一，概述。

　　在各种仪器和设备中齿轮的应用是非常广泛的，在光学系统中，各种摆镜，透镜的运动一般都采用齿轮传动方式，由于光学仪器或设备本身的外形轮廓小，内部空间一般都比较紧张，因此，要求齿轮具有较大的传动比和较少的齿数，采用小模数以减少结构尺寸。材料一般根据具体要求选择钢，铜，铝或尼龙，通常情况下，光学仪器中的传动速度都不会很高，因此，除个别情况外，一般不进行强度计算。

　　在某型红外目标模拟器的设计开发过程中，针对不同情况下的要求，采用了不同形式的齿轮传动结构形式，本文就光学系统中的齿轮传动结构设计问题进行研究。

　　二，目标模拟器工作原理。

　　某型红外目标模拟器是生产装调过程中对产品进行综合测试和调整的主要设备。它提供在几种特定技术状态下的主目标和两个相互独立的干扰目标。干扰目标的能量，运动方向，运动速度以及出现的时间，可以在技术要求的范围内进行设定。该设备所用光学器件少，光路短，空间尺寸小，控制精度高，使用方便。

　　目标模拟器采用带有黑体的平行光管目标模拟器，带两个干扰目标的目标模拟器共用三个平行光管，即一个主目标模拟，两个干扰目标模拟。整个目标模拟器安装在电动转台上。

　　三，渐开线齿轮传动。

　　目标模拟器的主目标和干扰目标的运动由光学摆镜的摆动来实现，传动比较大。一般情况下齿轮传动比分配的原则是：尽量采用较大的传动比，以减少齿轮的级数及零件的数量；单级传动比太大，会使齿轮的外形轮廓尺寸增加，因此，为结构紧凑，应将过大的传动比适当分级；在减速传动中，使最后一级的减速比最大。这样使前几级的传动误差经过最后的较大的减速后，减小很多，有利于提高总传动精度。

　　在光学仪器中一般只使用渐开线齿形的齿轮，其优点是：便于制造；齿轮中心距改变时，渐开线啮合的传动比保持不变，便于装配调整；只要齿形角和模数相同，任何齿数的齿轮都可以啮合，互换性好。

　　齿轮的材料选用锡青铜，重量轻，强度大，经热处理后齿尖硬度大，耐磨性好。

　　在装配调试中发现，齿轮传动始终存在间隙，这是因为齿轮的精度再高，受齿轮轴，轴固定孔加工尺寸误差和装配误差的影响，齿轮间隙不可能完全消除。这就要求在设计时就要考虑到怎样消除齿轮间隙的问题。

　　消除齿轮间隙有以下几个措施：减小中心距；在齿轮上加弹簧，利用弹簧力消除齿轮间隙，主要适用于直齿；在结构空间许可的情况下，加一级过渡齿轮；由于增加了零件数量，使结构复杂，对高速传动不利；使用固定双片分裂齿轮；适用于高转速，大载荷的情况。

　　消除齿轮间隙，只是如何提高齿轮传动链传动精度的一种方法，在进行结构设计时，就应综合考虑，怎样能最大限度的降低各种误差的影响，以下是目标模拟器齿轮传动结构设计时的一些经验：应尽可能选用圆柱直齿齿轮。在各种形式的传动中，其经济加工精度不同。圆柱直齿齿轮的经济加工精度最高，斜齿次之，以下依次是蜗杆蜗轮，圆锥齿轮和螺旋齿轮。同样精度等级的各种传动其各项精度的偏差值是一样的；传动比一定，在满足结构尺寸条件下，取齿轮分度圆直径大一些，其角精度高，模数和齿数可综合考虑，以加大分度圆直径。模数在0.5mm或0.5mm以下的小模数齿轮，其运动精度高于模数大于0.5mm的齿轮；直径小的齿轮，精度等级的降低或增高，其运动精度的角度值降低或增高比直径大的齿轮明显。因此，对于直径较小的齿轮，应严格控制其尺寸误差，以降低或增高精度等级；齿轮的宽度应小一些，以减少齿向误差。但是齿宽不能太窄以免加工中变形；齿轮与轴的连接尽可能消除间隙与偏心，或齿轮与轴做成整体。

　　此外，新型的齿轮传动方式的应用，也可以大幅提高传动精度，谐波齿轮传动就是一种。

　　四，谐波齿轮传动。

　　谐波齿轮传动是一种依靠弹性变形运动来实现传动的新型传动，它突破了机械传动采用刚性构件机构的模式，而是使用了一个柔性构件机构来实现机械传动。

　　其特点：传动比大，单级传动比为60～3000，最大可以到30000；侧隙小，由于其啮合原理不同于一般齿轮传动，侧隙很小，甚至可实现无侧隙传动；精度高，同时啮合齿数可达到总齿数的20%，在相隔180°的两个对称方向上同时啮合，因此误差被平均化，从而达到高运动精度；体积小，重量轻，与一般减速器比较，输出力矩相同，通常其体积可减小2/3，重量可减小1/2；运转平稳，效率高，承载能力大，而且可以在密闭空间传递运动。

　　构成谐波齿轮传动的三个主要部件是：刚轮，柔轮和波发生器。谐波齿轮传动原理如下。

　　当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入，完全啮合，啮出，完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比由此可见，谐波齿轮传动有普通齿轮传动所无比的优点，对于设计人员来说，只需根据结构的传动要求和技术指标，可直接向生产谐波齿轮的厂家购买，既可以买成件的减速器，也可以只买三大部件，根据自己需要组装。

　　谐波齿轮传动设计中应注意的问题：采用对称原则，保证零件承载均匀，系统平衡和传动装置零件的结构工艺性。避免外界的周期作用力与零件的固有振荡频率相同，从而产生大幅度的振动；当整个传动系统的输出转矩确定以后，应尽可能增加整个系统的传动比。这就要求柔轮齿数增加，若节圆直径不变，柔轮的模数将减小（由于谐波齿轮传动多齿啮合的特点，其轮齿的承载能力相当富裕），从而减少了柔轮的变形量，改善了柔轮的疲劳性能；当采用多级传动，谐波减速器为前级传动时，整个传动系统的尺寸较大，但谐波减速器所承受的负载减小。放在后级时，整个传动系统的尺寸较小。设计时，只要谐波减速器的承载能力允许，应尽量作为后级传动；一般来说，单级谐波减速器原则上都能实现增速。增速的难易程度与柔轮的壁厚，波发生器的结构形式及其具体参数均有关系。系统经跑合后，由于效率的提高，就更容易达到增速效果。

　　五，结论。

　　光学系统中的齿轮传动结构设计是一项非常复杂的工作，必须综合考虑各个方面的因素和影响。，传动结构设计中还应该考虑电机的选用，固定及位置的微调，在安装调试过程中还要对电机的技术参数进行调节，以使系统的低速平稳性，高速可靠性及重复定位精度达到最佳。装配的过程也是一个重要的因素，尤其是谐波齿轮的装配，对系统的传动性能和精度影响都很大。