CN100494733C - 固体润滑精密滤波驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种固体润滑精密滤波驱动装置，包括具有纳米表面工程固体润滑材料涂覆层的减速器组件、输出传动机构和伺服电机。本驱动装置将减速器组件、输出传动机构与伺服电机集成设计，从结构上确保其精密传动。输入双联齿轮(15)通过偏心凸轮(9)使其产生偏心转动，且与固定齿轮(13)和输出齿轮(17)啮合传动分别产生两个少齿差减速传动。在偏心凸轮(9)上设计有圆弧凹槽的滚珠运动滚道，并安装第二轴承(18)和第一轴承(10)。传动副啮合面涂覆有能减振、降噪、耐磨的固体润滑膜，可产生适度的弹性变形来消除机构卡涩。本驱动装置具有高精度、高可靠、长寿命、大转矩、低能耗、轻量化等优点，广泛适用于机器人、自动化、车辆、航空、航天等领域工程装备。

Description

固体润滑精密滤波驱动装置

技术领域

本发明属机械工程中的机电传动领域，特别是涉及一种固体润滑精密滤波驱动装置。

背景技术

长期以来，在机器人、自动化、车辆、航空、航天、电子工业、军事工业等机械设备中驱动电机和减速机构是分开设计，这样不可避免的需要考虑它们之间的联接设计，和轴系对中误差，并且传动机构出现磨损，机构运转容易存在卡涩。例如行星减速器、摆线针轮减速器和RV减速器结构复杂、不易实现大的传动比、当机构出现卡涩时，动态性能低劣和机械效率降低、附加动载荷大，特别是传递较大功率时，振动和噪声大。谐波传动的柔轮在长期的交变载荷下，容易疲劳磨损失效，出现机构卡涩，且工艺性差、制造加工要求高、维修不便。从而直接导致机械传动系统所造成的传动精度、综合性能与可靠性差，装备的使用寿命缩短等问题，及其机械设备所存在的较大摩擦、磨损、振动、噪声、无功能耗等问题。

发明内容

本发明的目的就是设计一种将具有纳米表面工程材料涂覆层的减速器组件、输出传动装置与伺服电机集成，具有高精度、高可靠、长寿命、低能耗、小体积、轻量化的固体润滑精密滤波驱动装置。

本发明所涉及的一种固体润滑精密滤波驱动装置，包括具有纳米表面工程材料涂覆层的减速器组件、输出传动装置和伺服电动机。减速器组件包括偏心凸轮、输入双联齿轮、固定齿轮、输出齿轮、第一轴承、第二轴承、滚柱、滚珠。输出装置包括空心的输出轴。伺服电动机包括空心的转轴。伺服电动机的转轴直接与减速器组件偏心凸轮右端相连。输出齿轮左端通过周向均匀分布的一组第一螺钉与输出轴相连。输入双联齿轮的右边齿轮与固定齿轮相啮合传动所存在的少齿差齿数和输入双联齿轮的左边齿轮与输出齿轮相啮合传动所存在的少齿差齿数相等。在偏心凸轮第一圆周外表面和输入双联齿轮的内孔都设计了圆弧滚道分别作为滚珠的内外滚道。固定齿轮的圆周内表面和输出齿轮的圆周外表面分别作为滚柱的内外滚道。在偏心凸轮第三圆周外表面和第二圆周外表面分别安装有第三轴承和第二轴承。偏心凸轮第一圆周外表面的轴心线、输入双联齿轮的分度圆轴心线在同一个轴心线O₁上，偏心凸轮的内孔轴心线O与轴心线O₁存在偏心量为e的偏心。在偏心凸轮内孔处分别设计了大内孔和小内孔。外壳的第一圆周内表面作为固定齿轮安装的定位面，固定齿轮通过圆周上一组第二螺钉与外壳联接。

输出齿轮和固定齿轮的分度圆轴心线，偏心凸轮的内孔、第三圆周外表面和第二圆周外表面轴心线，左端盖和右端盖的内孔轴心线，转轴轴心线和输出轴轴心线在同一个轴心线O上。固定齿轮圆周外表面的轴心线与轴心线O重合。左端盖和右端盖内分别安装有第四轴承和第五轴承，并且分别通过圆周上一组第三螺钉和第四螺钉与外壳相联接。在外壳的第二圆周内表面上安装有第三轴承。在外壳的左右端面的圆周上分别设计了一组第一螺纹孔和第二螺纹孔。

