CN104500660A - 工业机器人零回差摆线减速器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及摆线减速技术领域，一种工业机器人零回差摆线减速器，包括针齿壳、针销、左、右刚性盘、摆线轮及偏心套，输入轴、太阳轮、行星轮及行星轴，左、右刚性盘用轴承支承在针齿壳两侧，其特征在于：行星轴上有二挡圈，挡圈间设有二偏心套，其端面为梯形或波浪齿啮合；第一偏心套紧固在行星轴，而第二偏心套与行星轴滑配，第二偏心套与第二挡圈间有弹簧；摆线轮A轮齿与针齿壳上半区针销逆针侧靠紧，摆线轮B轮齿与针齿壳下半区针销顺时针一侧靠紧，摆线轮相位Φ＜180°；偏心套用滚针支承在摆轮，左刚性盘圆柱凸缘穿过摆轮与右刚性盘用螺钉连接，摆线轮均布六相同孔，针齿壳半埋孔线切割。有益效果：工艺简单，成本低55-70％，零回差自动补偿。
Description
【技术领域】
本发明涉及摆线减速技术领域，一种在国产机床上，采用中级制造精度并结合慢走丝线切割技术的工业机器人零回差摆线减速器。
【背景技术】
国家863计划机器人技术专家组指出：“因关键部件配套瓶颈而衍生的整机企业制造成本居高不下，已经成为中国工业机器人市场发展的严重掣肘。特别是高精度机器人关节减速器产品主要依赖进口，目前75％的市场被Nabtesco和Harmonic Drive公司垄断。”
据前瞻产业研究院《报告》，2014、15年国内工业机器人减速器市场规模为26-30亿元。
二十多年来，科技部多次下达RV减速器863计划，下拨了大量资金，希望我国工业机器人整机企业不再进口昂贵的日本RV减速器。最近，《2011.1～2012.12》两联合组发布：
天津组2014.05.13：“五家联合《国家863工业机器人高精度高效率减速器》课题组经两年努力，于2013.12月通过了科技部专家组验收，专家结论：完成了合同任务书规定的内容，达到了性能指标要求，掌握了工业机器人用高精度减速器研发及制造技术，对于推进我国工业机器人核心部件国产化具有重要意义。”只是，有资料称研制中出现了下述问题：
(1)摆线轮需要在昂贵的LFG-3540数控齿轮成型磨床上加工，必需在德国温泽公司开发的WGT850/1000齿轮测量中心试验台上测量，摆线轮磨削精度为4级；
(2)考虑引进价值几百万元的曲柄磨床加工曲柄轴，曲柄轴满滚子轴承出现摆线轮死点；
(3)刚性盘拆卸困难，一旦拆卸会造成零件损坏，刚性盘菱形柱加工费用昂贵。
温州组于2013.12.07：“2013年9月5日，经过国家科技部专家严格而缜密的审查，五家联合申报的《国家863工业机器人高精度高效率减速器》顺利通过技术验收。标志着在创新能力、工艺水平及制造水平等方面进入了先进制造技术领域。”
但，科技部为什麽再次下达《2015年工业机器人高精度减速器863计划》？
国内实现larc min回差技术方案是：“高精度机床、高精度制造”，高精度机床需要高级制造人才及大量资金，使制造成本过高，企业必然受到日本RV减速器降价打压，直至被挤垮。
因此，本发明不得不提出：《中级制造精度》减速器能否实现零回差？能否用低制造成本减速器取代日本高精度RV减速器？本发明构思的理论依据有二：
(一)数控机床进给系统的消除齿轮副间隙设计给本发明的启示：
数控机床进给系统要求机械结构具有高传动刚度和尽可能消除齿轮副的传动间隙，因为传动间隙会造成进给系统每次反向运动滞后于指令信号，丢失指令脉冲并差生反向死区，对传动精度影响很大。数控机床采用两个薄齿轮的左右面分别与宽齿轮的左右面贴紧，以消除齿侧间隙；湖北汽车工程学院邱新桥提出了《圆柱齿轮齿侧间隙自动补偿新方法》：“在伺服驱动系统的齿轮传动机构中，为了保证双向传动精度，必需采取措施消除齿侧间隙，附图系滑销滑动错齿调隙机构，齿侧间隙可自动补偿。”
