CN112096790A - 内驱动内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了内驱动内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动装置，包括蜗杆组件、蜗轮组件、法兰等零部件。蜗轮与其两端的蜗轮座、蜗轮座端盖组成筒状结构，将蜗杆组件、支架和支板包含在筒状结构内部，形成内啮合平面包络蜗杆传动副。蜗杆组件通过支板和支架安装在支柱上，通过改变套筒的长度实现蜗杆传动副齿面的磨损补偿。输出法兰与右蜗轮端盖固连，通过法兰进行动力输出。本发明具有高精度、高可靠性、结构紧凑、磨损补偿、侧隙可调、零件结构简单、易于加工等优点，适用于对安装空间有限制的精密传动场合。

Description

内驱动内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动装置
技术领域
设计一种具有驱动、传动及支撑一体化结构的内驱动内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动装置（以下称为内啮合平面包络蜗杆传动装置），适用于具有密封要求、尺寸限制的转动装置，如机器人关节、转动工作台及水下作业装置等。
背景技术
蜗杆传动具有单级传动比大、结构紧凑、运动平稳等优点，且具有对传动系统上游误差缩敛作用，广泛应用于精密分度机构中。目前，蜗杆传动中圆柱蜗杆传动和环面蜗杆传动应用最为广泛，后者具有更好的啮合特性及更强的承载能力。内啮合平面包络蜗杆传动是环面蜗杆传动的一种衍生形式，其齿面能够硬化处理并磨削，具有环面蜗杆传动的优点，且较环面蜗杆传动更加紧凑。
内啮合平面包络蜗杆传动装置结构具有驱动、传动及支撑一体化的特点，具有应用于机器人关节的潜能。目前广泛使用的谐波减速器和RV减速器结构复杂、价格昂贵，相比之下内啮合平面包络蜗杆传动装置结构简单制造、加工容易，易于实现工业机器人减速器的国产化。在《中国制造2025》中指出“突破机器人本体、减速器、伺服电机、控制器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈”，进一步为国内机器人减速器的研制提供了支持。
发明内容
为突破国内机器人减速器在设计制造过程中的技术瓶颈，发明一种具有驱动、传动及支撑一体化结构的内啮合平面包络蜗杆传动装置。此种装置具有零件结构简单、制造加工容易、高精度、结构紧凑、磨损补偿等优点，适用于对空间体积和重量有限制的精密重载传动场合，如机器人的转动关节。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
内啮合平面包络蜗杆传动装置的蜗轮1轮齿具有对称的斜平面形成的楔形结构，其齿厚沿蜗轮轴向连续变化。依据齿轮啮合原理，蜗杆2齿面以蜗轮1齿面为工具母面包络形成。如图1所示，内啮合平面包络蜗杆传动副通过调整蜗杆2与蜗轮1在蜗轮轴向的相对位置实现磨损补偿。图2中，甲面接触线分布在齿面右侧，乙面接触线分布在齿面左侧，根据接触线的分布确定蜗轮轮齿齿宽。
本发明采用由内向外的设计方式实现内啮合平面包络蜗杆传动装置的设计，此种装置具有驱动、支撑及传动一体化结构。在驱动方面，电机25选用T-MOTOR公司的U10PLUSKV170型电机，将电机25安装于蜗杆2内部进行驱动，电机25、蜗杆2及相关支撑零件集成蜗杆电机组。在支撑方面，蜗杆电机组通过支板20与支架8固定在支柱4上；蜗轮1通过左蜗轮座6、右蜗轮座9、左蜗轮座端盖5、右蜗轮座端盖11及支柱轴承10支撑于支柱4上。在传动方面，内啮合的传动方式有利于节约空间，工作时蜗轮1与左蜗轮座6、右蜗轮座9、左蜗轮座端盖5、右蜗轮座端盖11等同步转动。通过连接在支柱4上的固定法兰3将装置进行固定，通过连接在右蜗轮座端盖11的输出法兰12输出动力。
