CN107795662B - 用于谐波减速器的刚轮、谐波减速器以及机器人 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种用于谐波减速器的刚轮、谐波减速器以及机器人。所述谐波减速器包括波发生器(11)、刚轮(12)和柔轮(13)，波发生器设置在柔轮(13)的内周面上，刚轮包括同轴设置的法兰(122)、刚性筒体圆环(123)和柔性筒体圆环(124)，柔性筒体圆环(124)的内周面上设置有第一轮齿(121)，柔轮(13)的外周面上设置有第二轮齿(131)，第一轮齿与第二轮齿啮合。在本公开的谐波减速器中，刚轮除了在布置有轮齿的部分为柔性易变形结构之外，其余部分为刚性结构，与筒体整体为柔性的“刚轮”相比，本公开所采用的刚轮的筒体扭转变形量较小，本公开的谐波减速器的回差只来源于柔轮的筒体扭转变形产生的回差，因此具有较高的传动精度。

Description

用于谐波减速器的刚轮、谐波减速器以及机器人
技术领域
本公开涉及一种谐波减速器，具体地，涉及一种用于谐波减速器的刚轮、谐波减速器以及机器人。
背景技术
谐波齿轮传动是20世纪50年代后期随着航天技术发展出现的一种新型传动，属于少齿差行星齿轮传动。谐波减速器主要由三个基本构件组成：带有内齿圈的刚轮、带有外齿圈的柔轮以及波发生器。作为减速器使用，通常采用波发生器主动(输入)、刚轮固定、柔轮输出的形式，波发生器是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成滚轮，与柔轮的内壁通过柔性轴承相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件，当波发生器装入柔轮后，通过柔性轴承迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成异形曲面，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器相反方向的缓慢旋转。
谐波齿轮传动与一般齿轮传动相比，具有承载能力高、传动比大、体积小、重量轻、精度高、噪音小等优点，并且结构简单、零件数量少、安装简单，可向密闭空间传递运动和动力，因此被广泛用于电子、航空航天、机器人等行业。
虽然谐波减速器具有上述诸多优点，但传统的谐波减速器仍然存在以下缺陷：一、传统谐波减速器的刚轮通常整体较厚，刚性好，不易变形，这就使得只有波发生器长轴处的轮齿处于啮合状态，导致传动精度较低；二、传统谐波减速器的齿轮轮齿采用金属材料制成，为了满足装配和润滑的需求，刚轮轮齿与柔轮轮齿之间留有一定的侧隙，且随着齿轮磨损的加剧，该侧隙逐步增大，造成谐波减速器回差增大，影响谐波齿轮的传动精度和传动平稳性，甚至导致谐波减速器失效。
发明内容
本公开的目的是提供一种传动精度更高的谐波减速器。
为了实现上述目的，本公开提供一种谐波减速器，包括波发生器、刚轮和柔轮，所述波发生器设置在所述柔轮的内周面上，所述刚轮包括同轴设置的法兰、刚性筒体圆环和柔性筒体圆环，所述刚性筒体圆环沿轴向位于所述法兰和柔性筒体圆环之间，所述柔性筒体圆环的内周面上设置有第一轮齿，所述柔轮的外周面上设置有第二轮齿，所述第一轮齿与第二轮齿啮合。
可选地，所述刚性筒体圆环的外径大于所述柔性筒体圆环的外径。
可选地，所述刚性筒体圆环的外径大于所述柔性筒体圆环变形后的最大外径。
可选地，所述刚性筒体圆环和柔性筒体圆环由不同材料制成。
可选地，所述第一轮齿的周节小于所述第二轮齿的周节。
可选地，所述第一轮齿和第二轮齿中的至少一者由工程塑料制成。
可选地，所述工程塑料为POM、PTFE、PEEK或PA。
可选地，所述第一轮齿和第二轮齿均为梯形齿。
所述梯形齿的齿顶高ha＝(0.75～0.85)*m，齿根高hf＝(0.9～1.1)*m，齿形角Φ在20°～30°之间，其中m为所述梯形齿的模数。
可选地，所述第一轮齿具有第一齿顶圆角和第一齿根圆角，所述第二轮齿具有第二齿顶圆角和第二齿根圆角。
在本公开的谐波减速器中，刚轮除了在布置有轮齿的部分为柔性易变形结构之外，其余部分为刚性结构，与筒体整体为柔性的“刚轮”(以下简称“柔性刚轮”)相比，本公开所采用的刚轮的筒体扭转变形量较小，不会像“柔性刚轮”那样在扭转时产生回差，本公开的谐波减速器的回差只来源于柔轮的筒体扭转变形产生的回差，因此具有较高的传动精度。
本公开还提供一种用于谐波减速器的刚轮，该刚轮为如上所述的谐波减速器中的刚轮。