秦大同、谢里阳主编《现代机械设计手册》卷5第22篇(光机电一体化系统设计)中给出了直齿与斜齿轮消除齿轮间隙方法(详见卷5-22-168、169页)：主动齿轮与两片从动齿轮A及B啮合关系是：主动轮正转时与从动齿轮A啮合；主动轮反转时与从动齿轮A啮合。
(二)重庆大学陈小安博士导师发明专利《精密摆线针轮行星传动装置》(ZL200810069737)：
该发明的技术特征：若针齿壳A中的摆线轮a与针齿啮合的齿廓面方向为顺时针；则针齿壳B中的摆线轮b与针齿啮合的齿廓面方向为逆时针，因而正、反转时零回差。
原理与(一)所述相同。中等制造精度，正、反转时零回差；缺点：单片摆线轮做功。
【发明内容】目的：提出国产机床、中级制造精度的一种工业机器人零回差摆线减速器。
“数控机床进给系统的启示”与发明专利《精密摆线针轮行星传动装置》ZL200810069737是本发明解决“零回差”的理论依据，本发明技术方案如下：
行星轴上设有二弹性挡圈，二弹性挡圈紧靠轴承内圈端面，二弹性挡圈间设有二偏心套，第一偏心套紧固在行星轴上，第二偏心套与行星轴滑配，第二偏心套与第二弹性挡圈间设复位弹簧，第一、二偏心套内侧端面为梯形齿、或三角齿啮合；
摆线轮A轮齿与针齿壳上半区针销逆时针一侧靠紧，而摆线轮B轮齿与针齿壳下半区针销顺时针一侧靠紧，二摆线轮相位角θ(摆线轮修形后偏转角α)：(180°-α)＜θ＜180°；
第一、二偏心套用第一、二滚针轴承分别支承在摆线轮A、B销孔中，第二偏心套颈部外径应小于第二滚针轴承内圈外径，使第二偏心套沿轴向移动时不受阻于第二滚针轴承的滚针。
其特征在于：第一、二偏心套内端面为波浪状圆弧齿、或是正弦、类似于正弦的曲线齿；
其特征在于：摆线轮的修形量Δrz≈1.515(K1 -2.319)Δ、ΔRz≈0.8045(K1 -3.077)Δ(式中：Δrz-等距修形量、ΔRz-移距修形量、K1-短幅系数、Δ-径向间隙，计量单位mm)；
其特征在于：左刚性盘设有三圆柱凸缘，三圆柱凸缘穿过摆线轮A、B上相应圆孔与右刚性盘内侧止口紧配合、并用螺钉将二者连接成一刚性体；
其特征在于：摆线轮A、B上均布六只相同圆孔，其中间隔120°三孔分别用以装置滚针轴承，另三孔一方面用作工艺孔，另一方面用以包容左刚性盘的三圆柱凸缘。
其特征在于：针齿壳半埋孔是一用电火花线切割得到的连续光滑曲线。
【有益效果】只要在国产机床上，采用中级制造精度，便可得到零回差减速器。
本发明与日本RV工业机器人减速器相比：其优点是具有同样的承载力，制造工艺简单，成本低55-70％，零回差能随时得到自动补偿；不足的是轴向会加长15～35mm。
【附图说明】(图4-8为本发明中级制造精度能实现零回差的理论依据的原理图)
图1是本发明实施例的结构示意图
图2为实施例初始时行星轴15上二偏心套端面齿的啮合位置示意图
图3为对应于图2时摆线轮A、B位置示意图，相位角θ≈180°-α＜180°
图4直齿双薄齿轮错齿周向弹簧式调整法，(图中1-短柱、2-弹簧、3、4-薄片齿轮)
图5直齿双薄齿轮错齿可调拉簧式调整法，(图中1、2-薄片齿轮、3-凸耳、4-弹簧、5、6-螺母、7-调节螺钉)
图6斜齿圆柱齿轮垫片错齿调整法，(图中：1、2-薄片齿轮、3-宽齿轮、4-垫片)
图7斜齿圆柱齿轮轴向压簧错齿调整法，本调整法的优点是齿侧隙可以自动补偿(图中：1、2-薄片齿轮、3-宽齿轮、4-调整螺母、5-弹簧)
图8《精密摆线针轮行星传动装置》(ZL200810069737)说明书附图
【具体实施方式】
如图1～3所示，一种工业机器人零回差摆线减速器，包括摆线及行星部件，所述摆线部件包括针齿壳1、针销22、左、右刚性盘20、3、摆线轮A、B、第一、二偏心套12、11，所述针销22设在针齿壳1半埋孔，所述左、右刚性盘20、3用第一、二轴承21、2支承在针齿壳1两侧，所述行星部件包括输入轴6、输入轴6上太阳轮18、行星轮17及三行星轴15，所述输入轴6用第三、四轴承19、5分别支承在左、右刚性盘20、3中心孔，所述行星轴15两侧用第五、六轴承14、7分别支承在左、右刚性盘20、3的周边孔中，其特征在于：