图3中，左蜗轮座6、右蜗轮座9、左蜗轮座端盖5、右蜗轮座端盖11和蜗轮1形成中空的筒状结构，蜗杆电机组安装其内部，有利于节约空间及密封。左蜗轮座6和右蜗轮座9具有箱体的支撑作用，同时也具有传动动力及密封的作用，其结构相对简单、安装灵活。通过调整左套筒17和右套筒16的长度实现蜗杆2相对蜗轮1在蜗轮轴向位置的变化，从而实现磨损补偿。
根据齿轮啮合原理，蜗杆2齿面以蜗轮1的斜平面齿面为工具母面包络形成，此种传动具有重合度较大、诱导法曲率较小及润滑角较大等特性，从而具有较高的承载能力、较好的润滑效果等特点，适用于具有精密重载转动需求的场合。
结合图4与图5，蜗杆2制造成空心蜗杆，内部安装电机25。电机25定子端与蜗杆电机座29通过内六角螺栓30进行连接，电机25转子端通过螺纹销31与蜗杆2之间采用过渡配合连接，从而防止蜗杆2的轴向力对电机25的影响。蜗杆2两侧通过分别与轴承座端盖24和电机座端盖27连接，通过蜗杆轴承23支撑在蜗杆电机座29和蜗杆轴承座21上，蜗杆轴承23采用成对正装的角接触球轴承。蜗杆电机座29和蜗杆轴承座21与支架8和支板20固定连接，支架8再安装在支柱4上，从将而蜗杆2受到的力通过蜗杆轴承23传导于支柱4。蜗杆2的回转中心轴为两端蜗杆轴承23的公共回转轴，并通过螺栓销31定位电机25，从而保障蜗杆2回转中心与电机25回转中心同心。
为防止油液及杂质进入电机25和蜗杆轴承23，在蜗杆电机组两端采用双密封。在蜗杆电机座29一端的蜗杆轴承23两侧分别安装蜗杆电机座内侧O型圈26和蜗杆电机座外侧O型圈28，在蜗杆轴承座21一端的蜗杆轴承23两侧采用蜗杆轴承座O型圈22和蜗杆密封垫片32。
为提升内啮合平面包络蜗杆传动装置结构的刚度，轴承座端盖24和电机座端盖27为嵌盖结构与蜗杆2固连，有利于增加两者与蜗杆2的接触面。增加蜗杆电机座29与支架8、蜗杆轴承座21与和支板20的接触面积，并采用过盈配合。
蜗杆电机座29、支架8及支柱4中的管路相通，通过管路实现对电机25的接线，并通过T型塞19进行密封，并可通过管路安装冷却水路管道。左蜗轮座端盖5、右蜗轮座端盖11与支柱4之间为动连接，采用毛毡圈13和迷宫密封槽14的组合密封实现动密封。
在支柱4与左蜗轮端盖5或右蜗轮端盖11之间可安装圆光栅。
与现有技术相比，此种装置具有结构紧凑、承载能力大、单级传动比大、精度高、磨损补偿、零件简单、便于制造加工等优势。适用于在有限的尺寸空间中进行精密重载传动的场合，如工业机器人的转动关节。
附图说明
图1 内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动副。
图2 内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动在蜗轮齿面的接触线。
图3 内驱动内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动装置主视图。
图4 内驱动内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动装置左视图。
图5 内驱动内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动装置中的蜗杆电机组。
图6 内驱动内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动装置俯视图。
