CN112008171A - 谐波减速器齿面加工方法及其加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波减速器齿面加工方法，通过共轭齿廓电火花展成法加工刚轮，其中作为被加工的刚轮接电火花电源正极，柔轮接电火花电源负极，所述柔轮内置有柔性轴承和波发生器，所述柔轮、所述刚轮、所述波发生器之间的传动比通过加工装置的传动链或谐波减速器控制，所述柔轮的齿部包括有锥形齿段、精加工段、跑合段；通过采用共轭齿廓电火花展成法加工柔轮、刚轮、波发生器之间的传动比与谐波减速器设计一致，所得到的刚轮齿形，是符合无理论误差效果的空载共轭齿廓，通过加载跑合得到负载条件下的共轭齿廓。

Description

谐波减速器齿面加工方法及其加工装置

技术领域

本发明涉及谐波减速器技术领域，特别是一种应用于谐波减速器齿面加工方法及其加工装置。

背景技术

谐波减速器的结构主要包括波发生器、柔性轴承、柔轮、刚轮。其中柔轮是柔性外齿轮，刚轮是刚性内齿轮。谐波减速器具有结构紧凑、体积小、质量轻、传动比与承载能力大、传动精度高等优点。运动或动力通常由波发生器输入，刚轮静止，运动由柔轮输出；或者柔轮静止，运动由刚轮输出。

没有任何误差的谐波减速器工作时，其柔轮在匀速迴转的同时还通过波发生器、柔性轴承的作用而匀速地变形；刚轮的齿面既是柔轮的包络面，也是柔轮齿面的共轭曲面。

中国从1961年开始研制谐波减速器，齿形已由当年的渐开线改为承载能力更好的双圆弧。柔轮与刚轮的齿形应为共轭齿廓，否则它们的传动误差曲线中会有高频谐波，引起高频噪声与振动。为抑制这噪声与振动，有用塑料来制造柔轮的。有人采用有限元法与三维共轭曲面理论计算共轭齿形；由于柔轮的刚性差、对其复杂受力状况的认知不足，又很难用光弹性试验配合，只能得到近似的共轭齿廓。

目前国内有代表性的企业，用引进的数控滚齿机加工5级精度的柔轮；用引进生产效率是插齿机4倍的插滚机床加工5级精度的刚轮；生产传动误差为60″的谐波减速器。

个别企业用慢走丝切割机床和直径15微米的金属丝来生产刚轮。细金属丝允许通过的电流小，不仅与电流大小成正比的生产效率低、线切割后的齿面还需研磨加工，齿形近似，机床依赖进口。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种谐波减速器齿面加工方法及其工艺装备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种谐波减速器齿面加工方法，通过共轭齿廓电火花展成法加工刚轮，一其中作为被加工的刚轮接电火花电源正极，柔轮接电火花电源负极，所述柔轮内置有柔性轴承和波发生器，所述柔轮、所述刚轮、所述波发生器之间的传动比通过加工装置的传动链决定，也可以由谐波减速器决定。

根据本发明所提供的谐波减速器齿面加工方法，通过采用共轭齿廓电火花展成法加工，柔轮、刚轮、波发生器之间的传动比与谐波减速器的设计值一致，所得到的刚轮齿形，是符合无理论误差的空载共轭齿廓，可用于仅传递运动的场合；通过加载跑合得到负载条件下的共轭齿廓，用于传递动力的情况。

根据本发明所提供的一种谐波减速器齿面加工方法，所述柔轮的齿部包括有锥形齿段、精加工段、跑合段。

根据本发明所提供的一种谐波减速器齿面加工方法，所述刚轮的加工步骤依次包括有电火花放电加工工艺和跑合/珩磨工艺，能在一次装夹内完成电火花放电加工和跑合/珩磨加工。

根据本发明所提供的一种谐波减速器齿面加工方法，所述刚轮通过刚轮夹具固定，所述刚轮夹具包括有刚轮固定件、刚轮夹具底座，所述刚轮固定件和所述刚轮夹具底座之间设置有圆锥面，所述刚轮夹具通过圆锥面定心。

