CN101956784A

CN101956784A - 一种空间曲线啮合的齿轮机构及其靠模制造装置

Info

Publication number: CN101956784A
Application number: CN 201010164161
Authority: CN
Inventors: 陈扬枝; 孙磊厚; 牟文杰; 周宏甫; 赵良知
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: CN101956784B

Abstract

本发明公开了一种空间曲线啮合的齿轮机构及其靠模制造装置。空间曲线啮合的齿轮机构包括微电机、主动轮、从动轮、多个主动轮钩杆和多个从动轮钩杆；主动轮和从动轮组成一对传动副；主动轮钩杆为螺旋线中一段，四个主动轮钩杆构成螺旋线的一周；从动轮钩杆为圆弧线，4个从动轮钩杆组成一个圆周。制备主动轮钩杆的靠模制造装置包括靠模滚轴、绕丝机、四个切断模块、电机和推杆，靠模滚轴表面设螺旋状凹槽，螺旋状凹槽内设有金属丝，金属丝横截面直径为0.2-2mm，金属丝的一端与绕丝机连接，另一端固定在靠模滚轴上端。空间曲线啮合齿轮机构靠模装置加工工艺简单，加工过程成本低，解决了现有制造技术无法加工出空间曲线啮合齿轮机构的问题。

Description

一种空间曲线啮合的齿轮机构及其靠模制造装置

技术领域

本方法涉及为微制造系统，具体是涉及空间曲线啮合的齿轮机构的靠模制造方法，本发明还涉及实现上述方法的装置。

背景技术

随着科学技术水平和社会生活水平的提高，机电产品微小型化成为趋势之一。微机电系统(MEMS)已成为当前机械领域研究的热点。而微小/微传动机构或减速器又是微机电系统产品的关键部件，因此微小机械传动技术的研究开发又成为目前机械学科的研究热点之一。所以微小机械传动机构已成为微机电系统领域的关键技术。

微小零件现有制造方法主要包括：

(1)UV-LIGA技术：综合了紫外线光刻技术和电镀技术的类LIGA工艺可在钢质基底上刻划出微型结构。此方法主要加工准三维结构的微小零件，无法加工出任意三维结构的微小零件；另外，加工成本比较高。

(2)微注塑成型：注塑成型是指通过压力将融溶状态的胶体注入模腔而成型，即将固态的塑胶按照一定的溶点融化，通过注射机的压力，以一定的速度注入模具型腔内，模具通过水道冷却将塑胶固化而得到与设计模腔一样的产品。由于微小结构零件尺寸在1mm以下，所以精密模具的加工成为一个难点；另外，由于模具型腔尺寸在毫米级，在满足流动性的情况下可以使用的材料有限，加工出来的微小零件强度无法达到要求。

(3)电化学加工：电化学加工采用了快速原型制造思想，将三维微结构利用实时掩模选择性电沉积选择层层叠加起来。因此，在加工前需对加工对象进行CAD造型，并对模型分层处理，以获得加工数据，这些数据中的截面数据用以指导设计制造实时掩模的光刻掩模版，高度方向的数据用来控制加工系统进行分层电沉积。该方法加工效率不高，无法满足大批量低成本的市场化要求。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种成本低、加工效率高的空间曲线啮合的齿轮机构。

本发明的第二个目的在于针对现有制造方法无法加工出空间曲线啮合齿轮机构的问题，提供一种一种制备所述主动轮钩杆的靠模制造装置。应用该装置可极大地降低了微传动机构的加工成本及简化了制造工艺，以便于空间曲线啮合齿轮机构在微机电领域的广泛应用。

一种空间曲线啮合的齿轮机构，包括微电机、主动轮、从动轮、多个主动轮钩杆和多个从动轮钩杆；微电机通过轴与主动轮连接；所述主动轮钩杆均匀安装在主动轮的端面上，主动轮钩杆纵向截面与主动轮所在平面垂直；所述从动轮钩杆单排均匀布置在从动轮的圆周上；主动轮轴与从动轮轴相互垂直；主动轮和从动轮组成一对传动副；主动轮钩杆为螺旋线中一段，四个主动轮钩杆构成螺旋线的一周；从动轮钩杆为圆弧线，4个从动轮钩杆组成一个圆周；主动轮钩杆至少为4个，从动轮钩杆个数为主动轮钩杆个数与传动比倒数之积；主动轮钩杆和从动轮钩杆横截面直径为0.2-3mm。

