CN108843748A - 机器人消隙齿轮减速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人减速器技术领域，一种机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：包括圆壳体及一级与二级减速部件，一级减速部件包括输入轴、太阳轮及行星轮，保证偏心轴转速≤950rpm，二级减速部件包括2～3只均布的偏心轴、第一、第二外齿轮、内齿圈及左、右刚性盘，外齿轮与内齿圈间的径向间隙Δj＝0.5δ+0.005～0.02(mm)，偏心轴的两偏心段相位差等于179.81°～179.934°、二外齿轮上两组共六圆孔设在同一圆周上间隔均布，第一轴承为龙氏合金滑动轴承，第三轴承10为薄壁密封四点接触球轴承或交叉滚子轴承。有益效果：(1)结构简单，加工方便；(2)具有良好的润滑状态；(3)具有良好的动态性能；(4)正、转时，能实现回差≤1～3弧分。

Description

机器人消隙齿轮减速器

【技术领域】

本发明涉及机器人减速器技术领域，尤其涉及一种基于“消隙齿轮”原理、工艺性好及回差≤1～3弧分的机器人消隙齿轮减速器。

【背景技术】

朱孝录教授《齿轮传动设计手册》说：“RV减速器中针齿销半径误差、针齿销孔周向位置误差及……等对回差影响最大。”(839页)

背景技术存在下述三个问题：

(一)第二级减速部件‘摆线-针轮’要求很高精度，制造很困难：

(1)‘摆线-针轮’要求很高精度：

(1-1)《863》RV-250A II减速器样机要求：针销中心圆半径误差±0.0025(mm)、针销半径误差-0.0087～-0.0075(mm)(偏差0.0012mm)、针销与半埋孔配合间隙0.012(mm)、针齿销孔圆周位置度误差±0.005(mm)；

(1-2)南京工程学院、南京康尼机电公司《RV减速器回差分析与实验测试研究》要求：针销半径误差0.003(mm)、针销孔配合间隙0.003(mm)、针销孔圆周位置度误差0.005(mm)；

(1-3)南通振康总设计师说的：“RV减速机精度达到1μm不难，难的是旋转任意位置都能达到1μm，…”(中国机器人网2017-10-30日专访)

(2)‘摆线-针轮’制造很困难：

(2-1)‘大连交大-秦川机床’联合体在《863》RV-250A II减速器研制总结中，吴永宽、何卫东、李力行三博士导师及教授级高工方荣说：“RV减速机针齿壳半埋孔是一组半径尺寸很小而精度要求很高的半圆孔，这种长径比大的高精度小半圆孔的加工工艺在常规生产条件下会有很大难度，样机试制中采用了坐标镗削的方法，为了解决半圆孔镗削中刀杆因受力不均易变形的问题，专创了一套工装，在针齿壳零件大圆孔内配套一心胎，使之半圆孔的加工变成整圆孔的镗削，…”(《RV减速机运动精度误差因素及高运动精度工艺保证》)

(2-2)《RV减速器制造工艺方法》ZL01103799.3：“针齿壳加工难点是半埋孔，RV250AII 样机40-Φ10H7要求相邻孔距小于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磨齿机上增加一小磨头磨削半圆孔。”

(2-3)宁波中大力德传动公司《一种摆线减速器针齿壳的内齿加工方法》201210135793.9：“沿环形的针齿壳坯体的内缘首先加工出一圈均匀分布的圆孔；将环形的针齿壳坯体的内缘切除一圈，将已经加工出的圆孔的一半切除从而在环形的针齿壳坯体的内圆形成齿形。”

(二)第二级‘摆线-针轮’减速部件结构问题：

(1)针轮同摆线轮的理论廓线不是一对共轭曲线；针销与摆线轮系凸-凸啮合，当量半径大，因而接触应力大，承载能力受影响；

(2)针销与针齿壳半埋孔润滑不良且为滑动摩擦，因而易使半埋孔磨损，导致回差加大；

(3)针轮结构复杂，容易积累误差，难以获得较高精度。

(三)第二级‘摆线-针轮’中的摆线轮修形径隙、侧隙过小，如：

(1)《国家863高端之RV-250A II型》样机：Rz＝114.5、e＝2.2：Δrz＝-0.004、ΔRz＝-0.008，回差＝0.0896′，径向间隙Δ＝0.004(mm)，侧隙Δc＝0.0015(mm)