一种谐波减速器齿面加工机床，包括床身，所述床身上设置有转台部分和可移动的活动夹具部分；刚轮接电火花电源正极，柔轮接电火花电源负极；所述柔轮内置有柔性轴承和波发生器，柔轮的弹性变形通过柔性轴承和波发生器实现。

根据本发明所提供的谐波减速器齿面加工机床，可以加工各种模数和各种传动比、传动误差为1"、具有无理论误差共轭齿廓的刚轮。

作为本发明的一些优选实施例，所述柔轮的齿部包括有锥形齿段、精加工段、跑合段。

作为本发明的一个优选实施例，所述活动夹具部分用于固定待加工的所述刚轮，所述转台部分包括有柔轮转台和波发生器转台，所述柔轮转台、所述波发生器转台的旋转轴重合，所述柔轮转台上设置有柔轮夹具用于固定所述柔轮，所述波发生器转台上设置有波发生器。

本发明可以加工各种传动比、各种模数、精度为1.0"、齿形无理论误差的共轭齿廓。

作为本发明的另外一个优选实施例，所述转台用于夹持待加工的刚轮，所述活动夹具部分上设置有母谐波减速器，所述母谐波减速器包括有母波发生器、母谐波减速器刚轮、母谐波减速器柔轮，所述母谐波减速器柔轮上设置有作为刀具的所述柔轮。

本发明的有益效果是：可以加工各种模数、传动误差为1"、具有无理论误差共轭齿廓、传动比与母谐波减速器相同的刚轮。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一种实施方式的结构示意图；

图2是本发明的柔轮齿截面示意图；

图3是本发明另一种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

谐波减速器主要由波发生器、柔性轴承、柔轮和刚轮组成。柔轮的齿数通常比刚轮少2齿。装配时楕圆形的波发生器将圆形的柔轮撑胀成楕圆形；令楕圆长轴二端近30％的轮齿进入刚轮参与啮合。楕圆短袖二端的齿则收缩而退出啮合。运动与动力从波发生器输入后，柔轮在回转的同时，它的齿也因波发生器引起的弹性变形而不断地在进入刚轮啮合传动或退出与刚轮的啮合之间循环。当波发生器顺时针方向回转一圈时，输出有二种：刚轮静止、柔轮逆时针回转二个齿；或柔轮静止、刚轮顺时针回转二个齿。当输入的运动是匀速回转运动时，柔轮与刚轮间的回转运动也是匀速的；柔轮与刚轮的齿廓是它们的共轭齿廓。该齿廓是柔轮回转与弹性变形运动的包络面。柔轮在楕圆长轴二端同时有多个齿参与啮合的传动方式，有良好的误差平均效应；因此能用较低精度的刚轮与柔轮，装配出有较高传动精度的谐波减速器，并因此而有传动精度高的优点。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中会涉及一些特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明创造仍可实现，即所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员可更有效的介绍他们的工作本质。

此外需要说明的是，下面描述中使用的词语“左侧”、“右侧”、“上侧”、“下侧”等指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向，相关技术人员在对上述方向作简单、不需要创造性的调整不应理解为本申请保护范围以外的技术。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定实际保护范围。

而为避免混淆本发明的目的，由于熟知的制造方法、控制程序、部件尺寸、材料成分、管路布局等的技术已经很容易理解，因此它们并未被详细描述。各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互抵触、矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

图1是本发明一种实施方式的结构示意图，图2是本发明的柔轮齿截面示意图，参照图1、图2，本发明的一个实施方式提供了一种谐波减速器齿面加工方法，通过共轭齿廓电火花展成法加工刚轮，即刚轮200作为待加工的工件，而柔轮300则作为阴極11"刀具"。其中刚轮200接电火花电源正极，柔轮300接电火花电源负极(或者电压等于0的极)。所述柔轮300内置有柔性轴承和波发生器114，柔轮的弹性变形是通过柔性轴承和波发生器114实现的。

柔轮300、刚轮200、波发生器114之间的传动比通过加工装置的传动链或谐波减速器控制，加工装置可以是机床。

所述柔轮300的齿部包括有锥形齿段310、精加工段320、跑合段330。柔轮采用成形磨齿工艺，其齿形由磨床的砂轮形状决定；每磨削完一个齿后，数控转台转动一个齿距，再磨削下一个齿。柔轮的累积误差<1.0"。

