CN102136777A - 智能滤波驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能滤波驱动装置，所述智能滤波驱动装置包括滤波减速器组件、伺服电机及加速度、速度、温度传感器，本发明将滤波减速器组件与伺服电机、传感器集成一体，有效简化了结构，减小了装置的体积和质量并提高了系统精度，其中滤波齿轮通过可控界面弹性变形，可有效防止极端工况与特殊环境的影响而产生的非线性耦合振动，避免发生“卡涩”甚至“卡死”等可靠性问题，保证传动件在所设计的传动精度和承载能力范围内工作，控制电机因高速小转矩转换为低速大转矩所产生的波动，减少振动噪声、疲劳磨损。传感器与驱动部分集成，能实时检测装置运行状态提取故障信号并对其失效做出预估和预判，以保证装置的可靠性。

Description

智能滤波驱动装置

技术领域

本发明涉及机械工程中的机电传动领域，特别涉及一种可避免发生“卡涩”甚至“卡死”等问题并能通过外接设备，实时检测装置运行状态的智能滤波驱动装置。

背景技术

随着机器人、航空、航天、国防武器装备等工程领域事业的迅速发展，对其传动件及系统的传动精度、可靠性、小体积、轻量化、免维护等性能提出了新的要求。长期以来，机械设备中驱动电机和减速器都是分开设计，这样不可避免的需要考虑它们之间的联接设计，使用键、联轴器等联接装置，从而使结构变得复杂，零件数量种类增多，系统可靠性降低，体积重量增大，并造成轴系对中误差，导致传动机构出现磨损，机构运转容易存在卡涩。另一方面，电机作为传动系统的动力源，产生的机械能的形态发生相应的改变，由输入端的高转速、小转矩转变为输出端的大转矩、低转速，不可避免地导致传动系统的转矩产生波动；各零件自身的制造及装配误差；轮齿啮合时的啮入、啮出冲击；及运行过程中零部件的损耗这些因素都将加大传动机构运行过程中的振动、噪声影响齿轮寿命，特别是在高低温交变、振动冲击等极端工况与特殊环境下，由于齿轮材料的热变形及与外界环境产生耦合振动将导致齿廓干涉从而加剧齿面磨损及疲劳，甚至是齿与齿之间的“卡涩”甚至“卡死”现象，严重影响齿轮传动的可靠性。

另外在一些特殊工程领域如航空、航天、国防武器装备，在满足其功能要求的前提下还对其可靠性提出了严格要求，要求其零部件实现信息化、智能化，能实时在线监测各零部件的运行状态，并对装置的失效作出预估和预判以保证装备的可靠性及人民生命财产安全。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种智能滤波驱动装置，通过使减速器组件与伺服电机、传感器集成，有效简化了结构，提高了系统精度及可靠性，可有效防止极端工况与特殊环境的影响而产生的非线性耦合振动，避免发生“卡涩”甚至“卡死”等问题，保证传动件在所设计的传动精度和承载能力范围内，控制电机因高速小转矩转换为低速大转矩所产生的波动。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

所述智能滤波驱动装置包括滤波减速器组件和伺服电机，所述滤波减速器组件包括动力输入偏心轴、分体式双联外齿轮、固定内齿轮和动力输出内齿轮；

所述伺服电机包括定子、转子和电机转轴，所述伺服电机的电机转轴与动力输入偏心轴制成一体，所述电机转子设置在动力输入偏心轴上，所述电机定子配置在固定内齿轮上，所述固定内齿轮与外齿轮I少齿差啮合；

所述分体式双联外齿轮包括配合设置的外齿轮Ⅰ、外齿轮Ⅱ和弹性体，所述外齿轮II和外齿轮I并列设置，所述分体式双联外齿轮通过轴承I设置在动力输入偏心轴相对电机转轴偏心的轴段上，所述外齿轮Ⅰ和外齿轮Ⅱ通过花键在圆周方向配合传递运动和力矩，所述外齿轮Ⅰ的花键与外齿轮Ⅱ的花键之间在位于键齿的两侧设置有配合间隙，所述配合间隙内紧密填充有弹性体;

