CN112145650B - 刚度补偿装置、谐波减速器及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种刚度补偿装置、谐波减速器及机器人，刚度补偿装置包括柔性杯套、柔性轴承和凸轮体，柔性杯套具有容纳腔；柔性轴承套在柔性杯套上；凸轮体可轴向移动地设置在容纳腔内，凸轮体沿其轴向具有形状不同的多个外周面，每个外周面可选择地和柔性轴承对应设置，以调整柔性轴承的径向变形量。由于凸轮体具有形状不同的外周面，这样不同的外周面移动到和柔性轴承对应的位置后，会改变柔性杯套和柔性轴承的径向变形量，即改变柔性轴承的变形程度。由于改变柔性轴承的变形程度可改变柔轮的变形程度，这样谐波减速器的刚柔轮齿在磨损后改变柔轮的变形程度可提高刚柔轮的啮合齿对数和啮合区域大小，从而提高谐波减速器的扭转刚度和使用寿命。

Description

刚度补偿装置、谐波减速器及机器人

技术领域

本发明涉及谐波减速器技术领域，具体而言，涉及一种刚度补偿装置、谐波减速器及机器人。

背景技术

谐波减速器主要由刚轮、柔轮和波发生器组成，其中波发生器由具有特殊曲线轮廓的凸轮和柔性轴承组成。在运动过程中凸轮长轴会迫使柔性轴承和柔轮产生可控径向弹性变形，柔轮与刚轮相互啮合来传递运动和动力，同时啮合齿对也会产生一定的弹性变形，当弹性变形足以消除其邻近齿对间的侧隙时，便形成多齿啮合，其中多齿啮合数量取决于装配状态下轮齿间的侧隙分布和啮合力作用下柔轮的弹性变形。

刚柔轮多齿啮合数量决定了啮合区域的大小，进而影响谐波减速器的齿隙、承载能力和扭转刚度等性能参数。在实际工作过程中，刚柔轮齿会随着时间推移出现磨损，造成齿隙增大，谐波减速器扭转刚度和承载能力降低。在实际工作过程中，刚度作为衡量谐波减速器是否失效的原因之一，刚度下降会直接影响减速器整体使用寿命，而对刚度实施补偿会提高整体谐波减速器使用寿命。

在现有技术中，通过采用支承套和支承转轴组合形成的无钢珠轴承替代常见的交叉滚子轴承的方式，扩大接触面积，提高了谐波减速器刚性，但此方法将刚性轴承部分改为动配合的支承套和支承转轴，改变零件之间的摩擦形式，会直接影响谐波减速器传动精度，不利于整体性能的提高。因此设计一种合适的刚度补偿装置，对于提高谐波减速器扭转刚度，延长使用寿命具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种刚度补偿装置、谐波减速器及机器人，以提高谐波减速器扭转刚度，延长使用寿命。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种刚度补偿装置，包括：柔性杯套，所述柔性杯套具有容纳腔；柔性轴承，套在所述柔性杯套上；凸轮体，可轴向移动地设置在所述容纳腔内，所述凸轮体的外表面沿其轴向包括形状不同的多个外周面，任意一个所述外周面可选择地和所述柔性轴承对应设置，以调整所述柔性轴承的径向变形量。

进一步地，多个所述外周面的横截面均为椭圆形，多个所述外周面包括第一外周面和第二外周面，所述第一外周面和所述第二外周面的长轴尺寸相同，所述第一外周面和所述第二外周面的短轴尺寸不同。

