CN110762181A - 一种谐波减速器波发生器用非椭圆曲线凸轮及其加工和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种谐波减速器波发生器用非椭圆曲线凸轮及其加工和检测方法，凸轮曲线的长轴和短轴与标准椭圆的长、短轴比例一致，凸轮曲线的长轴和短轴将曲线分成0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°四段曲线，四段曲线的曲率相对于标准椭圆的曲率，其曲线外移，且四段曲线相对于凸轮曲线的长、短轴互相对称，且所述凸轮曲线保证谐波减速器的柔轮和刚轮在啮合时无干涉。加工时，先确定凸轮曲线，再采集凸轮曲线的加工点，最后装入设备进行加工。本发明的非椭圆曲线凸轮，增加了柔轮和刚轮之间啮合的齿数，提高了谐波减速器的精度及承载能力。加工方法可以满足此凸轮的加工，且加工简单、方便。

Description

一种谐波减速器波发生器用非椭圆曲线凸轮及其加工和检测 方法

技术领域

本发明涉及一种谐波减速器波发生器用非椭圆曲线凸轮及其加工和检测方法，属于机械加工、谐波减速器技术领域。

背景技术

谐波减速器是一种利用柔性组件产生弹性变形来传递动力的减速机构。谐波减速器主要由三大部分组成：具有外齿的柔轮、具有内齿的刚轮和具有长短轴的波发生器，波发生器装于柔轮内孔中，柔轮在波发生器的作用下变形形成具有长短轴的椭圆，柔轮同轴装在刚轮内，变形后的柔轮长轴区域与刚轮内齿啮合，短轴区域则与刚轮内齿脱开；工作时，波发生器连续转动，迫使柔轮产生连续的弹性变形，使柔轮齿的啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态，这种现象称之错齿运动。正是这一错齿运动，作为减速器便可将输入的高速转动变为输出的低速转动。由于谐波减速器特定的结构，其可在体积很小的情况下获得较大的减速比，此外由于在工作时谐波减速器参与啮合的齿数多，单位面积的负载小，使得其承载能力较其它传动高，且还具有体积小、重量轻、传动效率高、传动平稳、无冲击等优点。因此广泛应用于航空航天、医疗机械、机器人等精密传动领域，尤其随着科技的不断发展，机器人的应用越来越广泛，人们对谐波减速器的设计、制作也越来越重视。

波发生器是使柔轮变形产生变形波的构件，是谐波减速器传动的重要元件之一，它决定了柔轮啮合的特征曲线。它的结构形式不仅决定了柔轮构件的受力状态，还决定了柔轮的啮合特性。

波发生器的凸轮有多种形式，目前常用的是标准椭圆凸轮，其优点是结构简单，加工方便。但随着人们对谐波减速器精度及承载能力的要求不断提高，而标准椭圆凸轮的长、短轴比例及曲率固定，使柔轮与刚轮啮合时的齿数也为定值，因此其性能无法提高，难以满足更高的要求。而如果采用非椭圆曲线作为凸轮的外轮廓线，则存在线条之间可能存在干扰的情况，且由于是非标准的曲线，加工复杂，难度大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种谐波减速器波发生器用非椭圆曲线凸轮及其加工和检测方法，本发明的非椭圆曲线凸轮，增加了柔轮和刚轮之间啮合的齿数，提高了谐波减速器的精度及承载能力。本发明的加工方法可以满足非椭圆曲线凸轮的加工，且加工方法简单、方便。使用本发明的检测方法可验证凸轮的加工效果，确定该加工方法是否可靠。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种谐波减速器波发生器用非椭圆曲线凸轮，凸轮曲线的长轴和短轴与标准椭圆的长、短轴一致，凸轮曲线的长轴和短轴将曲线分成0°～90°、90°～180°、180°～ 270°、270°～360°四段曲线，四段曲线的曲率相对于标准椭圆的曲率，其曲线外移，且四段曲线相对于凸轮曲线的长、短轴互相对称，且所述凸轮曲线保证谐波减速器的柔轮和刚轮在啮合时无干涉。