所述动力输出内齿轮通过轴承II设置在动力输入偏心轴与电机转轴同轴心的轴段上，所述动力输入偏心轴的另一端作为输入端，所述外齿轮Ⅱ与动力输出内齿轮少齿差啮合。

进一步，所述外齿轮Ⅰ和外齿轮Ⅱ均为半轴齿轮，外齿轮Ⅰ的半轴形成内花键轴套，外齿轮II的半轴形成外花键轴套，所述外齿轮Ⅰ和外齿轮Ⅱ通过花键配合组成分体式花键半轴双联齿轮，所述弹性体填充在花键配合间隙内将外齿轮Ⅰ和外齿轮Ⅱ连接成一体；

进一步，所述弹性体为满足齿轮传动精度要求条件下，承受载荷后能产生适当弹性变形的软金属涂层或者橡胶合金；

进一步，所述外齿轮Ⅰ、外齿轮Ⅱ、固定内齿轮和动力输出内齿轮均为变齿厚齿轮，所述外齿轮Ⅰ和外齿轮Ⅱ的轮齿齿厚沿外齿轮Ⅰ和外齿轮Ⅱ相互背离的方向逐渐变小，而固定内齿轮和动力输出内齿轮的齿厚沿该方向逐渐变大；

进一步，所述外齿轮Ⅰ和外齿轮Ⅱ之间设置有压缩弹簧，所述压缩弹簧套在内花键轴套外圆，一端顶在外齿轮Ⅰ端面，另一端顶在外齿轮Ⅱ端面。

进一步，所述智能滤波驱动装置还包括加速度传感器、速度传感器和温度传感器，所述固定内齿轮与驱动装置壳体一体化设计，所述伺服电机、加速度传感器、速度传感器和温度传感器均设置在壳体内，所述各传感器将采集到的信号通过电路处理后输出至外部计算机。

进一步，所述伺服电机的转轴两端分别由输入端端盖内的支承轴承与动力输出内齿轮内侧端面内的轴承进行支承；

进一步，所述加速度传感器的数量为两个，两个加速度传感器位于固定内齿轮靠近齿根附近处，且两传感器所处位置间夹角为90度；所述速度传感器与温度传感器的数量均为一个；其中温度传感器与两个加速度传感器位于同一安装端面上，所述速度传感器安装在伺服电机的转子端面附近，所述温度传感器与加速度传感器的轴线均垂直指向固定内齿轮的轴线。

进一步，所述固定内齿轮的壳体外圆上表面开有半圆环槽用于布置加速度传感器与温度传感器的电信号输出线，所述各传感器的输出线分别与安装在壳体内的电路板上的放大器的输入端相连，所述电路板上设置有加速度信号放大电路、温度信号放大电路与速度信号放大电路，所述电路板将接入的各信号放大处理后再将其传至计算机进行后续处理。

本发明的有益效果是：

1.本发明的智能滤波驱动装置，采用减速器与伺服电机集成设计，去除了中间键、联轴器等多余的联接，减少了安装定位次数提高了传动精度，同时缩小了装置的体积和重量；

2.本发明的智能滤波驱动装置在设计的传动精度范围内通过弹性体的可控弹性变形量，增加啮合齿对从而提高承载能力，并为传动件提供了一个缓冲和容差的单元，过滤掉由电机产生的机械能形态改变、制造装配误差、啮合冲击、带来的振动、噪声，特别是在特殊与极端环境下(如高低温循环交变)工作的齿轮，通过温度、压力引起的弹性体变形及回复使齿轮具有自适应和实时调整的功能，避免齿轮材料因温度变化而产生的变形导致齿廓干涉，齿面磨损、疲劳，甚至是整个传动装置的 “卡涩”、“卡死”等问题，并且过滤掉力矩与转速传递中产生的波动，达到“滤波”效果；

3.本发明的智能滤波驱动装置将加速度传感器、速度传感器、温度传感器集成于减速器内，近距离较真实地检测减速器的振动、转速和温度，能实时检测装置运行状态提取故障信号，并对驱动装置的失效作出预估和预判，因此智能滤波驱动机构特别适合应用于机器人、航空、航天、国防武器装备等对驱动机构性能要求严格的工程领域。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的智能滤波驱动装置的结构示意图；

图2为图1沿A-A向的剖面示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1中的各附图标记代表的部件含义如下：1—动力输入偏心轴；2—支承轴承；3—转子；4—定子；5—紧定螺钉； 6—端盖；7—速度传感器；8—轴承III；9—固定内齿轮；10—电路板；11—轴台；12、12a—加速度传感器；13—外齿轮I ；14—轴承挡圈；15—十字交叉轴承；16—压缩弹簧；17—外齿轮Ⅱ；18—弹性体； 19—轴承I；20—动力输出内齿轮；21—挡圈；22—轴承II； 23—温度传感器。