(2)郑州机械研究所《机器人用精密摆线传动啮合特性及回程间隙分析》：Rz＝64、e＝1.3、Za＝39；ΔRz＝-0.02、Δrz＝-0.01，回差＝0.225′，径隙Δ＝0.01(mm)、侧隙Δc＝0.0021(mm)

(3)同济大学《机器人用高精度RV减速器轮齿间隙研究》：RV-40E：Rz＝64、e＝1.30、Za＝39；ΔRz＝-0.008、Δrz＝-0.002，径隙Δ＝0.006(mm)，侧隙ΔC＝0.003(mm)

“国内RV减速器脂润滑散热条件不好，运转中各种状况都和热密切相关。要考虑温度的影响，以免因温度过高膨胀卡死。摆线轮是热量的主要来源。”(《RV减速器热-结构耦合分析》)

由于以上问题，使国内RV减速器的研制至今未能成功。2016.03.21日，国家三部委109号通知：‘我国至今仍然依靠进口’，通知说：‘要求2020年能达到国外水平’。

【发明内容】

本发明系根据《消隙齿轮》原理作出的创新，一种机器人消隙齿轮减速器。

《消隙齿轮》具有很高静态和动态精度特性，应用于卫星、导弹等载体时，其回差≈0，比 RV减速机1弧分要小很多。《消隙齿轮》不依赖高精度，因而成本低。

【技术方案】为解决上述问题所采用的具体技术方案如下：

一级减速部件包括输入轴、太阳轮及行星轮，一级减速保证偏心轴转速≤950rpm：

二级减速部件包括偏心轴、二外齿轮、内齿圈及左、右刚性盘，偏心轴包括两偏心段，偏心段上设有支承外齿轮的第一轴承，偏心段两侧用第二轴承分别支承在左、右刚性盘周边孔中，左、右刚性盘用第三轴承分别支承在圆壳体两侧内孔，输入轴用第四轴承分别支承在左、右刚性盘中心孔；所述左刚性盘上均布三圆柱凸缘，三圆柱凸缘穿过二外齿轮上第一组等直径三圆孔与右刚性盘内侧止口紧配合、二者连接成刚性体，二外齿轮上另有第二组等直径三圆孔用以装置第一轴承，两组共六圆孔设在同一圆周上间隔均布。

外齿轮与内齿圈间隙等于外齿轮热膨胀量一半加補偿量，运转时不会发热卡死。

所述偏心轴两偏心段相位差等于179.81°～179.938°，因此，第一轴承支承的二外齿轮之间形成的相位差等于179.81°～179.938°，此时，第一外齿轮轮齿与内齿圈上半区内齿顺时针(或逆时针)一侧靠紧，而第二外齿轮轮齿与内齿圈下半区内齿逆时针(或顺时针)一侧靠紧，根据消隙齿轮原理，从而实现正、反转时回差≤1～3′。

所述偏心轴两偏心段相位差等于179.82°～179.936°，因此，第一轴承支承的第一、第二外齿轮之间的相位差等于179.82°～179.936°，正、反转时，回差≤1～3弧分。

所述偏心轴两偏心段相位差等于179.83°～179.934°。因此，第一轴承支承的第一、第二外齿轮之间的相位差等于179.83°～179.934°，正、反转时，回差≤1～3弧分。

