臺灣博碩士論文加值系統

工業4.0的趨勢中，智慧型工廠的發展日新月異，各種技術不斷涌現，而機械手臂作為智慧生產的關鍵元件之一，引起了廣泛的關注。研究人員致力於提升機械手臂的效能，並透過各種方法不斷改良應用在機械手臂上的減速機構。由於最常被使用在機械手臂上的諧波齒輪減速機構價格昂貴，本研究提出了針對諧波齒輪之中最容易損壞的柔輪來進行分析並設計，利用柔輪模型設計的修改，使柔輪運轉時能夠降低應力集中，讓柔輪的磨損能達到最低，有效地增加其使用壽命。並且分別在使用FDM及光固化3D列印的製程方式之中，找出最適合列印柔輪的材料以及列印參數。使用高分子3D列印的技術來有效的代替諧波齒輪的低階應用，不僅能達到降低成本同時也更容易量產。
在本研究的過程中，使用Ansys有限元素分析來模擬分析柔輪的運轉方式，並將實際比較並驗證柔輪模型設計的修改是否能使柔輪運轉時能有效地降低等效應力。後續也設計一機構且提升整體機構之剛性，使諧波減速機在運轉時能保持同心度；為了使減速機兼具耐用性，本文也嘗試使用如PLA、ABS、SBC或是強度較高的黑曜石、尼龍樹脂等各種高分子材料來製作柔輪，並且在最終運轉測試結果中得到目前市面上常見且容易取得的高分子材料:PLA-ST、SBC及尼龍樹脂打樣的柔輪能使用直流馬達在1000rpm空載的狀況下驅動一小時，能保持順暢運轉。

In the trend of Industry 4.0, the development of smart factories is advancing rapidly, with various technologies continuously emerging. Among the key components of smart manufacturing, robotic arms have garnered widespread attention. Researchers are dedicated to enhancing the efficiency of robotic arms and continuously improving the gear mechanisms applied to them. Due to the high cost associated with harmonic drives, which are widely used in robotic arms, this study proposes an analysis and design focusing on the flexible spline, a component prone to damage within the harmonic drive. By modifying the design parameters of the flexible spline, efforts are made to reduce contact stress during engagement, minimizing wear and tear and effectively extending its operational lifespan. Furthermore, this study explores the most suitable materials and printing parameters for 3D printing the flexible spline, comparing the FDM and SLA processes. Polymer 3D printing technology proves to be an effective alternative for low-level applications of harmonic drives, not only achieving cost reduction but also facilitating mass production.
Throughout this study, Ansys Finite Element Analysis (FEA) was employed to simulate and analyze the operational behavior of the flexible spline. Practical comparisons and validations were conducted to assess whether modifications in the design parameters of the flexible spline could effectively reduce equivalent stresses during engagement with the circular spline. Subsequently, this study proposed a mechanism to enhance the overall rigidity of the harmonic drive, ensuring concentricity during operation. In pursuit of durability, various polymer materials such as PLA, ABS, SBC, or stronger materials like obsidian and nylon resin were explored for the fabrication of the flexible spline. Through operational tests, commonly available polymer materials—PLA-ST, SBC, and Nylon Resin—were identified as suitable for creating flex splines that could be continuously driven by a DC brush motor at 1000rpm conditions, maintaining smooth operation over an hour.

目錄
摘要 IV
ABSTRACT V
目錄 VI
致謝 VIII
表目錄 IX
圖目錄 X
一、 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 論文架構 3
二、 文獻探討 4
2.1 文獻回顧 4
2.2 諧波減速機構介紹 5
2.3 文獻小結 8
三、 諧波齒輪設計 8
3.1 參數介紹 9
3.2 柔輪參數設計 10
3.3 柔輪結構強度分析 19
3.3.1 基本模型相關設定 19
3.3.2 匯入模型 20
3.3.3 網格製作 21
3.3.4 邊界條件設定(1) 24
3.3.5 分析結果(1) 28
3.3.6 邊界條件設定(2) 30
3.3.7 分析結果(2) 32
3.4 諧波減速機構設計參數調整 33
3.4.1 直徑調整 33
3.4.2 齒數調整 34
四、 諧波齒輪模型製作與測試 36
4.1 諧波齒輪模型設計 36
4.1.1 柔輪模型設計 36
4.1.2 剛輪模型設計 39
4.1.3 波產生器模型設計 41
4.1.4 馬達座模型 43
4.1.5 剛輪架模型設計 46
4.1.6 輸入聯軸模型設計 47
4.1.7 輸出盤模型設計 47
4.1.8 模型組合圖 49
4.2 諧波齒輪模型列印V1 49
4.2.1 柔輪之FDM列印 51
4.2.2 柔輪之光固化列印 59
4.2.3 其他零組件列印 65
4.2.4 列印件成品組合及測試 66
4.3 諧波齒輪模型列印V2 70
4.3.1 新增一偏心校正後座 70
4.3.2 柔輪特徵修改 71
4.3.3 成品組合及測試 72
4.4 柔輪材料更換與測試 76
4.4.1 彩家科技SBC 76
4.4.2 eSUN易生PLA-ST 77
4.4.3 材料更換後組裝測試 79
4.5 諧波齒輪模型列印V3 81
4.5.1 柔輪設計變更 82
4.5.2 輸出盤 86
4.5.3 整機外殼 88
4.5.4 波產生器 91
4.5.5 波產生器校正蓋 93
4.5.6 壓克力蓋 94
4.5.7 整體組合圖 97
4.5.8 試轉測試 97
4.5.9 尼龍樹脂運轉測試 99
4.5.10 運轉測試結果 101
五、 結論與未來建議 102
5.1 結論 102
5.2 未來建議 102
參考文獻 104

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19.諧波減速機之設計與分析。碩士論文 ，國立虎尾科技大學，沈哲宇，2021
20.諧波齒輪傳動系統之結構分析。碩士論文 ，逢甲大學，彭啟綱，2015