所述的主动钩杆和从动钩杆优选为钢丝。

一种制备所述主动轮钩杆的靠模制造装置，包括靠模滚轴、绕丝机、四个切断模块、电机和推杆；所述的靠模滚轴与电机主轴连接，靠模滚轴表面设螺旋状凹槽，螺旋状凹槽内设有金属丝，金属丝横截面直径为0.2-2mm，金属丝的一端与绕丝机连接，另一端固定在靠模滚轴上端；四个切断模块两两相对位于靠模滚轴四周，分别与推杆连接，推杆与液压缸连接；四个切断模块内表面分别设有一条纵向切刀以及曲线凹槽，当切断模块在推杆作用下与靠模滚轴贴合时，切断模块上的曲线凹槽与靠模滚轴上螺旋状凹槽组成曲线孔。

所述切断模块与推杆优选螺纹连接。

所述推杆优选为不锈钢金属棒。

本发明与现有传动机构制造方法相比具有如下的优点：

(1)空间曲线啮合齿轮机构靠模制造加工工艺简单，只需要一个靠模滚轴、四个切断模块、一个绕丝机构、电机以及推杆。传统的传动装置，如微小行星齿轮机构、锥齿轮等，制造工艺复杂、周期较长、成本较高。

(2)空间曲线啮合齿轮机构靠模制造方法经济性好，主动轮和从动轮轮体只需车床加工带有小孔的圆柱体，钩杆的原材料为成品金属钢丝，钢丝通过绕丝机构绕在靠模滚轴上，然后四个切断模块，从上下左右方向切断靠模滚轴上的钢丝，所得的空间曲线微小圆柱体就是空间曲线啮合齿轮机构的传动钩杆，所以加工过程基本没有废料，节省成本。最后，利用数控机床把钩杆安装到轮体上，即得到空间曲线啮合齿轮机构。

(3)目前，现有制造方法能加工出来的锥齿轮最小直径为10mm，而本发明能加工出直径为5mm的空间曲线啮合齿轮，占用的空间尺寸更小，使其更加适用于微小机械领域，极大推动了微小传动机构的发展。

(4)本发明突破了现有制造方法无法加工出既满足强度又满足精度的空间曲线啮合齿轮机构的瓶颈，为其市场化做出了巨大的贡献。

(5)空间曲线啮合齿轮机构可以实现类似蜗轮蜗杆的大传动比传动，传动比可以达到12∶1，同时，由于两个轮轴位于同一个平面，使得其空间尺寸比蜗杆传动副小得多。

附图说明

图1本发明实施方式中空间曲线啮合齿轮机构结构图。

图2本发明实施方式中空间曲线啮合齿轮机构原理图。

图3本发明实施方式中空间曲线啮合齿轮靠模法制造装置结构示意图。

图4本发明主动钩杆靠模滚轴结构示意图，其中图4(a)为靠模滚轴主视图，图4(b)为靠模滚轴左视图。

图5本发明实施方式中切断模块示意图，图5(a)切断模块主视图，图5(b)切断模块左视图。

图6为本发明从动钩杆靠模滚轴结构示意图。

图7本发明实施方式中制造的主动钩杆示意图，图7(a)主动钩杆主视图，图7(b)主动钩杆俯视图。

图8本发明实施方式中制造的从动钩杆示意图，图8(a)从动钩杆主视图，图8(b)从动钩杆俯视图。

图9为本发明实施方式中制造的主动轮结构示意图。

图10本发明实施方式中制造的从动轮结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种空间曲线啮合的齿轮机构，包括微电机16、主动轮14、从动轮15、主动钩杆12和从动钩杆13；微电机16通过轴与主动轮14连接；多个主动钩杆12均匀安装在主动轮14的端面上，主动钩杆12纵向截面与主动轮体的平面垂直；多个从动钩杆13单排径向均匀布置在从动轮15的圆周上；主动轮轴与从动轮轴相互垂直，主动轮14和从动轮15组成一对传动副，通过主动钩杆12和从动钩杆13的啮合运动传动；当主动轮14运动时，主动钩杆12开始与从动钩杆13接触，从动钩杆13阻碍主动钩杆12运动，其间的相互作用产生阻力，这个阻力即为传动力，从而实现传动。主动钩杆12为螺旋线形状，四个主动钩杆构成螺旋线的一周；从动钩杆13为圆弧线形状，4个从动钩杆13组成一个圆周；主动钩杆12至少为4个，从动轮钩杆13的个数为主动轮钩杆个数与传动比倒数之积；主动钩杆12和从动钩杆13横截面直径为0.2-3mm。

图2为空间曲线啮合齿轮机构空间啮合示意图。其中S(o-x，y，z)及S_p(o_p-x_p，y_p，z_p)是两个空间坐标系，o、o_p分别为两个坐标系的原点，z轴与主动轮14的回转轴线重合，z_p轴与从动轮15的回转轴线重合，两轴之间的夹角为90°。x轴与z_p的间距为b，z轴与x_p轴的间距为a，a、b取值范围根据主动轮和从动轮半径来定，a不超过主动轮直径，b不超过从动轮直径。主动轮以匀角速度ω₁绕z轴旋转，从动轮以匀角速度ω₂绕z_p轴旋转。