结合图1、图3-图6，内啮合平面包络蜗杆传动装置的主要零件和结构包括：蜗轮1、蜗 杆2、固定法兰3、支柱4、左蜗轮座端盖5、左蜗轮座6、蜗轮密封垫片7、支架8、右蜗轮座9、支柱轴承10、右蜗轮座端盖11、输出法兰12、毛毡圈13、迷宫密封槽14、测试架轴承15、右套筒16、左套筒17、测试架18、T型塞19、支板20、蜗杆轴承座21、蜗杆轴承座O型圈22、蜗杆轴承23、轴承座端盖24、电机25、蜗杆电机座内侧O型圈26、电机座端盖27、蜗杆电机座外侧O型圈28、蜗杆电机座29、内六角螺栓30、螺纹销31、蜗杆密封垫片32、观察孔垫片33、观察孔盖板34。
具体实施方式
结合图1-图6，对内啮合平面包络蜗杆传动装置进行进一步的说明。
蜗轮1两端与左蜗轮座6、右蜗轮座9连接，采用支柱轴承10支撑于支柱4上，并通过左蜗轮端盖5和右蜗轮端盖11封闭左蜗轮座6和右蜗轮座9背向蜗轮1一侧的开口。左蜗轮座6、右蜗轮座9、左蜗轮座端盖5、右蜗轮座端盖11与蜗轮1同步转动，共同构成筒状结构的蜗轮组件。输出法兰12固连于右蜗轮座端盖11，通过其输出动力。通过支架8和支板20将蜗杆电机组安装在支柱4上，支柱4与蜗轮组件相对转动，采用毛毡圈13和迷宫密封槽14的组合密封。通过改变支柱4上的左套筒17和右套筒16的尺寸进行蜗杆2与蜗轮1在蜗轮轴向位置的调整，进而实现磨损补偿。支柱4、支架8与蜗杆电机座29的内部管道相连通，进而实现电机25的接线，并通过T型塞19防止油液及杂质进入管路。
蜗杆电机组是由电机25、蜗杆2及其支撑零部件的组合，安装于支架8与支板20之间。蜗杆2与电机25通过螺纹销31实现周向定位，螺纹销31与蜗杆2之间为过渡配合，使蜗杆2与电机25在蜗杆轴向能够相对运动。设计中蜗杆2与电机25间保留一定间隙，避免电机25受到蜗杆2轴向力的影响。电机座端盖27为嵌盖结构，嵌入蜗杆2的右端并与蜗杆2固定连接，通过蜗杆轴承23安装在蜗杆电机座29中。在蜗杆2右端，蜗杆轴承23两侧采用蜗杆电机座内侧O型圈26和蜗杆电机座外侧O型圈28进行密封。蜗杆电机座29与电机25通过内六角螺栓30进行连接，经蜗杆电机座29的轴线位置的内部管路进行电机25的接线。
在蜗杆2的左侧采用蜗杆密封垫片32进行密封，在蜗杆轴承座21与轴承座端盖24之间安装蜗杆轴承座O型圈22进行密封。轴承座端盖24嵌入蜗杆2的左端，并与蜗杆2固定连接，轴承座端盖24与蜗杆轴承座21之间安装蜗杆轴承23。
本发明的工作原理及过程。
接通电源后，电机25通过螺纹销31在蜗杆2内部驱动蜗杆2进行转动。蜗杆2通过两端的轴承座端盖24、电机座端盖27和蜗杆轴承23支撑在蜗杆电机座29和蜗杆轴承座21上。根据蜗杆2与蜗轮1的啮合关系，带动蜗轮1进行低速转动。蜗轮1与左蜗轮座6、右蜗轮座9、左蜗轮座端盖5、右蜗轮座端盖11固连，共同组成蜗轮组件。蜗轮组件与蜗轮1同步转动，通过与右蜗轮端盖11固连的输出法兰12输出动力。即电机25驱动蜗杆2，蜗杆2带动蜗轮1，最后通过输出法兰12进行低速大转矩的动力输出。
考虑到在安装过程中蜗杆2与蜗轮1齿面间间隙的调整，以及使用一段时间后轮齿磨损导致间隙的增大，通过改变左套筒17和右套筒16的长度实现蜗杆2与蜗轮1的轮齿磨损补偿的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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。

Claims (6)