如图1所示，该智能滤波驱动装置包括滤波减速器组件和伺服电机；滤波减速器组件包括动力输入偏心轴1、分体式双联外齿轮、固定内齿轮9、动力输出内齿轮20和支撑轴承；伺服电机包括定子4、转子3和电机转轴，伺服电机的电机转轴与动力输入偏心轴1制成一体；伺服电机与动力输出内齿轮20分别处于分体式双联外齿轮的两侧，伺服电机的外侧设置有固定内齿轮9，固定内齿轮9与外齿轮I 13少齿差啮合。本实施例中，伺服电机的转轴两端分别由输入端端盖内的支承轴承2与动力输出内齿轮20内侧端面内的轴承II 22进行支承，伺服电机的转轴中段通过轴承III 8进行支撑。

分体式双联外齿轮包括配合设置的外齿轮Ⅰ13和外齿轮Ⅱ17，所述外齿轮I和外齿轮II并列设置，所述双联齿轮通过轴承I设置在动力输入偏心轴相对电机转轴偏心的轴段上，外齿轮Ⅰ13和外齿轮Ⅱ17通过花键在圆周方向配合传递运动和力矩，外齿轮Ⅰ13的花键与外齿轮Ⅱ17的花键之间在位于键齿的两侧设置有配合间隙，配合间隙内紧密填充有弹性体18;

动力输出内齿轮20通过轴承II 22以与轴承I 19同轴的方式，设置在动力输入偏心轴1相对电机转轴同轴心的轴段上，动力输入偏心轴1的另一端作为输入端，外齿轮Ⅱ17与动力输出内齿轮20少齿差啮合。

从图中可以看出，本实施例中，所述伺服电机4与动力输出内齿轮4分别处于分体式双联外齿轮20的两侧。

作为进一步的改进，外齿轮Ⅰ13和外齿轮Ⅱ17均为半轴齿轮，外齿轮Ⅰ的半轴形成内花键轴套，外齿轮II的半轴形成外花键轴套，所述外齿轮Ⅰ和外齿轮Ⅱ通过花键配合组成分体式花键半轴双联齿轮，所述弹性体18填充在花键配合间隙内将外齿轮Ⅰ和外齿轮Ⅱ连接成一体；

作为进一步的改进，所述外齿轮Ⅰ 13、外齿轮Ⅱ 17、固定内齿轮9和动力输出内齿轮20均为变齿厚齿轮，所述外齿轮Ⅰ 13和外齿轮Ⅱ 17的轮齿的齿厚沿外齿轮Ⅰ 13和外齿轮Ⅱ 17相互背离的方向逐渐变小，为与外齿轮Ⅰ 13和外齿轮Ⅱ 17相配合，固定内齿轮9和动力输出内齿轮20的齿厚变化与对应的外齿轮相反。

外齿轮Ⅰ和外齿轮Ⅱ之间设置有压缩弹簧16，压缩弹簧16套在内花键轴套外圆，一端顶在外齿轮Ⅰ端面，另一端顶在外齿轮Ⅱ端面。

作为进一步的改进，该智能滤波驱动装置还包括加速度传感器12、速度传感器7和温度传感器23，固定内齿轮9的外部设置有壳体，伺服电机、加速度传感器12、速度传感器7和温度传感器23均设置在壳体内，各传感器将采集到的信号通过电路处理后输出至外部计算机。

如图2所示，本实施例中，加速度传感器的数量为两个分别是图2中的12、12a，两个加速度传感器位于固定内齿轮9靠近齿根附近处，且两传感器所处位置间夹角为90度，分别测量两个方向上的振动情况；速度传感器7与温度传感器23的数量均为一个；其中温度传感器7与两个加速度传感器位于同一安装端面上，速度传感器7安装在伺服电机的转子端面附近（靠近中间支承轴承8的位置），温度传感器23与加速度传感器的轴线均垂直指向固定内齿轮9的轴线。

固定内齿轮9的壳体外圆上表面开有半圆环槽用于布置加速度传感器与温度传感器23的电信号输出线，各传感器的输出线分别与安装在壳体内的电路板10上的放大器的输入端相连，电路板10上设置有加速度信号放大电路、温度信号放大电路与速度信号放大电路，电路板将接入的各信号放大处理后再将其传至计算机进行后续处理。