空间曲线啮合齿轮机构只有一个传动副，使得传动系零件数减至最少，且能实现在较高转速(1000转/分)下的连续传动；与传统微小型变速机构(如微小行星齿轮机构)相比，该传动系结构十分简单，传动比大，占用体积比相同传动比的类似机构小很多；而此类传动技术(如SMA传动、热膨胀传动、压电传动和电磁传动)，只能实现瞬间步进直线传动，很难实现平稳的连续旋转传动。空间曲线啮合齿轮机构主要用于微小机电领域，如：微胶囊、管道微小机器人等。空间曲线啮合齿轮机构原理简单，加工很方便。其中，主动轮14和从动轮15都是普通带轴的圆盘结构；主动钩杆12为螺旋弧线形；从动钩杆13为圆弧形。分别可以通过下面装置制造。

如图3、4、5所示，一种制备主动轮钩杆的靠模制造装置，包括靠模滚轴1、绕丝机3、四个切断模块2(a)、2(b)、2(c)、2(d)、电机4、推杆5、金属丝6和液压缸7；靠模滚轴1与电机4的主轴连接，靠模滚轴1的半径由主动轮钩杆的螺旋线决定，也就是靠模滚轴1表面设螺旋状凹槽8，螺旋状凹槽内设有金属丝6，该金属丝就构成螺旋线。金属丝4横截面直径为0.2-3mm，金属丝的一端与绕丝机3连接，另一端固定在靠模滚轴1下端；四个切断模块两两相对，位于靠模滚轴四周，分别与推杆5连接，推杆5与液压缸连接；四个切断模块内表面分别设有一条纵向切刀10以及曲线凹槽，当切断模块在推杆作用下与靠模滚轴贴合时，切断模块上的曲线凹槽与靠模滚轴上螺旋状凹槽组成曲线孔。当切断时，切断模块上的切刀和曲线凹槽分别与靠模滚轴1上的刀槽9与金属丝贴合。切断模块与推杆5螺纹连接，推杆5利用液压缸7提供的动力推动切断模块切断靠模滚轴上的金属丝，推杆5为直径 20mm的不锈钢金属棒。绕丝机构3选用型号为LQ-326的绕丝机，适用金属丝直径为0.1-3mm；电机4的型号为Y355M2-6。

如图3、6所示，一种从动轮钩杆的靠模制造装置，也包括靠模滚轴1、绕丝机3、四个切断模块2(a)、2(b)、2(c)、2(d)、电机4、推杆5、金属丝6和液压缸7；与制备主动轮钩杆的靠模制造装置不同之处一是靠模滚轴(如图6)表面设圆形凹槽11，圆形凹槽内设有金属丝，金属丝横截面直径为0.2-3mm，每条金属丝的一端与绕丝机连接，另一端固定在圆形凹槽内，金属丝的数目与靠模滚轴上的圆形凹槽数目相同；四个切断模块两两相对位于靠模滚轴四周，分别与推杆连接，推杆与液压缸连接；不同之处二是四个切断模块内表面分别设有一条纵向切刀以及曲线凹槽，当切断模块在推杆作用下与靠模滚轴贴合时，切断模块上的曲线凹槽与靠模滚轴上圆形凹槽11组成曲线孔。当切断时，推杆利用液压缸提供的动力推动切断模块切断靠模滚轴上的金属丝。

空间曲线啮合齿轮靠模法制造装置的原理为：靠模滚轴1在电机4的带动下匀速转动，利用绕丝机构使直径为0.2-3mm(0.6mm)的成品钢丝紧密环绕在靠模滚轴1表面螺旋状的曲线凹槽中，然后利用四个切断模块从前后左右方向切断靠模滚轴凹槽中的钢丝，所得的钢丝即是空间曲线啮合齿轮机构的主动轮钩杆、从动轮钩杆；然后，利用数控机床把主动钩杆均匀的安装在主动轮端面上，把从动钩杆单排均匀的安装在从动轮的圆周上；最后通过激光点焊固定钩杆，即得到空间曲线啮合齿轮机构。

