CN106369109B - 柔性智能精密传动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性智能精密传动装置，提供一种传动平稳性高的传动装置。该传动装置包括偏心输入轴、支撑盘、固定齿轮模块、输出模块、两个外齿轮和柔性智能连接模块；偏心输入轴包括两个偏心距相同且偏心方向相反的偏心段；固定齿轮模块上设置有内齿轮，固定齿轮模块与偏心输入轴同轴设置；支撑盘装在偏心输入轴和固定齿轮模块之间并可旋转；两个外齿轮上均沿径向设置有连接长孔，两个外齿轮分别装在两个偏心段上并可旋转，两个外齿轮均与内齿轮啮合形成少齿差啮合副；输出模块装在偏心输入轴上并可旋转；柔性智能连接模块穿过两个连接长孔将支撑盘和输出模块连接。本装置可广泛应用于智能机器人、高档数控机床、航空航天等高端装备领域。

Description

柔性智能精密传动装置
技术领域
本发明涉及一种传动装置，尤其涉及一种利用少齿差啮合原理减速的柔性智能传动装置。
背景技术
目前国内外各种传动件及系统，并不能满足高低温交变、乏油、重载等特殊环境与极端工况下现代高端装备日趋发展的重大需求，特别是在满足高精度的同时难以保证高可靠性和长寿命等关键技术性能要求。由于机器人传动系统中各零部件的制造、装配误差及运行过程中材料、结构、工况、负载、时间、环境等多因素耦合作用致使传动机构不可避免地产生波动，在特殊环境与极端工况下极易诱发润滑失效、“卡涩”甚至“卡死”、结构破坏等可靠性问题。长期以来，如何过滤掉动力传递与运动变换过程中所产生的波动，使机器人传动件及系统在满足高刚度和高传动精度的同时并确保其高可靠性和长寿命等关键技术指标，是国内外工程领域普遍存在并迫切需要攻克的重大难题。
申请人在申请号为ZL201410175711.2和ZL201410175766.3的中国专利申请中公开了两种利用少齿差啮合原理减速的减速器，这两种减速器具有提高传动精度，降低噪声和振动，提高减速器的运行寿命的优点，在实际应用中取得了良好的效果。但两种减速器的偏心轴均只有一个偏心，齿轮绕偏心轴公转时会产生离心力，影响运转的平稳性，一定程度的限制了减速机各齿轮的转速上限，同时弹性体不具有形状记忆特性，不能适应某些特殊环境与极端工况，因此这两种减速器有进一步改进的空间。
有鉴于此，本发明旨在创造性地综合运用齿轮啮合原理、界面力学、纳米摩擦学、柔性机构学、系统动力学、仿生机械学、表面工程、可靠性工程等多学科协同创新设计制造理论和方法，发明一种柔性智能精密减速器，该减速器在高传动精度范围内具有人体关节功能的自适应变形协调控制能力，能有效过滤和降低动力传递与运动变换过程中的波动、振动和噪声，即使在外界环境温度变化、剧烈振动冲击等极端环境工况下，依然能获得稳定的输出力矩、刚度、回差、传动精度、低振动等性能。同时采用多尺度仿生设计方法，发明出高性能齿面微纳结构，该结构能显著减小疲劳循环次数，提高疲劳寿命，同时在乏油、重载等极端工况下增强齿面润滑油卷吸储油效应，提高润滑性能，降低摩擦系数。最终使机器人精密减速器具有高精度、高刚度、高可靠、长寿命、高效率、低噪声、智能化、高功率密度等高性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种传动平稳性高的柔性智能精密传动装置。
为解决上述问题采用的技术方案是：柔性智能精密传动装置包括偏心输入轴、支撑盘、固定齿轮模块、输出模块、第一外齿轮、第二外齿轮、柔性智能连接模块；
偏心输入轴包括轴向依次设置的输入段、第一偏心段、第二偏心段和输出连接段，输入段与输出连接段同轴，第一偏心段和第二偏心段相对于输入段具有偏心，第一偏心段与第二偏心段的偏心距相同且偏心方向相反；
固定齿轮模块上设置有内齿轮，固定齿轮模块与输入段同轴设置；
支撑盘的内孔通过轴承与输入段连接，支撑盘的外表面通过轴承与固定齿轮模块连接；
第一外齿轮上沿径向设置有第一连接长孔，第一外齿轮通过轴承与第一偏心段连接，第一外齿轮与内齿轮啮合形成少齿差啮合副；第二外齿轮上沿径向设置有第二连接长孔，第二外齿轮通过轴承与第二偏心段连接，第二外齿轮与内齿轮啮合形成少齿差啮合副；
