CN110131380B - 谐波减速器、机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种谐波减速器、机器人。其中一种谐波减速器，包括凸轮，凸轮的外缘套装有柔性轴承，凸轮的横断面呈椭圆，椭圆具有长轴，长轴的两端分别对应第一啮合区域及第二啮合区域，第一啮合区域的凸轮的外缘型线由极坐标方程定义，和/或，第二啮合区域的凸轮的外缘型线由极坐标方程定义，其中d为柔性轴承的内孔直径，ω0为变形量系数，δ为变形增量，δ在第一啮合区域和/或第二啮合区域的相应位置大于0。根据本发明的一种谐波减速器、机器人，采用具有增量的极坐标方程定义凸轮型线，使柔轮与刚轮的啮合齿数增加，减小了柔轮啮合齿处的啮合应力。
Description
技术领域
本发明属于机器人制造技术领域，具体涉及一种谐波减速器、机器人。
背景技术
谐波减速器主要由刚轮、柔轮和波发生器组成，柔轮在波发生器的作用下产生弹性变形，并与刚轮互相作用，由于柔轮与刚轮在齿数上差别，从而实现谐波减速器的减速传动功能。波发生器由凸轮和柔性轴承组成，而柔性轴承只是减少凸轮和柔轮相对运动的摩擦，使滑动摩擦变成滚动摩擦，所以，最终决定柔轮变形形状的是凸轮形状也即凸轮外缘型线。
关于凸轮外缘型线，此前的研究工作者曾提出了按规律的变形形状、按椭圆的变形形状、由渐开线段构成的变形形状；按集中力系作用下发生变形的圆环形状等。
余弦凸轮，即变形量为的凸轮，余弦凸轮型线由以下的极坐标方程定义：
其中，d为柔性轴承的内孔直径，ω0为变形量系数。
上述的余弦凸轮型线的特点，在于能使柔轮最大径向变形量和最小变形量相等，但柔轮与刚轮啮合齿的对数较少，柔轮啮合应力较大，从而会影响谐波减速器的承载能力，缩短谐波减速器的使用寿命。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种谐波减速器、机器人，采用具有增量的极坐标方程定义凸轮型线，使柔轮与刚轮的啮合齿数增加，减小了柔轮啮合齿处的啮合应力。
为了解决上述问题，本发明提供一种谐波减速器，包括凸轮，所述凸轮的外缘套装有柔性轴承，所述凸轮的横断面呈椭圆，所述椭圆具有长轴，所述长轴的两端分别对应第一啮合区域及第二啮合区域，所述第一啮合区域的所述凸轮的外缘型线由极坐标方程定义，和/或，所述第二啮合区域的所述凸轮的外缘型线由极坐标方程/>定义，其中d为所述柔性轴承的内孔直径，ω0为变形量系数，δ为变形增量，δ在所述第一啮合区域和/或所述第二啮合区域的相应位置大于0。
优选地，所述椭圆具有与所述长轴正交的短轴，建立极坐标系Ox，使所述长轴与x轴重合，所述长轴与所述短轴的交点与极点O重合，所述第一啮合区域中的取值范围为[-π/4，π/4]，和/或，所述第二啮合区域中/>的取值范围为[3π/4，5π/4]。
优选地，所述ν为增量修正系数；
优选地，v的取值范围为[0.001，0.125]。
优选地，所述凸轮的外缘型线由极坐标方程其中/>的取值范围为[0，2π]。
优选地，所述柔性轴承与所述凸轮之间过盈配合连接。
优选地，所述谐波减速器还包括柔轮，所述柔轮套装于所述柔性轴承的外侧，所述柔轮与所述柔性轴承之间过渡配合连接。
本发明还提供一种机器人，包括上述的谐波减速器。
本发明提供的一种谐波减速器、机器人，针对性的将所述凸轮所对应于所述第一啮合区域的外缘型线或者对应于所述第二啮合区域的外缘型线的极坐标方程中在现有的余弦凸轮型线的基础上增加一个大于0的增量，也即，在一定程度上使所述第一啮合区域或者第二啮合区域处的凸轮的长轴变长，凸轮外缘型线更加饱满，进而使柔轮与刚轮的啮合深度增大、能够啮合的齿的数量增大，这无疑能够分散齿啮合应力，进而能够提升所述谐波减速器的承载能力，延长其使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例的谐波减速器的结构示意图；
图2为采用本发明的凸轮与现有技术中的传统余弦凸轮时柔轮与刚轮啮合处的状态示意图。
附图标记表示为：
1、凸轮；2、柔性轴承；3、柔轮；4、刚轮；3’、传统余弦凸轮时的匹配柔轮。
具体实施方式
结合参见图1至图2所示，根据本发明的实施例，提供一种谐波减速器，包括凸轮1，所述凸轮1的外缘套装有柔性轴承2，还包括柔轮3，所述柔轮3套装于所述柔性轴承2的外侧，所述柔轮3与所述柔性轴承2之间过渡配合连接，所述柔轮3的外侧还设置有刚轮4，所述刚轮4与所述柔轮3相对一侧均设有多个齿，所述多个齿部分的啮合，以实现由所述凸轮1输出的动力传动至所述刚轮4并最终通过所述刚轮4传递至控制对象，所述凸轮1的横断面呈椭圆，所述椭圆具有长轴，所述长轴的两端分别对应第一啮合区域及第二啮合区域，可以理解的是，所述椭圆具有短轴，所述短轴的两端分别对应第三区域及第四区域，所述第一啮合区域、第三区域、第三啮合区域、第四区域顺次处于所述刚轮4与柔轮3有齿一侧，可以认为是构成了所述刚轮4的内孔周面或者所述柔轮3的外缘周侧，进一步地，所述刚轮4与所述柔轮3在所述第一啮合区域或者第二啮合区域实现齿啮合，而在所述第三区域、第四区域则不存在齿啮合，也即所述第一啮合区域与所述第二啮合区域构成了所述谐波减速器的工作区间区域，所述第一啮合区域的所述凸轮1的外缘型线由极坐标方程