当刚轮与柔轮的齿距误差都足够小，它们之间同时啮合的齿数才会达到理论上的最大值；平均每个啮合齿所承担的载荷才会小，谐波减速器才有高的承载能力、高的传动精度和长寿命。

加工锥形齿段310时，砂轮340和工件之间中心距是在不断减小，使柔轮的齿槽越来越深，使对应位置齿形变薄。即一边加工，刀具一边进刀，使柔轮对应位置中心区缩小，这样就形成了上厚下薄的锥形齿段310。

必要时，根据刚轮材料的不同，柔轮的跑合段齿面可塗镀金刚石微粒或立方氮化硼(CBN)微粒。此时跑合就变成了珩磨，为便于叙述，本发明中统称为跑合。

由共轭原理可知，当从柔轮转台和波发生器114传入的是匀速回转运动时，柔轮300相对刚轮运动时的包络面，也是柔轮与刚轮的共轭齿廓。用刚性差、硬度低、配有柔性轴承与波发生器的柔轮连接电火花电源的负極，来加工(包络)连接电火花电源正極的刚轮，由于切削力几乎为零，可以得到精确的空载共轭齿形。

锥形齿段310可以加大电火花放电加工面积和生产效率，大部分余量会被锥形齿加工掉，作为粗加工。

刚轮200的加工步骤依次包括有电火花放电加工工艺和跑合/珩磨工艺，能在一次装夹内完成电火花放电加工和跑合加工。

刚轮200通过刚轮夹具210固定，所述刚轮夹具210包括有刚轮固定件211、刚轮夹具底座212，所述刚轮固定件211和所述刚轮夹具底座212之间设置有圆锥面213。

具体实施时：

1)通过加工装置(例如机床)的传动链实现柔轮300回转运动并弹性变形，具体回转运动、弹性变形与柔轮300在谐波减速器中实际工作时一样，以该柔轮300作为电极加工出各种传动比模数的母刚轮；

2)用母刚轮组装成母谐波减速器，用母谐波减速器驱动子柔轮产生回转运动、弹性变形；

3)以该子柔轮为电极加工出子刚轮。

母谐波器可以在高转速中工作，从而可以更高效地生产刚轮。

刚轮有两种，包括传动运动的空载刚轮与传动动力的刚轮，这些刚轮的齿形均为没有计算误差的共轭齿形，其传动精度小于2″。

参照图1、图2，本发明的一个实施方式提供了一种谐波减速器齿面加工装置，包括床身，床身100上设置有固定的转台部分110和可活动的活动夹具部分120，刚轮200接电火花电源正极，柔轮300接电火花电源负极。

柔轮300的齿部包括有锥形齿段310、精加工段320、跑合段330。锥形齿段310为锥形齿。锥形齿段310与刚轮齿槽二侧面之间有较小的间隙，形成比齿的端面大数倍的放电面积，作为粗加工去除大部分余量，是电火花放电加工刚轮的主要部位。精加工段320既是精加工刚轮的部位，也是椎齿的后备部分(过渡部分)。跑合段330在跑合时参与工作。

柔轮300通过柔轮夹具固定，刚轮200通过刚轮夹具210固定，所述刚轮夹具210包括有刚轮固定件211、刚轮夹具底座212，所述刚轮固定件211和所述刚轮夹具底座212之间设置有圆锥面213。电火花加工完成后，柔轮夹具克服刚轮夹具定心锥面的摩擦阻力矩而迴转，令刚轮齿面与柔轮齿面接触后，即可进行跑合。

以下结合一些实施例进行说明，其中此处所称的“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。此外，表示一个或多个实施例的细节并非固定的指代任何特定顺序，也不构成对本发明的限制。