所述第五、六轴承14、7内圈端面处分别设有第一、二弹性挡圈16、8，二弹性挡圈间分别设有第一、二偏心套12、11，所述第一偏心套12紧固在行星轴15上，第二偏心套11与行星轴15滑配，第二偏心套11与第二弹性挡圈8间设复位弹簧9，所述第一、二偏心套12、11内侧端面为梯形齿、或三角齿啮合；
所述摆线轮A轮齿与针齿壳1上半区针销22逆时针一侧靠紧，摆线轮B轮齿与针齿壳1下半区针销22顺时针一侧靠紧，二摆线轮相位角θ＜180°；
所述第一、二偏心套12、11用第一、二滚针轴承13、10分别支承在摆线轮A、B销孔中，所述第二偏心套11颈部111外径应小于第二滚针轴承10内圈外径，使第二偏心套11沿轴向移动时不受阻于第二滚针轴承10的滚针，滚针轴承优点是外径小、较宽及额定动负荷较大。
所述工业机器人零回差摆线减速器的特征在于：所述第一、二偏心套12、11内侧端面齿 为波浪状圆弧齿，包括正弦、类似于正弦的曲线齿，由于波浪状圆弧齿不存在应力集中而不易断齿，波浪状圆弧齿易于铣、磨削加工及动作灵敏。
所述工业机器人零回差摆线减速器的特征在于：摆线轮A、B的修形量：
等距修形量Δrz≈1.515(K1 -2.319)Δ(mm)、
移距修形量ΔRz≈0.8045(K1-3.077)Δ(mm)
修形产生的偏转角α＝2ΔRz(Sinψ0+Δrz)/(e Za)
(式中：ψ0-相位角、e-偏心距、Za-摆线轮齿数、K1-短幅系数、Δ-径向间隙，mm)；
设计示例：Rz＝83.5、Za＝39、Zb＝40、e＝1.5、K1＝0.71739、Δ＝0.06、ψ0＝44.16°
等距修形量Δrz＝1.515(K1 -2.319)Δ＝0.196(mm)
移距修形量ΔRz＝-0.8045(K1 -3.077)Δ＝-0.134(mm)
修形产生的偏转角α＝2ΔRz(Sinψ0+Δrz)/(e Za)＝0.0041弧度＝0.234°
此时二摆线轮间的相位角θ≈180°-α＝179.766°
所述工业机器人零回差摆线减速器的特征在于：所述左刚性盘20的三圆柱凸缘4穿过摆线轮A、B上相应圆孔与右刚性盘3内侧止口紧配合、并用螺钉将二者连接成一刚性体，左刚性盘采用圆柱凸缘、摆线轮A、B用圆孔的优点是，加工工艺比之现有RV减速器技术的左刚性盘菱形凸缘及摆线轮A、B菱形孔简单得多，不仅精度易控制且加工费用要低很多。
所述工业机器人零回差摆线减速器的特征在于：摆线轮A、B上均布六相同孔，其中三孔分别装置第一、二滚针轴承13、10，另三孔用以包容左刚性盘20的三圆柱凸缘4，孔径比圆柱凸缘外径加两倍偏心距大一点，其技术效果是：①用作摆线轮机加工工艺孔，此时摆线轮A与B可同时加工六孔、铣摆线齿及磨摆线齿，装配时只要翻过180°即可；②摆线轮均布六圆孔比菱形孔应力分布更合理，特别是热处理时不易开裂、变形量也小；③左刚性盘采用圆柱凸缘比之现有RV的菱形凸缘，模具制作工艺简单、成本低得多；④摆线轮均布六圆孔及左刚性盘圆柱凸缘比之现有RV的菱形孔及菱形凸缘，机加工工艺简单、成本低很多。
所述工业机器人零回差摆线减速器的特征在于：所述针齿壳1半埋孔是用电火花线切割得到的连续光滑曲线，现有低速走丝电火花线切割技术：中国台湾低速走丝切割表面粗糙度为Ra0.5～0.8μm，切割精度±0.005mm左右，用电火花线切割的优点是加工工艺简单、精度高，能保证针齿销半埋孔的相邻距偏差控制在0.005mm之内，试比较秦川发展集团：
《减速器制造工艺方法》ZL01103799.3：“针齿壳加工的难点是针齿孔，RV250A上的是40-Φ10H7，要求孔相邻距0.005mm，累计误差0.02mm，孔轴向0.005mm，精度相当于渐开线的3-4级。YK75100内齿轮磨齿机上增加了一个小磨头，即可磨削半圆孔，效率很高。”。 两片轮同时做功的原理：
(A)初始状态：摆线轮A轮齿与针齿壳上半区针齿销逆时针一侧靠紧；摆线轮B轮齿与针齿壳下半区针齿销顺时针一侧靠紧。