固体润滑精密滤波驱动装置，为了防止和消除机构运转过程中存在的卡涩问题、降低摩擦系数、延长使用寿命和提高机构的可靠性。采用纳米固体润滑技术，在输入双联齿轮、固定齿轮和输出齿轮的齿面涂覆0.1～30um的纳米固体润滑膜。该固体润滑膜是通过非平衡磁控溅射技术或离子注入技术沉积形成的薄膜，即是以MoS₂为基体，添加金或金-钯合金、Ti或TiN的薄膜。

本发明所涉及的一种固体润滑精密滤波驱动装置，将减速器组件、输出传动装置与伺服电机集成设计，从结构上确保其同心精度。输入双联齿轮通过偏心凸轮带动产生偏心转动，且与固定齿轮和输出齿轮啮合传动分别产生两个少齿差减速传动，实现了大减速比传动。在偏心凸轮上设计了的圆弧凹槽的滚珠运动滚道，防止滚珠轴向窜动，提高了运转精度。在偏心凸轮上安装了第二轴承和第一轴承，可以将其受到的反作用力卸载到外壳上，且保证了运转的同心度。传动副啮合面涂覆纳米固体润滑膜，使其摩擦系数极小，具有耐磨、可靠、减振、降噪等功效；当机构出现卡涩时，电机输出扭矩增大到一定的数值，纳米固体润滑膜产生超弹性模量效应，在啮合齿面形成适度的弹性变形，防止和消除机构卡涩。从而实现高精度、高可靠、长寿命、低能耗、小体积、轻量化的固体润滑精密滤波驱动装置，同时制造加工工艺简便，生产制造成本低，安装调试容易以及拆卸维修方便。

附图说明

图1是固体润滑精密滤波驱动装置的结构示意图。

图2是固体润滑精密滤波驱动装置A-A截面图。

图3是固体润滑精密滤波驱动装置B-B截面图。

图4是偏心凸轮9结构图。

图5是偏心凸轮9左视图。

图6是偏心凸轮9C-C截面图。

图7是输入双联齿轮15结构图。

图8是固定齿轮13结构图。

图9是输出齿轮17结构图。

图中1.转轴，2.电机转子，3.电机定子，4.第五轴承，5.右端盖，6.第四螺钉，7.外壳，8.第三轴承，9.偏心凸轮，10.第一轴承，11.第二螺钉，12.轴承座，13.固定齿轮，14.滚柱，15.输入双联齿轮，16.滚珠，17.输出齿轮，18.第二轴承，19.第一螺纹孔，20.第三螺钉，21.第四轴承，22.第一螺钉，23.输出轴，24.左端盖，25.第一圆周内表面，26.第二圆周内表面，27.第二螺纹孔，28.内孔，29.第三圆周外表面，30.第一圆周外表面，31.第二圆周外表面，32.大内孔，33.小内孔，34.圆弧滚道，35.滚珠外圆弧凹槽，36.圆周内表面，37.圆周外表面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：

本发明所涉及的一种固体润滑精密滤波驱动装置，包括具有纳米表面工程材料涂覆层的减速器组件、输出传动装置和伺服电动机。减速器组件包括偏心凸轮9、输入双联齿轮15、固定齿轮13、输出齿轮17、第一轴承10、第二轴承18、滚柱14、滚珠16。输出装置包括空心的输出轴23。

如图1所示，伺服电动机包括空心的转轴1。伺服电动机的转轴1直接与减速器组件偏心凸轮9右端相连。输出齿轮17左端通过周向均匀分布的一组第一螺钉22与输出轴23相连。外壳7的第一圆周内表面25作为减速器固定齿轮13安装的定位面，固定齿轮13通过圆周上一组第二螺钉11与外壳7联接。将电机与减速器直接联接组合成一个固体润滑精密滤波驱动装置，减少了很多传动联接的中间环节，优化了轴系结构，减少了轴系传动的复杂对中问题，提高了传动精度和效率，且制造加工简便。转轴1和输出轴23采用空心轴设计，为机构走线提供了方便，减少了在机械设备中需要考虑控制电线通路所存在的结构空间设计问题，且减轻了总量。