定义，和/或，所述第二啮合区域的所述凸轮1的外缘型线由极坐标方程/>定义，其中d为所述柔性轴承2的内孔直径，ω0为变形量系数，δ为变形增量，δ在所述第一啮合区域和/或所述第二啮合区域的相应位置大于0。该技术方案中，针对性的将所述凸轮1所对应于所述第一啮合区域的外缘型线或者对应于所述第二啮合区域的外缘型线的极坐标方程中在现有的余弦凸轮型线的基础上增加一个大于0的增量，也即，在一定程度上使所述第一啮合区域或者第二啮合区域处的凸轮1的长轴变长，凸轮外缘型线更加饱满，进而使柔轮3与刚轮4的啮合深度增大、能够啮合的齿的数量增大，这无疑能够分散齿啮合应力，进而能够提升所述谐波减速器的承载能力，延长其使用寿命。
为了使本发明的技术方案更加清楚明确，所述椭圆具有与所述长轴正交的短轴，建立极坐标系Ox，使所述长轴与x轴重合，所述长轴与所述短轴的交点与极点O重合，所述第一啮合区域中的取值范围为[-π/4，π/4]，和/或，所述第二啮合区域中/>的取值范围为[3π/4，5π/4]，此处通过/>的取值对所述第一啮合区域及第二啮合区域进行了明确划分，能够指导现场对所述凸轮外缘型线的加工。
进一步地，所述ν为增量修正系数，也即此时的所述凸轮的外缘型线由极坐标方程/> 定义，v的取值范围为[0.001，0.125]。
当然，为了方便对所述凸轮1的外缘型线的加工，优选地，所述凸轮1的外缘型线由极坐标方程其中/>的取值范围为[0，2π]，也即，采用此处单一极坐标方程对所述凸轮1的外缘型线定义加工即可，防止前述的分段式外缘型线方程所带来的加工型线繁琐的问题。
所述柔性轴承2与所述凸轮1之间过盈配合连接使所述凸轮1与柔性轴承2的相对位置更加可靠稳定，防止两者之间的相对位置变动对所述谐波减速器造成不利影响。
图2中给出了采用本发明的凸轮型线与采用现有技术中传统的余弦凸轮型线使相应的柔轮与刚轮的啮合深度，具体的，图2中采用本发明的凸轮型线在第一啮合区域(或者第二啮合区域，两者对称存在)处刚轮4与柔轮3的啮合深度大于采用现有技术中的余弦凸轮型线在第一啮合区域处刚轮4与柔轮3’的啮合深度。而为了验证采用本发明技术方案的柔轮3与刚轮4之间齿接触应力的变化情况，发明人对相应的现有采用余弦凸轮型线的减速器与本发明的减速器采用仿真软件进行建模仿真，结果显示，采用现有余弦凸轮型线的减速器，其柔轮齿应力均值为195MPa，柔轮齿应力峰值为328MPa，而采用本发明的外缘型线凸轮的减速器，其柔轮齿应力均值为108MPa，柔轮齿应力峰值为248MPa，可见，采用本发明的技术方案能够有效降低柔轮齿应力，也即能够降低柔轮与刚轮的齿啮合应力，提升所述谐波减速器的承载能力。当然，前述建模以所述凸轮的外缘型线由极坐标方程v的取值范围为[0.001，0.125]且/>的取值范围为[0，2π]为输入参数进行的建模。
根据本发明的实施例，还提供一种机器人，包括上述的谐波减速器，具体的，所述谐波减速器被设置在所述机器人的活动关节处。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种谐波减速器，包括凸轮(1)，所述凸轮(1)的外缘套装有柔性轴承(2)，其特征在于，所述凸轮(1)的横断面呈椭圆，所述椭圆具有长轴，所述长轴的两端分别对应第一啮合区域及第二啮合区域，所述第一啮合区域的所述凸轮(1)的外缘型线由极坐标方程ρ＝0.5d+ω0cos(2φ)+δ定义，和/或，所述第二啮合区域的所述凸轮(1)的外缘型线由极坐标方程ρ＝0.5d+ω0cos(2φ)+δ定义，其中d为所述柔性轴承(2)的内孔直径，ω0为变形量系数，δ为变形增量，δ在所述第一啮合区域和/或所述第二啮合区域的相应位置大于0；所述椭圆具有与所述长轴正交的短轴，建立极坐标系Ox，使所述长轴与x轴重合，所述长轴与所述短轴的交点与极点O重合，所述第一啮合区域中φ的取值范围为[-π/4，π/4]，和/或，所述第二啮合区域中φ的取值范围为[3π/4，5π/4]；所述δ＝ω0νsin2(4φ)，0≤φ≤2π，ν为增量修正系数。
2.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，v的取值范围为[0.001，0.125]。
3.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述凸轮(1)的外缘型线由极坐标方程ρ＝0.5d+ω0cos(2φ)+δ，其中φ的取值范围为[0，2π]。
4.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述柔性轴承(2)与所述凸轮(1)之间过盈配合连接。
5.根据权利要求4所述的谐波减速器，其特征在于，还包括柔轮(3)，所述柔轮(3)套装于所述柔性轴承(2)的外侧，所述柔轮(3)与所述柔性轴承(2)之间过渡配合连接。
6.一种机器人，包括谐波减速器，其特征在于，所述谐波减速器为权利要求1至5中任一项所述的谐波减速器。
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