输出模块通过轴承与输出连接段连接；
柔性智能连接模块穿过第一连接长孔和第二连接长孔将支撑盘和输出模块连接。
第一外齿轮、第二外齿轮和内齿轮的轮齿表面均设置有由若干微纳米仿生条纹，微纳米仿生条纹的方向为齿根至齿顶方向，微纳米仿生条纹的高度为100nm～300nm，微纳米仿生条纹的间距为其高度的0.5～2倍。
进一步的是：柔性智能连接模块包括连接螺栓和连接套，连接螺栓连接支撑盘和输出模块，连接套位于第一连接长孔和第二连接长孔内，连接螺栓与连接套之间设置有柔性智能弹性体。
本发明的有益效果是：1、第一外齿轮和第二外齿轮旋转产生的离心力抵消，保证了运转的平稳性，有效提高两个齿轮的转速上限。
2、柔性智能连接模块穿过第一连接长孔和第二连接长孔将支撑盘和输出模块连接，第一外齿轮和第二外齿轮旋转时驱动连接模块旋转，从而驱动输出模块旋转，使得整个减速器结构很简单和紧凑，机械效率高。
3、连接螺栓与连接套之间设置有柔性智能弹性体，该弹性体能够在外界环境温度变化、剧烈振动冲击等极端环境工况下，以应变能的形式储存能量并产生自适应形变，使传动装置在高传动精度范围内具有人体关节功能的自适应变形协调控制能力，从而使得连接套与第一外齿轮和第二外齿轮自适应接触并维持相对稳定的接触压力，获得稳定的输出力矩、刚度、回差、传动精度、低振动等性能，并同时保证可靠性。
4、具有微纳米仿生条纹的微观齿面结构能够显著减小疲劳循环次数，提高疲劳寿命，同时在乏油、重载等极端工况下增强齿面润滑油卷吸储油效应，提高润滑性能，降低摩擦系数。
附图说明
图1是柔性智能精密传动装置结构图；
图2是图1A处放大视图；
图3微纳米仿生条纹示意图；
图中标记为：偏心输入轴1、输入段1-1、第一偏心段1-2、第二偏心段1-3输出连接段1-4、支撑盘2、固定齿轮模块3、内齿轮3-1、第一外齿轮4、第一连接长孔4-1、第二外齿轮5、第二连接长孔5-1、输出模块6、柔性智能连接模块7、柔性智能弹性体7-1、连接套7-2、连接螺栓7-3、滚珠8、微纳米仿生条纹9。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
柔性智能精密传动装置包括偏心输入轴1、支撑盘2、固定齿轮模块3、输出模块6、第一外齿轮4、第二外齿轮5、柔性智能连接模块7；
偏心输入轴1包括轴向依次设置的输入段1-1、第一偏心段1-2、第二偏心段1-3和输出连接段1-4，输入段1-1与输出连接段1-4同轴，第一偏心段1-2和第二偏心段1-3相对于输入段1-1具有偏心，第一偏心段1-2与第二偏心段1-3的偏心距相同且偏心方向相反；
固定齿轮模块3上设置有内齿轮3-1，固定齿轮模块3与输入段1-1同轴设置；
支撑盘2的内孔通过轴承与输入段1-1连接，支撑盘2的外表面通过轴承与固定齿轮模块3连接；
第一外齿轮4上沿径向设置有第一连接长孔4-1，第一外齿轮4通过轴承与第一偏心段1-2连接，第一外齿轮4与内齿轮3-1啮合形成少齿差啮合副；第二外齿轮5上沿径向设置有第二连接长孔5-1，第二外齿轮5通过轴承与第二偏心段1-3连接，第二外齿轮5与内齿轮3-1啮合形成少齿差啮合副；
输出模块6通过轴承与输出连接段1-3连接；
柔性智能连接模块7穿过第一连接长孔4-1和第二连接长孔5-1将支撑盘2和输出模块6连接；
第一外齿轮4、第二外齿轮5和内齿轮3-1的轮齿表面均设置有由若干微纳米仿生条纹9，微纳米仿生条纹9的方向为齿根至齿顶方向，微纳米仿生条纹9的高度为100nm～300nm，微纳米仿生条纹9的间距为其高度的0.5～2倍。
本减速原理如下：驱动装置(例如电动机)带动偏心输入轴1旋转。“第一外齿轮4通过轴承与第一偏心段1-2连接，第一外齿轮4与内齿轮3-1啮合形成少齿差啮合副；第二外齿轮5通过轴承与第二偏心段1-3连接，第二外齿轮5与内齿轮3-1啮合形成少齿差啮合副”，因此第一外齿轮4和第二外齿轮5不与偏心输入轴1同步旋转，只是绕偏心输入轴1公转。第一外齿轮4和第二外齿轮5的轮齿与内齿轮3-1的轮齿依次啮合，内齿轮3-1固定不动，因此内齿轮3-1推动第一外齿轮4和第二外齿轮5自转。第一外齿轮4和第二外齿轮5与内齿轮3-1齿数差越少则第一外齿轮4和第二外齿轮5自转速度越慢。第一外齿轮4和第二外齿轮5旋转并通过柔性智能连接模块7带动支撑盘2和输出模块6旋转完成减速过程。