如图1、图2和图3所示，固体润滑精密滤波驱动装置所采用的减速器传动原理，是基于少齿差行星齿轮传动原理。输入双联齿轮15的右边齿轮与固定齿轮13相啮合传动所存在的少齿差齿数和输入双联齿轮15的左边齿轮与输出齿轮17相啮合传动所存在的少齿差齿数相等。偏心凸轮9的内孔28轴心线O与轴心线O₁存在偏心量为e的偏心。通过偏心凸轮9所存在的偏心带动输入双联齿轮15形成偏心转动，产生双少齿差行星齿轮传动效果，最后再通过输出齿轮17与输出轴23的联接，从而将速度输出。输入双联齿轮15的左右两边齿轮的齿数分别为Zc和Zd，固定齿轮13和输出齿轮17齿轮的齿数分别为Zb和Za，传动比 $i=\frac{\mathrm{ZaZd}}{\mathrm{ZaZd}-\mathrm{ZcZd}}.$

如图4和图7所示，在偏心凸轮9第一圆周外表面30和输入双联齿轮15的内孔都设计了圆弧滚道34分别作为滚珠16的内外滚道，限制了滚珠16的轴向定位，保证了偏心凸轮9的高速运转。输出齿轮17的输出转速低、压力大。如图9和图8所示，在固定齿轮13的圆周内表面36和输出齿轮17的圆周外表面37分别设计的内外滚道上安装滚柱14。

如图1和图4所示，偏心凸轮9所存在的偏心左右，其在运转的时候会受到很大的径向反作用力，这样会对与偏心凸轮9直接相联接的电机轴产生不良影响。通过在偏心凸轮9第三圆周外表面29和第二圆周外表面31分别安装有第三轴承8和第二轴承18，把它受到的径向反作用力卸载传递到外壳7上，而且保证了偏心凸轮9在运转中的偏心度。在偏心凸轮内孔处分别设计了大内孔32和小内孔33，可以保持偏心凸轮运转过程中的动平衡。

如图1和图4所示，在电机和减速器集成的固体润滑精密滤波驱动装置中，要实现少齿差输出传动，必须考虑到减速器组件、输出传动装置、伺服电动机和外壳所组成的一个整体的输入和输出同心度及其偏心度的设计。如图1、图2和图3所示，输出齿轮17和固定齿轮13的分度圆轴心线，偏心凸轮9的内孔28、第三圆周外表面29和第二圆周外表面31轴心线，左端盖24和右端盖5的内孔轴心线，转轴1轴心线和输出轴23轴心线在同一个轴心线O上。固定齿轮13圆周外表面的轴心线与轴心线O重合。偏心凸轮9第一圆周外表面30的轴心线、输入双联齿轮15的分度圆轴心线在同一个轴心线O₁上，偏心凸轮9的内孔28轴心线O与轴心线O₁存在偏心量为e的偏心。左端盖24和右端盖5内分别安装有第四轴承21和第五轴承4，并且分别通过圆周上一组第三螺钉20和第四螺钉6与外壳7相联接。在外壳7的第二圆周内表面26上安装有第三轴承8。在外壳7的左右端面的圆周上分别设计了一组第一螺纹孔19和第二螺纹孔27。

另一方面，输入双联齿轮15、固定齿轮13和输出齿轮17的齿面涂覆0.1～30um的纳米固体润滑膜，使其摩擦系数极小，具有耐磨、可靠、减振、降噪等功效；当机构出现卡涩时，电机输出扭矩增大到一定的数值，纳米固体润滑膜产生超弹性模量效应，在啮合齿面可以形成适度的弹性变形，从而防止和消除机构卡涩。该固体润滑膜通过非平衡磁控溅射技术或离子注入技术沉积的薄膜：以80％～95％MoS₂为基体，添加2％～9％金或金-钯合金、0.5％～6％Ti或TiN等多种合金元素的纳米复合多层薄膜。共溅射固体润滑膜成膜工艺参数需要严格控制：镀膜室本底气压≤1×10^-3Pa，工作气体氩或氙的纯度≥99％，预溅射和溅射工作气压为(0.02～6.0)Pa，预沉积前对工件偏压为(-1000～-2000)V，对新靶预溅射15小时以上，镀膜前工件表面被离子刻蚀的面功率密度为(0.2～10)W/cm²；MoS₂靶功率1～4kW，Ti靶功率0～4kW；工件偏压为(-50～-200)V，镀膜时间(10～120)分钟；镀膜结束后(1～10)分钟内充保护气体至(2～8)×10⁴pa后自然冷却至室温。