所述第三轴承为薄壁密封四点接触球轴承，承载力大，可同时承受径向与轴向负荷。

所述第三轴承为薄壁密封交叉滚子轴承，承载力大，可同时承受径向与轴向负荷。

所述第一轴承为龙氏合金滑动轴承，龙氏合金具有自润滑性能，适用于中低速重载场合。

【有益效果】

(1)内齿圈取代对回差影响最大的、制造难度大、数量众多的针销而简化了结构；

(2)径向间隙依据外齿轮膨胀量，运转时不会因发热，使之具有良好的动态性能；

(3)国产机床，常规制造精度，成本最低；实现正、转时回差≤1～3弧分。

(4)渐开线少齿差传动质量轻，运转平稳，拆装方便，制造工艺简单。

【附图说明】

图1为本发明实施例的结构示意图。

【具体实施方式】

一种机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：包括圆壳体11及置于壳体中的一级减速部件与二级减速部件，圆壳体作为机体是因为圆形壳体轻量化程度、工艺性能最佳，其中：

一级减速部件包括输入轴12、太阳轮4及行星轮7，所述连接行星轮7与二级减速部件偏心轴8轴伸端，一级减速后，偏心轴8转速应≤950rpm，目的使传动更平稳；

二级减速部件包括2～3只均布的偏心轴8、第一、第二外齿轮13A、13B、内齿圈及左、右刚性盘1、6，所述偏心轴8包括两偏心段，偏心段上设有支承外齿轮的第一轴承5，偏心段两侧用第二轴承9分别支承在左、右刚性盘1、6周边孔中，左、右刚性盘用第三轴承10 分别支承在圆壳体11两侧内孔，输入轴12用第四轴承3分别支承在左、右刚性盘中心孔，所述左刚性盘1上均布三圆柱凸缘2，三圆柱凸缘2穿过等一、第二外齿轮13A、13B上第一组等直径三圆孔与右刚性盘6内侧止口紧配合、二者连接成刚性体，二外齿轮上另有第二组等直径三圆孔用以装置轴承5，两组共六圆孔设在同一圆周上间隔均布，外齿轮上菱形孔改圆孔的技术效果是：热处理时不易开裂、变形小；圆柱凸缘比之菱形凸缘工艺简单、成本低。

所述第一、第二摆线轮13A、13B与内齿圈之间的径向间隙Δj(mm)应等于外齿轮热膨胀量δ(mm)的一半加上補偿量，即：Δj＝0.5δ+0.005～0.02(mm)，北方工业大学论文《RV减速器热-结构耦合分析》指出：“国内对RV减速器热-结构耦合方面研究较少，而减速器用的是脂润滑，散热条件不好，运转中各种状况都和热密切相关。要考虑温度对零件体积的影响，以免因温度过高膨胀卡死。摆线轮是热量的主要来源。”

径向间隙依据膨胀量而定，运转时不会发热卡死，使之具有良好动态性能，使用寿命长。

所述机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：所述偏心轴8的两偏心段相位差等于179.81°～179.938°，因此，第一轴承5支承的第一、第二外齿轮13A、13B之间形成的相位差等于179.81°～179.938°，此时，第一外齿轮A轮齿与内齿圈上半区内齿顺时针(或逆时针)一侧靠紧，而第二外齿轮B轮齿与内齿圈下半区内齿逆时针(或顺时针)一侧靠紧，根据消隙齿轮原理，从而实现正、反转时回差≤1～3弧分。

所述机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：所述偏心轴8两偏心段相位差等于179.82°～179.936°，因此，第一轴承5支承的第一、第二外齿轮13A、13B之间的相位差等于179.82°～179.936°，根据消隙齿轮原理，从而正、反转时回差≤1～3弧分。

所述的机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：所述偏心轴8两偏心段相位差等于179.83°～179.934°。因此，第一轴承5支承的第一、第二外齿轮13A、13B之间的相位差等于179.83°～179.934°，根据消隙齿轮原理，从而正、反转时回差≤1～3弧分。

所述机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：所述第三轴承10为薄壁密封四点接触球轴承：能承受径向载荷、双向推力载荷和倾覆力矩，能简化主机结构；调整游隙非常方便。

所述机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：所述第三轴承10为薄壁密封交叉滚子轴承，由于滚子与滚道为线接触，其载荷容量是球轴承额定载荷的5～15倍，因此可靠性高，寿命较长；交叉滚子轴承可以采用零游隙或负游隙，即施加预载，能有效提高刚度和旋转精度。

