行非常準確的定位(詳見下方動作原理及嚙合動作)。此外,除了透過 HD 獨自研究的齒形理論所研發出之 IH 齒形,可降低齒根的彎曲應力及因齒面負重而產生的齒根應力,還加上了至今所累積的所有高精度加工技術,才造就了如此高強度及高性能的諧波減速機。

(註:雖結構形狀依型號不同有時也會增加基本零件量,但其動作原理皆是相同的

A simple three-element construction combined with the unique operating principle puts extremely high reduction ratio capabilities into a very compact and lightweight package. The high-performance attributes of this gearing technology including, zero-backlash, high-torque-to-weight ratio, compact size, and excellent positional accuracy, are a direct result of the unique operating principles.

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波產生器(Wave Generator):

本零件是將薄型滾珠軸承組合進橢圓狀凸輪外圈內的零件。軸承的內輪雖固定在凸輪上,但外輪可透過滾珠產生彈性變形。一般會安裝在輸入軸上。
The Wave Generator is a thin raced ball bearing fitted onto an elliptical hub serving as a high efficiency torque converter and generally mounted onto the input shaft.

彈性齒杯(Flex Spline):

本零件為薄型杯狀的彈性金屬零件,在開口部的外圈刻有齒槽。彈性齒杯的底部(杯狀底部)稱之為隔板,一般會安裝在輸出軸上。
The Flexspline is a non-rigid, thin cylindrical cup with external teeth on a slightly smaller pitch diameter than the Circular Spline. It fits over and is held in an elliptical shape by the Wave Generator.

剛性齒輪(Circular Spline):

本零件為剛性環狀零件。在內圈刻有齒槽,齒輪數較彈性齒杯多2個。一般會固定在護殼上。
The Circular Spline is a rigid ring with internal teeth, engaging the teeth of the Flexspline across the major axis of the Wave Generator. The Circular Spline has two more teeth than the Flexspline and is generally mounted onto the housing.

HD 諧波減速機動作原理介紹

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彈性齒杯會受波產生器拉寬為橢圓狀。因此在長軸部位上,彈性齒杯的齒槽會和剛性齒輪互相嚙合;但在短軸部位上,齒槽則是呈完全分離的狀態。

The Flexspline is slightly smaller in diameter than the Circular Spline and usually has two fewer teeth than the Circular Spline. The elliptical shape of the Wave Generator causes the teeth of the Flexspline to engage the Circular Spline at two opposite regions across the major axis of the ellipse.

諧波減速機, 諧和式減速機, HD 減速機, 動作原理, 90 度

將剛性齒輪固定,並使波產生器朝順時針方向旋轉後,彈性齒杯會產生彈性變形,並逐漸移動至能夠和剛性齒輪的齒槽嚙合的位置。

As the Wave Generator rotates the teeth of the Flexspline engage with the Circular Spline at the major axis.

諧波減速機, 諧和式減速機, HD 減速機, 動作原理, 180 度

當波產生器朝順時針方向移動180度後,彈性齒杯會朝逆時針方向移動1片齒槽的距離。

For every 180 degrees clockwise movement of the Wave Generator, the Flexspline rotates counterclockwise by one tooth in relation to the Circular Spline.

諧波減速機, 諧和式減速機, HD 減速機, 動作原理, 360 度

當波產生器旋轉1圈(360度)後,由於彈性齒杯的齒槽數量比剛性齒輪還少2片,因此會朝逆時針方向移動2片齒槽的距離。在一般狀態下,會將此動作作為輸出進行利用。

Each complete clockwise rotation of the Wave Generator results in the Flexspline moving counterclockwise by two teeth from its original position, relative to the Circular Spline. Normally, this motion is taken out as output.

您也可以至日本官方網站以影片方式瞭解 HD減速機 動作原理。

諧波減速機齒輪動作及嚙合

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HDS 減速機 與一般齒輪轉動方式不同,其獨特的齒輪動作 (動作原理),具有無背隙,微小角度傳送(單脈衝傳送)、定位精確等優點。由於是180度對稱的兩處,且全齒數30%以上的齒輪同時咬合,可以傳達高轉矩。

諧波減速機優點

  • 高速比

不須使用極為複雜的機構,一段減速即可達成(1/30)~(1/320)的高速減速比裝置。

  • 背隙小

HD 諧波減速機,與一般齒輪的嚙合方式相異,其背隙(Backlash)值極小,為制御機構的精度控制上所不可欠缺之特長。

  • 高精度

同時嚙合之齒數多,且於 180° 對稱之兩處亦同時嚙合,影響迴轉精度的齒節距誤差及累積節距誤差,由於平均化之故,對於位置精度及迴轉精度可達成極高之要求。

  • 基本組件少,組合簡單

即使在高減速比時,仍由3項基本組件所構成,而且在同一軸上之故,元件型(Component)製品的裝配很簡單,結構設計可單純簡化。

  • 小型、重量輕

相同的扭力及速度比條件下,比以往的齒輪減速裝置,只須(1/3)之體積,(1/2)以下的重量。裝置可小型、輕量化。

  • 扭力大

彈性齒杯(Flex Spline)係由疲勞性強度極高的特殊鋼所製成,其傳動方式,與一般的動力傳達方式相異,在同一時間內嚙合齒數約為總齒數的30%。但由於齒的全面接觸之故,每一齒的受力極小,因此出力扭力也大。

  • 優越的效率

因為齒的嚙合部份滑動極少,因此摩擦所產生之動力損失極小,即使於高減速比時,亦維持其高效率之功率,驅動馬達也可小型化。

  • 運轉安靜

齒與齒的嚙合週速極低,力量平衡均勻,故運轉安靜、震動極小。

若需要更詳細之技術資料介紹,請參閱HD型錄「精密控制用綜合型錄」中的「技術資料」章節。

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Harmonic Drive 諧波減速機發明者: C. Walton Musser

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原創者 C. Walton Musser 以其嶄新的創意為基礎,發明出來擁有獨特機構的HD減速機。

至今為止,齒輪機構除了要求『更快、更精密』的同時,也要求更高的剛性,於此 C. Walton Musser 的諧波理論應用了金屬的撓性及彈性力學,顛覆傳統的動力傳達方式,引起全世界的注目。

※ C. Walton Musser 為一天才發明家,除專精機械工程,更在物理、化學、生物等各方面,取得 1500 種以上的專利。

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