主动轮制造过程：如图3所示，靠模滚轴1和切断模块2采用8Cr2MnWMoVS(8Cr2S)钢来制作，切断模块2上的切刀采用LD-SKD-CR12Mov来制作，靠模滚轴1及切断模块2上的曲线凹槽采用CNC加工。靠模滚轴1轴线垂直于水平面与电机4相联，在电机运行之前，把一条直径为0.6mm的镍铬金属丝一端固定在靠模滚轴1的曲线凹槽起始点，金属丝的另一端固定在绕丝机构3上。然后，电机4带动靠模滚轴1匀速转动，绕丝机构3在平行于靠模滚轴1轴线的方向垂直运动，速度与金属丝的环绕速度(靠模滚轴1线速度)相同。当金属丝环绕完成之后，切断模块2在推杆5的作用下从前后左右方向切断环绕在靠模滚轴1上的金属丝，所得的每段空间曲线圆柱体即是主动轮钩杆(如图7(a)(b))，主动钩杆为螺旋线形状圆柱体。然后，利用数控机床把主动钩杆均匀的安装在主动轮端面半径等于主动钩杆螺旋线半径的圆上；最后通过激光点焊固定主动钩杆，即得到主动轮(如图9)。

从动轮制造过程：从动钩杆是与主动钩杆共轭的空间曲线，从动钩杆制造过程和主动钩杆类似，最大区别就是更换靠模滚轴，制造从动钩杆的靠模滚轴(如图6)半径是从动钩杆的最大曲率半径。靠模滚轴垂直于水平面与电机4相联，在电机运行之前，把若干条直径为0.6mm的镍铬金属丝一端固定在靠模滚轴曲线凹槽起始点，金属丝的另一端固定在绕丝机构3上。然后，电机4带动靠模滚轴匀速转动，绕丝机构3在平行于靠模滚轴轴线的方向垂直运动，速度与金属丝的环绕速度(靠模滚轴线速度)相同。当金属丝环绕完成之后，切断模块在推杆5的作用下从前后左右方向切断环绕在靠模滚轴上的金属丝，所得的每段空间曲线圆柱体即是从动轮钩杆(如图8(a)(b))，从动轮钩杆为圆弧形状圆柱体。然后，利用数控机床把从动钩杆单排均匀的安装在从动轮的圆周上；最后通过激光点焊固定从动钩杆，即得到从动轮(如图10)。

由于主动钩杆采用螺旋线形状，与其共轭的从动钩杆应为圆弧形状。制造主动钩杆的靠模滚轴半径等于螺旋线半径，靠模滚轴表面的曲线凹槽为螺旋线形状；制造从动钩杆的靠模滚轴半径等于从动钩杆的最大曲率半径，靠模滚轴表面的曲线凹槽为圆弧形状。

本发明解决了现有制造技术无法加工出空间曲线啮合齿轮机构的问题，提供了一种加工工艺简单、经济性好的制造方法，为其市场化打下了良好的基础。该机构能够极大地简化了微机械传动装置的结构，缩小几何尺寸，减小质量，提高操作的灵活性，便于在微机电领域的广泛应用。

Claims

1.一种空间曲线啮合的齿轮机构，包括微电机、主动轮、从动轮、多个主动轮钩杆和多个从动轮钩杆；微电机通过轴与主动轮连接；其特征在于，所述主动轮钩杆均匀安装在主动轮的端面上，主动轮钩杆纵向截面与主动轮所在平面垂直；所述从动轮钩杆单排均匀布置在从动轮的圆周上；主动轮轴与从动轮轴相互垂直；主动轮和从动轮组成一对传动副；主动轮钩杆为螺旋线中一段，四个主动轮钩杆构成螺旋线的一周；从动轮钩杆为圆弧线，4个从动轮钩杆组成一个圆周；主动轮钩杆至少为4个，从动轮钩杆个数为主动轮钩杆个数与传动比倒数之积；主动轮钩杆和从动轮钩杆横截面直径为0.2-3mm。

2.根据权利要求1所述的空间曲线啮合的齿轮机构，其特征在于所述的主动钩杆和从动钩杆为钢丝。

3.一种制备权利要求1所述主动轮钩杆的靠模制造装置，其特征在于，包括靠模滚轴、绕丝机、四个切断模块、电机和推杆；所述的靠模滚轴与电机主轴连接，靠模滚轴表面设螺旋状凹槽，螺旋状凹槽内设有金属丝，金属丝横截面直径为0.2-2mm，金属丝的一端与绕丝机连接，另一端固定在靠模滚轴上端；四个切断模块两两相对位于靠模滚轴四周，分别与推杆连接，推杆与液压缸连接；四个切断模块内表面分别设有一条纵向切刀以及曲线凹槽，当切断模块在推杆作用下与靠模滚轴贴合时，切断模块上的曲线凹槽与靠模滚轴上螺旋状凹槽组成曲线孔。

4.根据权利要求3所述的靠模制造装置，其特征在于：所述切断模块与推杆螺纹连接。

5.根据权利要求3所述的靠模制造装置，其特征在于：所述推杆为不锈钢金属棒。