实施例

如图1所示，输入双联齿轮15的左右两边齿轮的齿数分别为Zc＝45和Zd＝48，固定齿轮13和输出齿轮17齿轮的齿数分别为Zb＝53和Za＝50。传动比 $i=\frac{40\×48}{50\×48-45\×53}=160.$ 输入双联齿轮15的左边齿轮与输出齿轮17的少齿差数和输入双联齿轮15的右边齿轮与固定齿轮13少齿差数相等，少齿差数都为5。

固体润滑精密滤波驱动装置的安装：减速器和伺服电动机分别从左右两边向中间安装，伺服电动机的转轴1直接和减速器的偏心凸轮9相联接，第三轴承8安装在转轴1上，固定齿轮13通过圆周上一组第二螺钉11与外壳7联接，输出齿轮17左端通过周向均匀分布的一组第一螺钉22与输出轴23相连。第四轴承21和第五轴承4分别安装在输出轴23和转轴1上，左端盖24和右端盖5依次分别在外壳7上。如图1所示，固体润滑精密滤波驱动装置为保证偏心度e和同心度进行了机构设计。以固定齿轮13的圆周外表面作为安装的定位面，外壳7安装左端盖24、右端盖5和固定齿轮13处的内孔面的轴心线在同一个轴心线O上，从而保证输出轴23和转轴1的同心度。另一方面，偏心凸轮9的内孔28、第三圆周外表面29和第二圆周外表面31轴心线在同一个轴心线O上，将第三轴承8和第二轴承18安装在其第三圆周外表面29和第二圆周外表面31，当转轴1直接和减速器的偏心凸轮9相联接和输出齿轮17左端直接与输出轴23相连时，不仅能实现把偏心凸轮9受到的径向反作用力卸载传递到外壳7上，而且保证了偏心凸轮9在运转中的偏心度，提高了传动精度，提高了传动效率。

如图1所示，固体润滑精密滤波驱动装置的工作过程：伺服电动机的转轴1带动减速器组件偏心凸轮9，偏心凸轮9再通过滚珠16带动输入双联齿轮15做偏心转动，输入双联齿轮15右端齿轮在与齿数多的固定齿轮13作啮合运动中产生少齿差行星转动，同时，将产生的转动传递到左边的齿轮产生相同的转动，左边的齿轮在与齿数多的输出齿轮17啮合传动产生少齿差行星转动，输出齿轮17通过滚柱14与固定齿轮13产生相对运动，输出齿轮17再带动输出轴23输出转速。

纳米表面薄膜的制备情况：在输入双联齿轮15、固定齿轮13和输出齿轮17的齿面上涂覆一层纳米表面薄膜，采用具有非平衡磁控溅射功能的PVD镀膜机.镀膜机沉积室中央为工件台，周围内壁上布置4个溅射靶，其中2个为磁控溅射MoS₂靶相对布置，另2个磁控溅射靶分别是Ti靶和金或金-钯合金的合金元素靶相对布置。4个靶形成非平衡磁控溅射封闭场。输入双联齿轮15、固定齿轮13和输出齿轮17的材料为38CrMnAl，硬度大于55HRc，表面粗糙度Ra小于0.16um，先将镀膜样品放入丙酮中用超声波清洗5min除去样品表面油污，然后装入真空室内工件台上，工件偏压为-1300V，利用辉光放电效应对样品表面进行刻蚀清洗。真空室工作压力为0.5Pa，清洗时间10min，之后开启Ti靶工作，在样品表面沉积厚约100nm的Ti中间层来提高膜层与基底问的结合力。再充入反应气体N₂，沉积TiN支撑层，时间为20min。此时真空室平衡温度为200℃。再Ar+离子轰击，沉积一层Ti过渡层。开启MoS₂靶和Au靶电源，关闭Ti靶电源。MoS₂靶弧电流120A，负偏压-200V，充入氩气至0.15Pa，保持真空室压力为3.0Pa，偏压降至120v沉积MoS₂/Au复合涂层。每沉积10min，采用2.5Pa氩气，偏压-800V进行离子轰击，时间为5min。沉积时间达到20min后，真空室平衡温度为280℃，沉积结束。关掉负偏压、所有弧源、反应气体，抽真空室真空至极限真空度。