实施例1，参照图1，所述床身上有2个迴转精度为1.0"的闭环数控转台(转台部分110)和可上下移动的刚轮夹具部分(活动夹具部分120)，即刚轮夹具210位于活动夹具部分120上，所述活动夹具部分120用于固定待加工的刚轮200，转台部分110包括有柔轮转台111和波发生器转台112，这二个转台均为1.0″的闭环数控转台，柔轮300内有柔性轴承和波发生器114，所述柔轮转台、所述波发生器转台的旋转轴心线重合，所述柔轮转台111上设置有柔轮夹具用于固定柔轮300，波发生器转台112上设置有波发生器夹具。柔轮转台111、波发生器转台112的旋转轴重合，柔轮转台111上设置有柔轮夹具113用于固定柔轮300，波发生器转台112上设置有波发生器114，即波发生器114位于柔轮300内且与波发生器转台112连接。

柔轮转台111旋转时，通过波发生器114、波发生器114的柔性轴承，令柔轮300发生弹性变形。机床工作时，要求柔轮转台111、波发生器转台112按照谐波减速器工作时的传动比匀速旋转。具体柔轮转台111、波发生器转台112可分别连接伺服电机，即通过不同的伺服电机分别控制柔轮转台111、波发生器转台112旋转；也可以通过传动装置控制柔轮转台111、波发生器转台112的旋转，例如通过伺服电机，配合转台分别控制柔轮转台111、波发生器转台112旋转。

实施例的柔轮夹具113通过油缸1101驱动，电火花加工完成后，油缸1101内的油压上升，推动柔轮夹具113的下压板克服刚轮夹具(活动夹具部分120)定心锥面的摩擦阻力矩而迴转，令刚轮齿面与柔轮齿面接触，从而转入跑合/珩磨加工。跑合/珩磨負载的大小由油缸的油压决定。波发生器转台112和柔轮夹具113之间设置有碟形弹簧，刚轮夹具定心锥部的摩擦阻力矩由碟形弹簧产生，目的是保证电火花放电加工时，刚轮位置的稳定性。

加工时，刚轮的轴心线与二个转台的轴心线重合。刚轮夹具采用圆锥面定心的优点是定心精度高、精度保持性好、磨损后容易修复。

床身100的右侧设置有立柱，立柱上设置导轨和可升降的滑板，柔轮夹具113位于滑板左侧。接电火花脉冲电源正極的待加工的刚轮200，被安装在活动夹具部分120的夹具上，活动夹具部分120的夹具在蝶形弹侍簧的作用下紧贴在柔轮夹具113的定心锥面上，刚轮的中心线与定心锥同心。刚轮夹具与定心锥之间的摩擦力矩不大，但能确保在电火花加工过程中定位的稳定性，而且容易测量。机床工作时，滑板由伺服电机通过滚珠丝杠驱动，沿立柱上的导轨作加工时的进给或退刀运动。

刚轮机床可采用三轴联动的数控机床。其中两个回转轴为精度为1"的闭环数控回转轴，分別驱动柔轮和带有柔性轴的波发生器回转。另一個直线移動轴驱动刚轮进给或退出。

实施例2，参照图3，转台部分110用于固定待加工的刚轮200，即刚轮夹具210位于转台部分110上，活动夹具臂上设置有母谐波减速器133，母谐波减速器133包括有母谐波减速器波发生器131、母谐波减速器刚轮132、母谐波减速器柔轮133，母谐波减速器柔轮133上设置有作为刀具的柔轮300。母谐波减速器柔轮133上设置有母波发生器、母柔性轴承和作为阴级刀具的柔轮300。作为刀具的柔轮300内设置有柔性轴承与波发生器，其中母谐波减速器波发生器131通过柔性轴承同时带动母谐波减速器柔轮133和刀具柔轮300旋转。

以图3所示的刚轮专机为例，床身100的右侧设置有立柱，立柱上设置导轨和可升降的滑板，母谐波减速器133位于滑板左侧。刀具柔轮300与母谐波减速器柔轮133固定联接。母谐波减速器主波发生器131-1与配有下柔性轴承的下波发生器131-2固定联接组成本实施例的母谐波减速器波发生器131。