为什么要采用带密封的轴承昵？因为：

“轴承早期失效往往不是材质引起的疲劳破坏，而是污染物进入轴承内部后润滑脂质逐渐变坏，在滚动接触面上产生压痕所致。”(《密封深沟球轴承的密封技术》轴承2009.05)

“结构紧凑时，最好使用装有两面密封的向心球轴承。装有两面密封圈的向心球轴承已装入足够轴承整个使用期限的润滑脂。”(埃斯曼《滚动轴承设设计与应用手册》221页)

“润滑不良是引起轴承早期破坏的主要原因”(刘泽九《滚动轴承应用手册》891页)

所述机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：所述第一轴承5为龙氏合金滑动轴承，龙氏合金(LONG-S metal)，系我国引进的先进技术，在机床、轧钢、矿山、起重及船舶等得到广泛应用，替代了青铜、黄铜、巴氏合金等各种减摩合金铸件。其优点：铸造性能好，铸件致密，摩擦因数小，表面粗糙度可达1.6；比铜轻40％，成本低40％；寿命为锡青铜2～3倍，具有自润滑性能及减震功能，适用于中低速重载场合。滑动轴承工艺简单，更换极方便。

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 (7)

1.一种机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：

包括圆壳体(11)及置于壳体中的一级减速部件与二级减速部件，其中：

(I)一级减速部件包括输入轴(12)、太阳轮(4)及行星轮(7)，所述行星轮(7)连接二级减速部件偏心轴(8)轴伸端，使一级减速后偏心轴(8)转速≤950rpm；

(II)二级减速部件包括2～3只均布的偏心轴(8)、第一、第二外齿轮(13A、13B)、内齿圈及左、右刚性盘(1、6)，所述偏心轴(8)包括两偏心段，偏心段上设有支承外齿轮的第一轴承(5)，偏心段两侧用第二轴承(9)分别支承在左、右刚性盘周边孔中，左、右刚性盘用第三轴承(10)分别支承在圆壳体(11)两侧内孔，所述输入轴(12)用第四轴承(3)分别支承在左、右刚性盘中心孔，所述左刚性盘(1)上均布三圆柱凸缘(2)，三圆柱凸缘(2)穿过第一、第二轮(13A、13B)上第一组等直径三圆孔与右刚性盘(6)内侧止口紧配合、二者连接成一刚性体，二外齿轮上另有第二组等直径三圆孔用以装置第一轴承(5)，两组共六圆孔设在同一圆周上、间隔均布；

(III)所述第一、第二外齿轮(13A、13B)与内齿圈之间的径向间隙Δj(mm)等于外齿轮热膨胀量δ(mm)的一半加上補偿量，即：Δj＝0.5δ+0.005～0.02(mm)。

2.根据权利要求1所述机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：所述偏心轴(8)两偏心段的相位差等于179.81°～179.938°，因而第一轴承(5)支承的第一外齿轮(13A)与第二外齿轮(13B)之间的相位差也等于179.81°～179.938°，此时，第一外齿轮(13A)轮齿与内齿圈上半区内齿顺时针(或逆时针)一侧靠紧，而第二外齿轮(13B)轮齿与内齿圈内下半区内齿逆时针(或顺时针)一侧靠紧，实现正、反转时回差≤1～3′。

3.根据权利要求2所述机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：所述偏心轴(8)两偏心段相位差等于179.82°～179.936°，因而第一轴承(5)支承的第一外齿轮(13A)与第二外齿轮(13B)之间的相位差也等于179.82°～179.936°。

4.根据权利要求3所述的机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：所述偏心轴(8)两偏心段相位差等于179.83°～179.934°，因而第一轴承(5)支承的第一外齿轮(13A)与第二外齿轮(13B)之间的相位差也等于179.83°～179.934°。

5.根据权利要求2或3或4所述机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：所述第三轴承(10)为薄壁密封四点接触球轴承。

6.根据权利要求2或3或4所述机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：所述第三轴承(10)为薄壁密封交叉滚子轴承。

7.根据权利要求5或6所述机器人消隙齿轮减速器，其特征在于：所述第一轴承(5)为龙氏合金滑动轴承。