对本技术方案的进一步改进是：

所述凸轮曲线与标准椭圆曲线之间相差的距离根据柔轮齿形和刚轮齿形，以及柔轮和刚轮的啮合齿数来确定。

一种谐波减速器波发生器用非椭圆曲线凸轮的加工方法，：包括以下步骤，

S1、确定凸轮曲线：根据权利要求1所述的非椭圆曲线凸轮，设计具体的凸轮曲线，再通过软件进行修整后，保证谐波减速器的柔轮和刚轮在啮合时无干涉；

S2、凸轮曲线加工点的采集：通过软件确定所述S1中的凸轮曲线上的点的三维直角坐标值，再将点的三维直角坐标值转换为极坐标值，将点的极坐标值导入加工设备中，导入的点的极坐标值个数根据加工精度要求确定，且导入点的个数在所述S1四段曲线的每段曲线中均不少于90个，导入点的顺序按照角度由小到大的顺序排列；

S3、凸轮曲线的加工：将专用芯轴装夹在设备上，将欲加工的凸轮工件安装在专用芯轴上，启动设备，设备根据导入的点的极坐标值对凸轮进行加工。

对本技术方案的进一步改进是：

所述步骤S2中凸轮曲线加工点的采集具体通过以下方法确定，

S2.1、提取设计的凸轮曲线中的0°～90°中的N个点，其中N＝90×M，M≥1；

S2.2、通过CAD工具将N个点的X、Y、Z坐标值提取；

S2.3、将S2.2中提取的三维直角坐标值通过计算公式转换为极坐标值，即角度和极半径两个值；

S2.4、采用对称的方法，通过换算计算出的90°～360°范围内的点的极坐标值；

S2.5、将计算出的0°～360°范围内的点的极坐标值按角度由小到大的顺序排列；

S2.6、将S25中得到的数据导入加工设备。

所述加工设备为磨床。

所述步骤S3中，专用芯轴其一端有中心孔，加工时，芯轴无中心孔一端夹持在加工设备上，有中心孔一端用顶尖顶住。

所述步骤S3中，凸轮工件装在专用芯轴上，凸轮工件一端靠紧定位面，另一端用垫圈压住，并锁紧固定。

一种谐波减速器波发生器用非椭圆曲线凸轮的检测方法，包括以下步骤，

A、通过软件确定设计的凸轮曲线上的点的三维直角坐标值；

B、将A步骤中的的点的坐标值导入建模软件，形成3D模型；

C、将步骤B中的3D模型导入三维直角坐标检测设备中，设定公差范围；

D、将欲检测的凸轮工件置于工作台上进行检测；

E、将检测结果与步骤B中的3D模型进行比对，工件曲线在设定公差范围内即为合格产品，否则为不合格产品。

对本技术方案的进一步改进是：

步骤A中设计的凸轮曲线上的点的三维直角坐标值通过以下方法计算，

1)、提取设计的凸轮曲线中的0°～90°中的N个点，其中N＝90×M，M≥1；

2)、通过CAD工具将N个点的X、Y、Z坐标值提取；

3)、采用对称的方法，提取凸轮曲线中90°～360°范围内的点的X、Y、Z坐标值。

由本发明的技术方案可知，本发明的凸轮曲线的长、短轴与标准椭圆的长、短轴一致，但没有采用普通的标准椭圆曲线轮廓，而是将标准椭圆的0°～90°、90°～180°、 180°～270°、270°～360°四段曲线外移，从而增加了柔轮和刚轮的啮合齿数，提高了谐波减速器的精度及承载能力，且通过软件对外形进行修整，使柔轮和刚轮在啮合时无干涉。本发明的加工方法，首先确定具体的凸轮曲线，再通过软件确定凸轮曲线上欲加工的各个点的三维直角坐标值，其方法简单且数据准确，再通过软件将三维直角坐标值转换为极坐标值，方便后序设备加工。凸轮曲线的四段曲线的每一段曲线均提取了90 个点以上的导入点，90个点即可以满足凸轮的设计要求，可根据实际精度要求自行调整导入点的数量。且由于凸轮的四段曲线为对称设计，求出其中一段曲线的导入点的坐标值即可换算出另外三段曲线的坐标值，非常方便，使用本发明的加工方法可以对非椭圆曲线凸轮的外形进行加工，且加工方法非常简单、方便。本发明的检测方法操作简单，经本检测方法的检测验证使用本发明的加工方法加工出来的非椭圆曲线凸轮可以满足设计要求，该加工方法方便、可靠。