驱动装置的失效一般是从摩擦副的润滑失效开始的，其表现形式主要有振动、噪声加大，温度、摩擦力矩上升，在齿根部位安装加速度、速度、温度传感器，能近距离较真实地检测电机、减速器的运行及振动、温度情况，恒载运行时检测电机的电流、电压波动则能反应驱动装置的摩擦力矩情况，因此整个驱动装置的运行状态都能得到实时监测，并能通过对数据信息的处理提取故障信号以对驱动装置的失效作出预估和预判，实现驱动装置的信息化、智能化。

本发明中，弹性体18为满足齿轮传动精度要求条件下，承受载荷后能产生适当弹性变形的软金属涂层或者橡胶合金。

若弹性体为橡胶合金，则在轮齿本体内花键或轮毂外花键表面涂覆特种胶与橡胶合金紧密粘为一个整体，形成橡胶合金层。

经多次试验，如果采用橡胶合金作为弹性体，则形成的橡胶合金层由以下重量份的材料混合硫化而成：丁晴橡胶40～100、氧化锌3～8、硫磺1～3、促进剂1～3、防老剂1～3、脂肪酸1～3、半补强碳黑60～80和填充剂20～60。作为其中的一种优选：所述促进剂为次磺酰胺类促进剂，防老剂为二丁基二硫代氨基甲酸镍，脂肪酸为C16或C18饱和脂肪酸，填充剂为二硫化钼、聚四氟乙烯、石墨、玻璃纤维或碳纤维；本实施例中橡胶合金层材料按重量份包括下列组分：丁晴橡胶40，氧化锌3，硫磺1，N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺1，二丁基二硫代氨基甲酸镍1，C16饱和脂肪酸1，半补强碳黑60，二硫化钼20。

本实施例中所述分体式双联外齿轮（13、17、18）安装在动力输入偏心轴上1；电机转子3带动动力输入偏心轴1绕轴线O旋转作为驱动装置的输入动力源，动力输入偏心轴1的偏心使得通过滚动轴承19安装在其上的分体式双联齿轮（13、17、18）既绕轴线O作公转运动，又绕轴线O1作自转运动，并通过两对齿的啮合带动输出齿轮20绕轴线O旋转输出运动并达到减速目的。驱动机构运行过程中影响其性能的制造装配误差主要包括齿轮的齿廓齿距偏差、形状位置偏差（如径向跳动、齿圈径向跳动）及两齿轮间中心距和轴线平行度的偏差。这些因素都会影响传动的平稳性，从而产生振动、噪声。弹性体18通过往复的弹性变形可以吸收能量从而减小振动、噪声，同时可以容许两齿轮轴线之间平行度存在一定偏差起到弹性联轴器的作用。一对齿轮副之间的回差是影响齿轮传动精度的重要指标，回差的大小主要由两个齿轮的齿距偏差及中心距O-O1决定，对于图中所示的内啮合齿轮副，适当地增加中心距O-O1贴紧轮齿的齿面能减小回差提高传动精度，并增加啮合齿对提高承载能力。但是回差过小时，齿廓及径向偏差较大处的啮合就容易产生齿廓干涉从而加剧齿面磨损与疲劳，特殊与极端环境（如高低温交变）引起的齿轮变形也会出现类似问题。填满弹性体18后，可以适当的增加中心距O-O1以减小回差，在误差较大有可能发生齿廓干涉的部位，弹性体18发生适当的压缩变形使两齿轮的中心距减小以增加齿侧间隙使啮合顺利过渡。同理在高低温交变情况下，若温度升高齿轮体积膨胀，在齿廓产生干涉部位弹性体18的压缩变形两齿轮的中心距减小适当增加了轮齿之间的侧隙，以避免“卡涩”或者“卡死”现象。当温度降低后弹性体18压缩变形释放，使两齿轮的中心距增加以减小回差保证传动精度，从而使整个驱动装置具有自适应和实时调整的功能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.智能滤波驱动装置，其特征在于：所述智能滤波驱动装置包括滤波减速器组件和伺服电机，所述滤波减速器组件包括动力输入偏心轴（1）、分体式双联外齿轮、固定内齿轮（9）和动力输出内齿轮（20）；

所述伺服电机包括定子（4）、转子（3）和电机转轴，所述伺服电机的电机转轴与动力输入偏心轴（1）制成一体，所述电机转子（3）设置在动力输入偏心轴（1）上，所述电机定子配置在固定内齿轮（9）上，所述固定内齿轮（9）与外齿轮I（13）少齿差啮合；