本公开还提供一种机器人，该机器人包括如上所述的谐波减速器。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开的谐波减速器的剖视图；
图2是本公开所使用的梯形齿的截面图；
图3和图4分别是在本公开实施例的柔性筒体圆环变形前和变形后，轮齿的啮合示意图；
图5是图3中A部分的放大图；
图6是图4中B部分的放大图。
附图标记说明
11 波发生器 111 凸轮 112 柔性轴承
12 刚轮 121 第一轮齿 122 法兰
123 刚性筒体圆环 124 柔性筒体圆环 13 柔轮
131 第二轮齿 1211、1311 齿顶圆角 1212、1312 齿根圆角
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
如图1所示，根据本公开的一个方面，提供一种谐波减速器，包括波发生器11、刚轮12和柔轮13。其中，波发生器11包括椭圆形的凸轮111和柔性轴承112，柔性轴承112沿凸轮111的轮廓线设置。刚轮12包括同轴布置的三个部分：法兰122、刚性筒体圆环123和柔性筒体圆环124。刚性筒体圆环123沿刚轮12的轴向位于法兰122和柔性筒体圆环124之间。刚性筒体圆环123设置在法兰122的端面上，用于谐波减速器的安装定位。柔性筒体圆环124设置在刚性筒体圆环123的端面上，柔性筒体圆环124的内周面上设置有第一轮齿121。柔轮13的外周面上的第二轮齿131，第一轮齿121与第二轮齿131相互啮合。柔性轴承112设置在柔轮13的内周面上。
在本公开的谐波减速器中，第一轮齿121的周节比第二轮齿131的周节略小，故在本公开所使用的刚轮12的柔性筒体圆环124处于装配状态时，由于附在其上的第一轮齿121受到柔轮13的第二轮齿131在波发生器11长轴方向上的挤压，使得柔性筒体圆环124随柔轮13一起在波发生器11的长轴方向上向外伸长，而在波发生器11的短轴方向上向内缩短，从而形成一个近似椭圆环的形状(如图4所示)。这就使得不仅椭圆长轴处的轮齿会发生啮合，椭圆短轴与长轴之间的部分轮齿也会发生啮合，使得发生啮合的轮齿数量更多，可承受载荷的齿数也更多，啮合更加充分，传动精度更高。
另外，在本公开的谐波减速器中，刚轮12除了在布置有轮齿的部分为柔性易变形结构之外，其余部分(即，法兰122和刚性筒体圆环123)为刚性结构，与筒体整体为柔性的“刚轮”(以下简称“柔性刚轮”)相比，本公开所采用的刚轮12的筒体扭转变形量较小，不会像“柔性刚轮”那样在扭转时产生回差，本公开的谐波减速器的回差只来源于柔轮13的筒体扭转变形产生的回差，因此具有较高的传动精度。
在本公开所采用的刚轮12中，刚性筒体圆环123用于在安装谐波减速器时起定位作用。具体地，例如在将谐波减速器安装到机器人本体上时，刚性筒体圆环123的外周面与机器人本体上的安装孔的孔壁相配合，以实现谐波减速器的径向定位。因此，在本公开中，刚性筒体圆环123的外径大于柔性筒体圆环124的外径。为了避免对柔性筒体圆环124的变形造成干涉，优选地，刚性筒体圆环123的外径大于柔性筒体圆环124变形后的最大尺寸，也就是说，刚性筒体圆环123的外径大于柔性筒体圆环124变形形成的近似椭圆环的长轴处的外径尺寸。
在本公开的谐波减速器中，刚性筒体圆环123和柔性筒体圆环124可以由相同的材料一体形成，也可以由两种不同的材料分别制成，只要保证二者的刚度不同即可。在刚性筒体圆环123和柔性筒体圆环124由同种材料制成的情况下，如图1所示，柔性筒体圆环124的壁厚可以小于刚性筒体圆环123的壁厚。柔性筒体圆环124的壁厚较薄，易在径向上变形；刚性筒体圆环123的壁厚较厚，保证其无扭转变形。
在本公开中，第一轮齿121和第二轮齿131中的至少一者可以由带有自润滑性能的工程塑料制成，从而使得无需在第一轮齿121和第二轮齿131之间留出侧隙以满足润滑要求，提高谐波减速器的传动精度和传动平稳性。优选地，第一轮齿121和第二轮齿131可以均由工程塑料制成。所述工程塑料可以为聚甲醛(POM)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)或聚酰胺(PA)。