附图说明

图1是本发明实施例非椭圆曲线凸轮的轮廓曲线示意图。

图2是本发明实施例检测结果的示意图。

图中：1.标准椭圆曲线，2.凸轮曲线，3.设计凸轮曲线下公差线，4.设计凸轮曲线上公差线，5.凸轮工件实际曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例提供的谐波减速器波发生器用非椭圆曲线凸轮，凸轮曲线的长轴和短轴与标准椭圆的长、短轴一致，长轴为36.27mm,短轴为34.8mm。凸轮曲线的长轴和短轴将曲线分成0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°四段曲线，四段曲线的曲率相对于标准椭圆1的曲率，其曲线2外移，且四段曲线相对于凸轮曲线2的长、短轴互相对称，且所述凸轮曲线2保证谐波减速器的柔轮和刚轮在啮合时无干涉。所述凸轮曲线2与标准椭圆曲线1之间相差的距离根据柔轮齿形和刚轮齿形，以及柔轮和刚轮的啮合齿数来确定。

本实施例提供的非椭圆曲线凸轮的加工方法，包括以下步骤，

S1、确定凸轮曲线：将上述设计好的具体的凸轮曲线通过UG、齿轮设计、CAXA、CAD等软件进行修整后，保证谐波减速器的柔轮和刚轮在啮合时无干涉；

S2、凸轮曲线加工点的采集，步骤如下：

S2.1、提取设计的凸轮曲线中的0°～90°中的N个点，其中N＝90×M，M＝1；

S2.2、通过CAD工具将N个点的X、Y、Z坐标值提取；

下表为提取的部分坐标值，

S2.3、将S2.2中提取的三维直角坐标值通过计算公式转换为极坐标值，即角度和极半径两个值；

0°～90°转换的部分角度值如下表：

0°～90°转换的部分极半径值如下表：

90°～180°极坐标值如下表：

180°～270°极坐标值如下表：

270°～360°极坐标值如下表：

S2.4、采用对称的方法，通过换算计算出的90°～360°范围内的点的极坐标值；

S2.5、将计算出的0°～360°范围内的点的极坐标值按角度由小到大的顺序排列；

按升序排列后的部分极坐标值如下表：

S2.6、将S2.5中得到的数据导入磨床设备。

S3、凸轮曲线的加工：将专用芯轴装夹在设备上，专用芯轴其一端有中心孔，加工时，芯轴无中心孔一端夹持在磨床设备上，有中心孔一端用顶尖顶住。将欲加工的凸轮工件安装在专用芯轴上，一端靠紧定位面，另一端用球面垫圈压住，并用螺母锁紧固定。启动磨床，磨床根据导入的点的极坐标值对凸轮进行加工。

本实施例的非椭圆曲线的凸轮的检测方法，包括以下步骤：

A、将凸轮曲线加工采集到的0°～90°中的N个点的X、Y、Z坐标值提取，再采用对称的方法，提取凸轮曲线中90°～360°范围内的点的X、Y、Z坐标值；

B、将A步骤中的的点的坐标值导入solidwork等建模软件，形成3D模型；

C、将步骤B中的3D模型导入三维直角坐标检测设备中，设定公差范围为±2.5μm；

D、将欲检测的凸轮工件置于工作台上进行检测；

E、将检测结果与步骤B中的3D模型进行比对，工件曲线在设定公差范围内即为合格产品，否则为不合格产品。

将加工方法实施例中加工好的凸轮工件用于检测，结果如图2所示，所检测的凸轮工件实际曲线5在设计凸轮曲线下公差线3和设计凸轮曲线上公差线4范围之间，因此该凸轮为合格产品，由于此凸轮仅在四段曲线的每段曲线中选取了最少数量90个点进行采集，即加工精度为本发明最低的情况下，所加工的凸轮工件曲线可以满足设计要求，因此当选取更多点进行采集，提高加工精度，则加工效果更好，误差更小，也由此证明此凸轮的加工方法完全可以满足此凸轮的设计要求，加工方法准确、可靠。

本发明的非椭圆曲线凸轮，增加了柔轮和刚轮之间啮合的齿数，提高了谐波减速器的精度及承载能力，由于其特殊的轮廓外形，用一般加工方法无法满足加工要求，而使用本发明提供的加工方法进行加工则使加工过程变得异常简单，且经过本发明的检测方法检测验证，本发明的加工方法可有效保证凸轮的加工效果，满足了设计要求。