这样的联接，母谐波减速器向下方输出了令下柔轮刀具回转的运动和令下柔轮刀具变形的二个运动；这样的传动方式，实际上是用母谐波减速器取代了刚轮母机复杂而又笨重的传动链。由于母谐波减速器和柔轮300这套装置小而轻，可以安装在滑板上，被伺服电机、滚珠丝杠驱动，沿垂直导轨向下进给和快速向上退出。母谐波减速器的波发生器可以在数千RPM下工作，比刚轮母机的转速高数拾倍，因此可以采用比刚轮母机高数拾倍的大电流。刚轮专机在大电流、高转速下的生产效率，比刚轮母机高1000倍左右。刚轮的电火花加工结束后，电火花放电电源关闭，油缸1101加载，令被加工刚轮200、及其夹具110和夹具底座一起回转，消除了放电加工时间隙而与柔轮300接触，机床在油缸加载阻力的作用下进行跑合加工，从而得到在额定負载下的共轭齿廓。

谐波减速器在实际工作的时候要传递运动和动力的，即柔轮上必然需要承受载荷并且随之变形，这就要求柔轮的齿廓在实际工作时候与预设状态要完全一致。这就要求柔轮是在有负载的情况下进行跑合，让齿轮之间相互磨损，并形成符合载荷情况下的齿廓。

在此前提下，当母谐波减速器的刚轮精度为1"时，被加工刚轮的精度亦为1"。刚轮专机具有高精度、齿廓正确、生产效率高、机床结构简单等一系列优点，可生产模数≤母谐波减速器的刚轮，但其传动比只能与母谐波减速器相同，是用大刚轮来复制小刚轮。变传动比跑合时，传动比功差值不一定要整数，而且差值越小，跑合所需的能耗与磨损也越小。

根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种谐波减速器齿面加工方法，其特征在于：通过共轭齿廓电火花展成法加工刚轮，其中刚轮(200)接电火花电源正极，柔轮(300)接电火花电源负极，所述柔轮(300)内置有柔性轴承和波发生器(114)，所述柔轮(300)、所述刚轮(200)、所述波发生器(114)之间的传动比通过加工装置的传动链或谐波减速器控制，所述柔轮(300)内置有柔性轴承和波发生器(114)。

2.根据权利要求1所述的一种谐波减速器齿面加工方法，其特征在于：所述柔轮(300)的齿部包括有锥形齿段(310)、精加工段(320)、跑合段(330)。

3.根据权利要求1所述的一种谐波减速器齿加工方法，其特征在于：所述刚轮(200)的加工步骤依次包括有电火花放电加工工艺和跑合/珩磨工艺。

4.根据权利要求1所述的一种谐波减速器齿面加工方法，其特征在于：所述刚轮(200)通过刚轮夹具(210)固定，所述刚轮夹具(210)包括有刚轮固定件(211)、刚轮夹具底座(212)，所述刚轮固定件(211)和所述刚轮夹具底座(212)之间设置有圆锥面(213)。

5.一种谐波减速器齿面加工装置，包括床身，所述床身(100)上设置有转台部分(110)和可移动的活动夹具部分(120)，其特征在于：

刚轮(200)接电火花电源正极，柔轮(300)接电火花电源负极，所述柔轮(300)内置有柔性轴承和波发生器(114)。

6.根据权利要求5所述的一种谐波减速器齿面加工装置，其特征在于：所述柔轮(300)的齿部包括有锥形齿段(310)、精加工段(320)、跑合/珩磨段(330)。

7.根据权利要求5所述的一种谐波减速器齿面加工装置，其特征在于：所述活动夹具部分(120)用于固定待加工的所述刚轮(200)，所述转台部分(110)包括有柔轮转台(111)和波发生器转台(112)，所述柔轮转台(111)、所述波发生器转台(112)的旋转轴重合，所述柔轮转台(111)上设置有柔轮夹具(113)用于固定所述柔轮(300)，所述波发生器转台(112)上设置有波发生器(114)。

8.根据权利要求5所述的一种谐波减速器齿面加工装置，其特征在于：所述转台部分(110)用于固定待加工的所述刚轮(200)，所述活动夹具部分(120)上设置有母谐波减速器(130)，所述母谐波减速器(130)包括有母谐波减速器波发生器(131)、母谐波减速器刚轮(132)、母谐波减速器柔轮(133)，所述母谐波减速器柔轮(133)上设置有作为刀具的所述柔轮(300)。

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