1.内驱动内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动装置的主要零件和结构包括：蜗轮(1)、蜗杆(2)、固定法兰(3)、支柱(4)、左蜗轮座端盖(5)、左蜗轮座(6)、蜗轮密封垫片(7)、支架(8)、右蜗轮座(9)、支柱轴承(10)、右蜗轮座端盖(11)、输出法兰(12)、毛毡圈(13)、迷宫密封槽(14)、测试架轴承(15)、右套筒(16)、左套筒(17)、测试架(18)、T型塞(19)、支板(20)、蜗杆轴承座(21)、蜗杆轴承座O型圈(22)、蜗杆轴承(23)、轴承座端盖(24)、电机(25)、蜗杆电机座内侧O型圈(26)、电机座端盖(27)、蜗杆电机座外侧O型圈(28)、蜗杆电机座(29)、内六角螺栓(30)、螺纹销(31)、蜗杆密封垫片(32)、观察孔垫片(33)、观察孔盖板(34)等。
2.根据权利要求1，蜗轮(1)与其两端的左蜗轮座(6)、右蜗轮座(9)、左蜗轮座端盖(5)和右蜗轮座端盖(11)构成筒状结构，蜗轮(1)安装在筒状结构中间，共同构成蜗轮组件；采用外转子电机(25)，电机(25)的转子与蜗杆(2)及轴承座端盖(24)、电机座端盖(27)、蜗杆轴承座(21)、蜗杆电机座(29)等零部件构成蜗杆组件；采用内啮合的传动方式，蜗轮(1)与蜗杆(2)形成的传动副具有磨损补偿的功能；通过支架(8)和支板(20)将蜗杆组件安装在支柱(4)上，蜗轮组件通过支柱轴承(10)安装在支柱(4)上并相对支柱(4)转动，且蜗轮组件两端的左蜗轮座端盖(5)和右蜗轮座端盖(11)与支柱(4)采用组合密封实现动密封；其特征在于：包括通过改变安装在支柱(4)上的右套筒(16)和左套筒(17)的长度实现蜗轮组件与蜗杆组件在蜗轮轴向位置的调整，进而实现磨损间隙补偿；蜗杆(2)为空心蜗杆，内部安装电机(25)并与电机(25)保留一定间隙，电机(25)通过与蜗杆(2)过渡配合的螺纹销(31)传动扭矩并避免电机(25)承受轴向力；蜗杆(2)通过轴承座端盖(24)、电机座端盖(27)和蜗杆轴承(23)支撑在蜗杆电机座(29)和蜗杆轴承座(21)上，蜗杆电机座(29)与蜗杆轴承座(21)安装于支架(8)与支板(20)上；蜗杆电机组两侧均进行密封，在蜗杆电机座(29)一侧采用蜗杆电机座内侧O型圈(26)和蜗杆电机座外侧O型圈(28)密封，在蜗杆轴承座(21)一侧采用蜗杆轴承座O型圈(22)和蜗杆密封垫片(32)密封。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的内驱动内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动装置，其特征在于：蜗轮(1)齿面为对称的斜平面形成的楔形轮齿，蜗杆(2)齿面依据齿轮啮合原理以蜗轮(1)齿面为工具母面包络形成。
4.根据权利要求3所述的内驱动内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动装置，其特征在于：通过调整安装在支柱(4)上的右套筒(16)和左套筒(17)的长度实现蜗杆(2)与蜗轮(1)在蜗轮轴向位置的调整，进而实现磨损补偿和侧隙调整。
5.根据权利要求1和权利要求2所述的内驱动内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动装置，其特征在于：由支柱(4)、支架(8)和蜗杆电机座(29)上的管道相连通而形成的管路，通过管路进行电机(25)接线和冷却水路的安装。
6.根据权利要求1和权利要求2所述的内驱动内啮合磨损补偿平面包络蜗杆传动装置，在支柱(4)与左蜗轮座端盖(5)或右蜗轮座端盖(11)间安装圆光栅。
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