Claims (9)

1.一种谐波减速器波发生器用非椭圆曲线凸轮，其特征在于：凸轮曲线的长轴和短轴与标准椭圆的长、短轴比例一致，凸轮曲线的长轴和短轴将曲线分成0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°四段曲线，四段曲线的曲率相对于标准椭圆的曲率，其曲线外移，且四段曲线相对于凸轮曲线的长、短轴互相对称，且所述凸轮曲线保证谐波减速器的柔轮和刚轮在啮合时无干涉。

2.根据权利要求1所述的谐波减速器波发生器用非椭圆曲线凸轮，其特征在于：所述凸轮曲线与标准椭圆曲线之间相差的距离根据柔轮齿形和刚轮齿形，以及柔轮和刚轮的啮合齿数来确定。

3.用于加工权利要求1所述的非椭圆曲线凸轮的加工方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1、确定凸轮曲线：根据权利要求1所述的非椭圆曲线凸轮，设计具体的凸轮曲线，再通过软件进行修整后，保证谐波减速器的柔轮和刚轮在啮合时无干涉；

S2、凸轮曲线加工点的采集：通过软件确定所述S1中的凸轮曲线上的点的三维直角坐标值，再将点的三维直角坐标值转换为极坐标值，将点的极坐标值导入加工设备中，导入的点的极坐标值个数根据加工精度要求确定，且导入点的个数在所述S1四段曲线的每段曲线中均不少于90个，导入点的顺序按照角度由小到大的顺序排列；

S3、凸轮曲线的加工：将专用芯轴装夹在设备上，将欲加工的凸轮工件安装在专用芯轴上，启动设备，设备根据导入的点的极坐标值对凸轮进行加工。

4.根据权利要求3所述的非椭圆曲线凸轮的加工方法，其特征在于：所述步骤S2中凸轮曲线加工点的采集具体通过以下方法确定，

S2.1、提取设计的凸轮曲线中的0°～90°中的N个点，其中N＝90×M，M≥1；

S2.2、通过CAD工具将N个点的X、Y、Z坐标值提取；

S2.3、将S2.2中提取的三维直角坐标值通过计算公式转换为极坐标值，即角度和极半径两个值；

S2.4、采用对称的方法，通过换算计算出的90°～360°范围内的点的极坐标值；

S2.5、将计算出的0°～360°范围内的点的极坐标值按角度由小到大的顺序排列；

S2.6、将S25中得到的数据导入加工设备。

5.根据权利要求3或4所述的非椭圆曲线凸轮的加工方法，其特征在于：所述加工设备为磨床。

6.根据权利要求3所述的非椭圆曲线凸轮的加工方法，其特征在于：所述步骤S3中，专用芯轴其一端有中心孔，加工时，芯轴无中心孔一端夹持在加工设备上，有中心孔一端用顶尖顶住。

7.根据权利要求3所述的非椭圆曲线凸轮的加工方法，其特征在于：所述步骤S3中，凸轮工件装在专用芯轴上，凸轮工件一端靠紧定位面，另一端用垫圈压住，并锁紧固定。

8.使用权利要求3所述的加工方法加工而成的如权利要求1所述的非椭圆曲线凸轮的检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

A、通过软件确定设计的凸轮曲线上的点的三维直角坐标值；

B、将A步骤中的的点的坐标值导入建模软件，形成3D模型；

C、将步骤B中的3D模型导入三维直角坐标检测设备中，设定公差范围；

D、将欲检测的凸轮工件置于工作台上进行检测；

E、将检测结果与步骤B中的3D模型进行比对，工件曲线在设定公差范围内即为合格产品，否则为不合格产品。

9.根据权利要求8所述的凸轮的非椭圆曲线的检测方法，其特征在于：步骤A中设计的凸轮曲线上的点的三维直角坐标值通过以下方法计算，

1)、提取设计的凸轮曲线中的0°～90°中的N个点，其中N＝90×M，M≥1；

2)、通过CAD工具将N个点的X、Y、Z坐标值提取；

3)、采用对称的方法，提取凸轮曲线中90°～360°范围内的点的X、Y、Z坐标值。

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