0 引言
SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，选择顺应性装配机器手臂），是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人。SCARA 机器人有 3 个旋转关节，其轴线相互平行，可在平面内进行定位和定向。还有一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。这类机器人的结构轻便、响应快，比一般关节式机器人快数倍。它最适用于平面定位和垂直方向进行装配的作业。
SCARA 系统在 x、y 方向上具有顺从性，在 Z 轴方向具有良好的刚度，因此特别适合装配工作。SCARA 的另一个特点是其串接的两杆结构类似人的手臂，可以伸进有限空间中作业然后收回，适合搬动和取放物件，如集成电路板、药品、食品等。
谐波减速机轴承作为一种精密类减速机里面配套的轴承，因其小体积、大速比、大扭矩被广泛应用于 SCARA 机器人。本文就一种典型的 SCARA 机器人的机械结构在设计、制造、装配过程中所采取的措施进行探讨，展示谐波减速机的安装与使用。
1 谐波减速机
1.1 谐波减速机的传动原理
谐 波 传 动（Harmonic Drive） 由 美 国 发 明 家 C.WaltMusser 马瑟于上世纪 50 年代中期发明创造，具有其他传动所不具备的特点。谐波传动应用金属弹性力学的独创动作原理和 3 个基本部件（波发生器、柔轮、刚轮）构成精密控制用减速机。
谐波传动做为减速器使用，通常采用波发生器主动，刚轮固定、柔轮输出的形式。
当波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，其长轴处柔轮轮齿插入刚轮的齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态。从啮合到脱开的过程则处于啮出或者啮入状态。
当波发生器连续转动时，迫使柔轮不断发生变形，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。
1.2 谐波减速机特点
1）精度高。
多齿在两个 180°对称位置同时啮合，因此齿轮齿距误差和累计齿距误差对旋转精度的影响较为平均，可得到极高的位置精度和旋转精度。
2）传动比大。
单级谐波齿轮传动的传动比可达 30-500，且结构简单，三个在同轴上的基本零部件就可实现高减速比。
3）承载能力强。
在谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。
4）体积小、重量轻。
相比普通的齿轮装置，该齿轮结构体积和重量可以大幅降低，实现小型化、轻量化。
5）传动效率高、寿命长。
6）传动平稳、无冲击、噪声小。
谐波跳出了传统以 Willis 定理为基础的渐开线齿轮设计，应用全新的齿形设计理论，设计出非共轭的谐波啮合齿形，可以在大幅提高谐波减速机使用寿命的前提下，提高其输出效率和扭矩承受能力。
与国外同类产品齿形比较，全新的谐波啮合齿形“P型齿”克服了以往谐波啮合齿形的缺点，通过一系列创新性的改进措施，能极大提高柔轮的使用寿命。
“P 型齿”优点包括：
1）齿高较低，不需要很深的啮合距离就可以获得较大的啮合量，可承受较大的扭矩；
2）齿宽较大，齿根弧度亦大，可减少发生断裂失效的风险；
3）所需柔轮变形量较小，可使柔轮的寿命得到很大提高；
4）20%-30% 的齿参与啮合，齿面比压较小。
机的优势包括：
1）承载扭矩大幅提升，是国内同类产品的 2 倍以上，极限载荷优于国外知名品牌；
2）体积小，重量轻，体积是国内同类产品的 1/2 以下；
3）高效率、低背隙、可实现零误差精确传动；
4）超长工作寿命，极限载荷寿命是国外知名品牌的4 倍以上；
5）可以获得超稳定的低频输出特性，对于有精密点位控制要求和稳定性的焊接机器人具有重要意义。
2 一种典型的 SCARA 机器人机械结构一种典型的 SCARA 机器人机械结构如图 3 所示。
1) 波发生器轴向定位严密。
如图 4 所示，波发生器必须要完全定位：以电机轴头为轴向定位基准。以波发生器端面距离柔轮端面为定位尺寸（见图 5）。
2）谐波减速机应注意避免干涉，如图 6 所示
② 注意安装螺钉长度，防止因螺钉过长干涉柔轮。
3）谐波减速机本体上的螺钉不能拆卸。
4）注意谐波减速机润滑与密封。
图 7 所示的谐波减速机是一款开式减速机，减速机内部需要考虑形成一个“密封的腔体”，防止漏油。故此，需要在相应的配合零件位置使用 O 型密封圈或者涂抹平面密封剂。电机必须有轴封密封，防止润滑油泄露进电机内部。
① 与减速机连接固定的安装平面形位公差为：平面度 0.01mm、垂直度 0.01mm，螺纹孔或者通孔位置度 0.1mm。
② 尽量减少需相配合零件的数量，防止尺寸链过长产生的累计误差。
6）确认减速机齿面及柔性轴承部分始终保持充分润滑。不建议齿面始终朝上使用，会影响润滑效果。如果出现齿面始终朝上的情况，腔体内的油位必须超过啮合齿面，保证齿部和柔性轴承的有效润滑。
7）过渡法兰止口公差配合。
减速机共有 3 处公差配合，如图 8 中①②③所示。为了防止“过定位”，需要将过渡法兰止口公差放大。
谐波减速机对回转轴线的倾斜非常敏感，故加工时必须考虑合适的工艺方案，尤其要保证相应的形位公差。
2.3 装配工艺要求
2.3.1 装配环境要求
谐波减速机必须在足够清洁的环境下安装，安装过程中不能有任何异物进入减速机内部，以免使用过程中造成减速机的损坏。
2.3.2 装配工具
包括相应规格的扭矩扳手、定量加油器具、无尘纸、螺纹胶等。
2.3.3 装配要点
在柔性轴承、柔轮内壁上均匀涂抹谐波专业润滑脂，再进行安装。将 电 机 以 100r/min 的速度开动，以十字交叉的方式锁紧电机过渡法兰，以 4-5 次均等递增加力至螺钉对应锁紧。（螺钉对应锁紧力见表 1）
谐波减速机做为一种开式减速机，其应用涉及到产品的设计、制造、装配的全过程。它不仅对设计者、生产制造者，也对装配者提出了诸多要求。任何一个环节如未能得到有效控制，都将影响谐波减速机的应用。
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