所制备的MoS₂/Au/Ti薄膜厚度4um，摩擦系数0.01，驱动电机的输出扭矩为3Nm时，电机的输出功率随转速的增加，波动不大，可见摩擦系数较小。在输出扭矩增大时，电机的输出功率几乎成线性增大，机构运行平稳，摩擦力矩小、润滑状态良好，没有出现卡死。实现高精度、高可靠、长寿命、大扭矩、低能耗、小体积、轻量化的固体润滑精密滤波驱动装置。

Claims (4)

1、一种固体润滑精密滤波驱动装置，包括具有纳米表面工程材料涂覆层的减速器组件、输出传动装置和伺服电动机；其特征为：减速器组件包括偏心凸轮(9)、输入双联齿轮(15)、固定齿轮(13)、输出齿轮(17)、第一轴承(10)、第二轴承(18)、滚柱(14)、滚珠(16)；输出装置包括空心的输出轴(23)；伺服电动机包括空心的转轴(1)；伺服电动机的转轴(1)直接与减速器组件偏心凸轮(9)右端相连；输出齿轮(17)左端通过周向均匀分布的一组第一螺钉(22)与输出轴(23)相连；输入双联齿轮(15)的右边齿轮与固定齿轮(13)相啮合传动所存在的少齿差齿数和输入双联齿轮(15)的左边齿轮与输出齿轮(17)相啮合传动所存在的少齿差齿数相等；在偏心凸轮(9)第一圆周外表面(30)和输入双联齿轮(15)的内孔都设计了圆弧滚道(34)分别作为滚珠(16)的内外滚道；固定齿轮(13)的圆周内表面(36)和输出齿轮(17)的圆周外表面(37)分别作为滚柱(14)的内外滚道；在偏心凸轮(9)第三圆周外表面(29)和第二圆周外表面(31)分别安装有第三轴承(8)和第二轴承(18)；偏心凸轮(9)第一圆周外表面(30)的轴心线、输入双联齿轮(15)的分度圆轴心线在同一个轴心线O₁上，偏心凸轮(9)的内孔(28)轴心线O与轴心线O₁存在偏心量为e的偏心；在偏心凸轮内孔处分别设计了大内孔(32)和小内孔(33)；外壳(7)的第一圆周内表面(25)作为固定齿轮(13)安装的定位面，固定齿轮(13)通过圆周上一组第二螺钉(11)与外壳(7)联接。

2、根据权利要求1所述的固体润滑精密滤波驱动装置，其特征是：输出齿轮(17)和固定齿轮(13)的分度圆轴心线，偏心凸轮(9)的内孔(28)、第三圆周外表面(29)和第二圆周外表面(31)轴心线，左端盖(24)和右端盖(5)的内孔轴心线，转轴(1)轴心线和输出轴(23)轴心线在同一个轴心线O上；固定齿轮(13)圆周外表面的轴心线与轴心线O重合。

3、根据权利要求1所述的固体润滑精密滤波驱动装置，其特征是：左端盖(24)和右端盖(5)内分别安装有第四轴承(21)和第五轴承(4)，并且分别通过圆周上一组第三螺钉(20)和第四螺钉(6)与外壳(7)相联接；在外壳(7)的第二圆周内表面(26)上安装有第三轴承(8)；在外壳(7)的左右端面的圆周上分别设计了一组第一螺纹孔(19)和第二螺纹孔(27)。

4、根据权利要求1所述的固体润滑精密滤波驱动装置，其特征是：输入双联齿轮(15)、固定齿轮(13)和输出齿轮(17)的齿面涂覆0.1～30um的纳米固体润滑膜，该固体润滑膜是通过非平衡磁控溅射技术或离子注入技术沉积形成的薄膜，即是以MoS₂为基体，添加金或金-钯合金、Ti或TiN的薄膜。

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