(B)弹簧9功能：轴向分力Fa推动第二偏心套11左移同时逆时针偏转，因而使摆线轮B的轮齿沿顺时针靠紧针齿壳下半区针齿销。
(一)当行星轴15逆时针转动时：第一偏心套12逆时针转动，因而摆线轮A顺时针转动；第一偏心套12逆时针转动时，偏心套端面齿间正压力Fn的周向分力Ft使第二偏心套11逆时针转动，于是摆线轮B依靠周向力Ft顺时针转动作功。此时摆线轮A过了很小的间隙区靠向上半区针齿销，也随之顺时针转动作功；
(二)当行星轴15顺时针转动时：第一偏心套12时顺针转动，因而摆线轮A逆时针转动作功；因为端面齿有间隙，所以第二偏心套11会滞后顺时针转动，摆线轮B过了很小的间隙区靠向下半区针齿销，也随之逆时针转动作功；
(三)结论：初始状态时，端面齿间隙及摆线轮与针销间隙尽可能小。摆线轮加工：依靠正确计算摆线轮的最佳修形量，针齿壳半埋孔采用慢走丝线切割工艺。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种工业机器人零回差摆线减速器，包括摆线部件及行星部件，所述摆线部件包括针齿壳(1)、针销(22)、左、右刚性盘(20、3)、摆线轮(A、B)及第一、二偏心套(12、11)，所述针销(22)设在针齿壳(1)半埋孔，所述左、右刚性盘(20、3)用第一、二轴承(21、2)分别支承在针齿壳(1)两侧内孔，所述行星部件包括输入轴(6)、设在输入轴(6)上的太阳轮(18)、行星轮(17)及均布三行星轴(15)，所述输入轴(6)用第三、四轴承(19、5)分别支承在左、右刚性盘(20、3)中心孔，所述三行星轴(15)两端用第五、六轴承(14、7)分别支承在左、右刚性盘(20、3)周边孔中，其特征在于：
所述第五、六轴承(14、7)内圈端面处分别设有第一、二弹性挡圈(16、8)，二弹性挡圈间分别设有第一、二偏心套(12、11)，所述第一偏心套(12)紧固在行星轴(15)上，第二偏心套(11)与行星轴(15)滑配，第二偏心套(11)与第二弹性挡圈(8)间设复位弹簧(9)，所述第一、二偏心套(12、11)内侧端面为梯形齿、或三角齿啮合；
所述摆线轮(A)轮齿与针齿壳(1)上半区针销(22)逆时针一侧靠紧，而摆线轮(B)轮齿与针齿壳(1)下半区针销(22)顺时针一侧靠紧，二摆线轮相位角θ＜180°；
所述第一、二偏心套(12、11)用第一、二滚针轴承(13、10)分别支承在摆线轮(A、B)销孔中，所述第二偏心套(11)颈部(111)外径应小于第二滚针轴承(10)内圈外径，使第二偏心套(11)沿轴向移动时不受阻于第二滚针轴承(10)的滚针。
2.根据权利要求1所述的工业机器人零回差摆线减速器，其特征在于：所述第一、二偏心套(12、11)内侧端面齿为波浪状圆弧齿、或是正弦、类似于正弦的曲线齿。
3.根据权利要求1或2所述的工业机器人零回差摆线减速器，其特征在于：
所述摆线轮(A、B)修形量Δrz≈1.515(K1 -2.319)Δ、ΔRz≈0.8045(K1 -3.077)Δ
(式中：Δrz-等距修形量、ΔRz-移距修形量、K1-短幅系数、Δ-径向间隙，mm)。
4.根据权利要求1或2或3所述的工业机器人零回差摆线减速器，其特征在于：所述左刚性盘(20)设有三圆柱凸缘(4)，所述三圆柱凸缘(4)穿过摆线轮(A、B)上相应圆孔与右刚性盘(3)内侧止口紧配合、并用螺钉将二者连接成一刚性体。
5.根据权利要求4所述的工业机器人零回差摆线减速器，其特征在于：摆线轮(A、B)上均布六只相同圆孔，其中间隔120°三孔分别用以装置第一、二滚针轴承(13、10)，另三孔一方面用作工艺孔，另一方面用以包容左刚性盘(20)的三圆柱凸缘(4)。
6.根据权利要求4或5所述的工业机器人零回差摆线减速器，其特征在于：所述针齿壳(1)半埋孔是一用电火花线切割得到的连续光滑曲线。
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