第一外齿轮4和第二外齿轮5旋转产生的离心力抵消，保证了运转的平稳性，有效提高两个齿轮的转速上限。柔性智能连接模块7穿过第一连接长孔4-1和第二连接长孔5-1将支撑盘2和输出模块6连接，第一外齿轮4和第二外齿轮5旋转时驱动柔性智能连接模块7旋转，从而驱动输出模块6旋转，使得整个减速器结构很简单和紧凑，机械效率高。
具有微纳米仿生条纹的微观齿面结构能够显著减小疲劳循环次数，提高疲劳寿命，同时在乏油、重载等极端工况下增强齿面润滑油卷吸储油效应，提高润滑性能，降低摩擦系数。
柔性智能连接模块7具体结构推荐如下：柔性智能连接模块7包括连接螺栓7-3和连接套7-2，连接螺栓7-3连接支撑盘2和输出模块6，连接套7-2位于第一连接长孔4-1和第二连接长孔5-1内，连接螺栓7-3与连接套7-2之间设置有柔性智能弹性体7-1。连接螺栓7-3与连接套7-2之间设置有柔性智能弹性体7-1，该柔性智能弹性体7-1能够在外界环境温度变化、剧烈振动冲击等极端环境工况下，使得连接套7-2与第一外齿轮4和第二外齿轮5自适应接触并维持相对稳定的接触压力，从而获得稳定的输出力矩、刚度、回差、传动精度、低振动等性能，并同时保证可靠性。
如前所述。各相对旋转处均设置有轴承，即支撑盘2的内孔通过轴承与输入段1-1连接，支撑盘2的外表面通过轴承与固定模块3连接；第一外齿轮4通过轴承与第一偏心段1-2连接，第二外齿轮5通过轴承与第二偏心段1-3连接；输出模块6通过轴承与输出连接段1-3连接。上述轴承可以是传统的滚动轴承，也可以如图1所示由滚珠8和滚珠8两边的零部件上的沟槽形成的与轴承相同的结构，这种方式可以节省空间，有利于减小减速器的体积。

Claims (1)

1.柔性智能精密传动装置，其特征在于：包括偏心输入轴(1)、支撑盘(2)、固定齿轮模块(3)、输出模块(6)、第一外齿轮(4)、第二外齿轮(5)、柔性智能连接模块(7)；
偏心输入轴(1)包括轴向依次设置的输入段(1-1)、第一偏心段(1-2)、第二偏心段(1-3)和输出连接段(1-4)，输入段(1-1)与输出连接段(1-4)同轴，第一偏心段(1-2)和第二偏心段(1-3)相对于输入段(1-1)具有偏心，第一偏心段(1-2)与第二偏心段(1-3)的偏心距相同且偏心方向相反；
固定齿轮模块(3)上设置有内齿轮(3-1)，固定齿轮模块(3)与输入段(1-1)同轴设置；
支撑盘(2)的内孔通过轴承与输入段(1-1)连接，支撑盘(2)的外表面通过轴承与固定齿轮模块(3)连接；
第一外齿轮(4)上沿径向设置有第一连接长孔(4-1)，第一外齿轮(4)通过轴承与第一偏心段(1-2)连接，第一外齿轮(4)与内齿轮(3-1)啮合形成少齿差啮合副；第二外齿轮(5)上沿径向设置有第二连接长孔(5-1)，第二外齿轮(5)通过轴承与第二偏心段(1-3)连接，第二外齿轮(5)与内齿轮(3-1)啮合形成少齿差啮合副；
输出模块(6)通过轴承与输出连接段(1- 4 )连接；
柔性智能连接模块(7)穿过第一连接长孔(4-1)和第二连接长孔(5-1)将支撑盘(2)和输出模块(6)连接；
第一外齿轮(4)、第二外齿轮(5)和内齿轮(3-1)的轮齿表面均设置有由若干微纳米仿生条纹(9)，微纳米仿生条纹(9)的方向为齿根至齿顶方向，微纳米仿生条纹(9)的高度为100nm～300nm，微纳米仿生条纹(9)的间距为其高度的0.5～2倍；
柔性智能连接模块(7)包括连接螺栓(7-3)和连接套(7-2)，连接螺栓(7-3)连接支撑盘(2)和输出模块(6)，连接套(7-2)位于第一连接长孔(4-1)和第二连接长孔(5-1)内，连接螺栓(7-3)与连接套(7-2)之间设置有柔性智能弹性体(7-1)。
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