如图2所示，在本公开的优选实施方式中，第一轮齿121和第二轮齿131均为梯形齿。如图3至图6所示，由于第一轮齿121的周节比第二轮齿131的周节略小，故在附有第一轮齿121的柔性筒体圆环124未变形时，理论上第一轮齿121和第二轮齿131存在干涉(如图5所示)，但本公开中，刚轮12的柔性筒体圆环124是可变形的，当第一轮齿121受到第二轮齿131的挤压时，柔性筒体圆环124由圆形变为近似椭圆形(如图4所示)，使得第一轮齿121和第二轮齿131处于零侧隙啮合状态(如图6所示)。由于柔性筒体圆环124的初始状态为圆环，故时刻具有回弹力使其回到圆环的趋势，因此在第一轮齿121或第二轮齿131发生磨损时，柔性筒体圆环124回弹，使得其上的第一轮齿121时刻与第二轮齿131贴合。而在上述优选实施方式中，第一轮齿121和第二轮齿131均采用相同的、从顶部到根部逐渐扩大的等腰梯形截面，使得第一轮齿121和第二轮齿131形成双侧啮合，柔性筒体圆环124的回弹力可以保证轮齿齿间侧隙时刻为零，从而进一步减小谐波减速器的回差，提高传动精度。
在本公开中，如图2所示，所述梯形齿的齿顶高ha＝(0.75～0.85)*m，齿根高hf＝(0.9～1.1)*m，齿形角Φ在20°～30°之间，其中，m为所述梯形齿的模数。齿顶高ha为分度圆d到齿顶圆之间的径向距离，齿根高hf到齿根圆之间的径向距离。采用在上述参数范围内的梯形齿作为第一轮齿121和第二轮齿131，能够更好地减小齿间侧隙。
如图2所示，优选地，第一轮齿121具有第一齿顶圆角1211和第一齿根圆角1212，第二轮齿131具有第二齿顶圆角1311和第二齿根圆角1312。第一齿顶圆角1211和第二齿顶圆角1311可以保证轮齿在啮入和啮出时顺畅；第一齿根圆角1212和第二齿根圆角1312可以改善轮齿所受的应力状况，减小应力集中。
综上所述，本公开的刚轮12的分布有轮齿的筒体圆环124为柔性可变形的，结合梯形轮齿的特点，可以保证轮齿磨损后也能时刻使轮齿齿间侧隙为零，刚轮12的用于安装定位的刚性筒体圆环123又具有足够的刚度，不会出现像“柔性刚轮”那样在扭转时产生回差。与现有技术相比，本公开的谐波减速器可以自动调节齿间侧隙，并时刻保证齿间侧隙为零，从而减小谐波减速器的回差，提高传动精度。
根据本公开的另一方面，提供一种用于谐波减速器的刚轮，该刚轮为如上所述的谐波减速器中的刚轮12。
根据本公开的另一方面，提供一种机器人，该机器人采用如上所述的谐波减速器。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (9)

1.一种谐波减速器，包括波发生器(11)、刚轮(12)和柔轮(13)，所述波发生器(11)设置在所述柔轮(13)的内周面上，其特征在于，所述刚轮(12)包括同轴设置的法兰(122)、刚性筒体圆环(123)和柔性筒体圆环(124)，所述刚性筒体圆环(123)沿轴向位于所述法兰(122)和柔性筒体圆环(124)之间，所述柔性筒体圆环(124)的内周面上设置有第一轮齿(121)，所述柔轮(13)的外周面上设置有第二轮齿(131)，所述第一轮齿(121)与第二轮齿(131)啮合，所述第一轮齿(121)的周节小于所述第二轮齿(131)的周节，所述刚性筒体圆环(123)的外径大于所述柔性筒体圆环(124)的外径且两者由不同的材料制成。
2.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述刚性筒体圆环(123)的外径大于所述柔性筒体圆环(124)变形后的最大外径。
3.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述第一轮齿(121)和第二轮齿(131)中的至少一者由工程塑料制成。
4.根据权利要求3所述的谐波减速器，其特征在于，所述工程塑料为POM、PTFE、PEEK或PA。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的谐波减速器，其特征在于，所述第一轮齿(121)和第二轮齿(131)均为梯形齿。
6.根据权利要求5所述的谐波减速器，其特征在于，所述梯形齿的齿顶高ha＝(0.75～0.85)*m，齿根高hf＝(0.9～1.1)*m，齿形角Φ在20°～30°之间，其中m为所述梯形齿的模数。
7.根据权利要求5所述的谐波减速器，其特征在于，所述第一轮齿(121)具有第一齿顶圆角(1211)和第一齿根圆角(1212)，所述第二轮齿(131)具有第二齿顶圆角(1311)和第二齿根圆角(1312)。
8.一种用于谐波减速器的刚轮，其特征在于，该刚轮为根据权利要求1-7中任意一项所述的谐波减速器中的刚轮。
9.一种机器人，其特征在于，包括权利要求1-7中任意一项所述的谐波减速器。
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