所述分体式双联外齿轮包括配合设置的外齿轮Ⅰ（13）、外齿轮Ⅱ（17）和弹性体（18），所述外齿轮II（17）和外齿轮I（13）并列设置，所述分体式双联外齿轮通过轴承I（19）设置在动力输入偏心轴（1）相对电机转轴偏心的轴段上，所述外齿轮Ⅰ（13）和外齿轮Ⅱ（17）通过花键在圆周方向配合传递运动和力矩，所述外齿轮Ⅰ（13）的花键与外齿轮Ⅱ（17）的花键之间在位于键齿的两侧设置有配合间隙，所述配合间隙内紧密填充有弹性体（18）;

所述动力输出内齿轮（20）通过轴承II（22）设置在动力输入偏心轴（1）与电机转轴同轴心的轴段上，所述动力输入偏心轴（1）的另一端作为输入端，所述外齿轮Ⅱ（17）与动力输出内齿轮（20）少齿差啮合。

2.根据权利要求1所述的智能滤波驱动装置，其特征在于：所述伺服电机的电机转轴两端分别由输入端端盖内的支承轴承（2）与动力输出内齿轮内侧端面内的轴承II（22）进行支承。。

3.根据权利要求1所述的智能滤波驱动装置，其特征在于：所述外齿轮Ⅰ（13）和外齿轮Ⅱ（17）均为半轴齿轮，所述外齿轮Ⅰ（13）的半轴形成内花键轴套，外齿轮Ⅱ（17）的半轴形成外花键轴套，外齿轮Ⅰ（13）和外齿轮Ⅱ（17）通过弹性体（18）连接成分体式双联外齿轮即滤波齿轮。

4.根据权利要求3所述的智能滤波驱动装置，其特征在于：所述弹性体（18）为满足齿轮传动精度要求条件下，承受载荷后能产生适当弹性变形的软金属涂层或者橡胶合金。

5.根据权利要求3所述的智能滤波驱动装置，其特征在于：所述外齿轮Ⅰ（13）、外齿轮Ⅱ（17）、固定内齿轮（9）和动力输出内齿轮（20）均为变齿厚齿轮，所述外齿轮Ⅰ和外齿轮Ⅱ的轮齿齿厚沿外齿轮Ⅰ（13）和外齿轮Ⅱ（17）相互背离的方向逐渐变小，而固定内齿轮（9）和动力输出内齿轮（20）的齿厚沿该方向逐渐变大。

6.根据权利要求3所述的智能滤波驱动装置，其特征在于：所述外齿轮Ⅰ和外齿轮Ⅱ之间设置有压缩弹簧（16），所述压缩弹簧（16）套在内花键轴套外圆，一端顶在外齿轮Ⅰ（13）端面，另一端顶在外齿轮Ⅱ（17）端面。

7.根据权利要求1所述的智能滤波驱动装置，其特征在于：所述智能滤波驱动装置还包括加速度传感器、速度传感器（7）和温度传感器（23），所述固定内齿轮（9）与驱动装置的壳体一体化设计，所述伺服电机、加速度传感器、速度传感器（7）和温度传感器（23）均设置在壳体内，所述各传感器将采集到的信号通过电路处理后输出至外部计算机。

8.根据权利要求7所述的智能滤波驱动装置，其特征在于：所述加速度传感器（12、12a）的数量为两个，两个加速度传感器位于固定内齿轮（9）靠近齿根附近处，且两传感器所处位置间的夹角为90度；所述速度传感器（7）与温度传感器（23）的数量均为一个；其中温度传感器（7）与两个加速度传感器位于同一安装端面上，所述速度传感器（7）安装在伺服电机的转子端面附近，所述温度传感器（23）与加速度传感器的轴线均垂直指向固定内齿轮（9）的轴线。

9.根据权利要求8所述的智能滤波驱动装置，其特征在于：所述固定内齿轮（9）的壳体外圆上表面开有半圆环槽用于布置加速度传感器与温度传感器（23）的电信号输出线，所述各传感器的输出线分别与安装在壳体内的电路板上的放大器的输入端相连，所述电路板上设置有加速度信号放大电路、温度信号放大电路与速度信号放大电路，所述电路板将接入的各信号放大处理后再将其传至计算机进行后续处理。

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