进一步地，多个所述外周面的横截面均为椭圆形，多个所述外周面形成连续变形曲面。

进一步地，所述刚度补偿装置还包括：连接件，所述凸轮体通过所述连接件和所述柔性杯套连接，所述连接件沿所述柔性杯套的轴向位置可调节地设置。

进一步地，所述刚度补偿装置还包括：弹性件，位于所述容纳腔内，所述弹性件的一端和所述凸轮体抵接，所述弹性件的另一端和所述容纳腔的底壁抵接。

进一步地，所述弹性件套设在所述连接件上，所述连接件和所述弹性件均为多个，多个所述连接件和多个所述弹性件一一对应设置。

进一步地，所述连接件具有外螺纹，所述连接件穿过所述凸轮体和所述柔性杯套，所述刚度补偿装置还包括紧固件，所述紧固件具有内螺纹，所述紧固件和所述连接件连接。

进一步地，所述柔性杯套包括依次连接的柔性套、法兰和转轴，所述柔性套具有所述容纳腔，所述柔性套可弹性变形。

进一步地，所述柔性套的侧壁上分布有多个条状孔，每个所述条状孔均沿所述柔性套的轴向延伸。

根据本发明的另一方面，提供了一种谐波减速器，所述谐波减速器包括上述的刚度补偿装置。

进一步地，所述谐波减速器还包括柔轮、刚轮和刚性轴承，所述柔轮套设在所述柔性轴承上，所述刚轮套设在所述柔轮上，所述刚性轴承和所述刚轮连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种机器人，所述机器人包括上述的谐波减速器。

应用本发明的技术方案，提供了一种刚度补偿装置，包括柔性杯套、柔性轴承和凸轮体，柔性杯套具有容纳腔；柔性轴承套在柔性杯套上；凸轮体可轴向移动地设置在容纳腔内，凸轮体的外表面沿其轴向包括形状不同的多个外周面，任意一个外周面可选择地和柔性轴承对应设置，以调整柔性轴承的径向变形量。采用该方案，由于凸轮体具有形状不同的多个外周面，这样不同的外周面移动到和柔性轴承对应的位置后，会改变柔性杯套和柔性轴承的径向变形量，也即改变柔性轴承的变形程度。将刚度补偿装置应用于谐波减速器中，通过改变柔性轴承的变形程度可改变柔轮的变形程度，则谐波减速器的刚柔轮齿在磨损后可通过改变柔轮的变形程度提高刚柔轮的啮合齿对数和啮合区域大小，从而提高谐波减速器的扭转刚度和使用寿命。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的实施例提供的刚度补偿装置的结构示意图；

图2示出了图1中的刚度补偿装置在调整凸轮体位置后的示意图；

图3示出了图1中的刚度补偿装置中的凸轮体的结构示意图；

图4示出了图3中的凸轮体的侧视图；

图5示出了图1中的刚度补偿装置中的凸轮体的另一结构示意图；

图6示出了图1中的刚度补偿装置中的柔性杯套的结构示意图；

图7示出了本发明的实施例提供的谐波减速器的结构示意图；

图8示出了图7中的谐波减速器在调整凸轮体位置后的示意图；

图9示出了图7中的谐波减速器中的柔轮的变形后与刚轮啮合区域的对比示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、柔性杯套；11、柔性套；12、法兰；13、转轴；20、柔性轴承；30、凸轮体；31、第一外周面；32、第二外周面；33、环形槽；41、连接件；42、弹性件；43、紧固件；50、柔轮；60、刚轮；70、刚性轴承。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图9所示，本发明的实施例提供了一种刚度补偿装置，包括：柔性杯套10，柔性杯套10具有容纳腔；柔性轴承20，套在柔性杯套10上；凸轮体30，可轴向移动地设置在容纳腔内，凸轮体30的外表面沿其轴向包括形状不同的多个外周面，任意一个外周面可选择地和柔性轴承20对应设置，以调整柔性轴承20的径向变形量。其中，外周面可以理解为凸轮体30的外表面的一部分，也即凸轮体30在轴向的一段表面。

采用该方案，由于凸轮体30具有形状不同的多个外周面，这样不同的外周面移动到和柔性轴承20对应的位置后，会改变柔性杯套10和柔性轴承20的径向变形量，也即改变柔性轴承20的变形程度。将刚度补偿装置应用于谐波减速器中，通过改变柔性轴承20的变形程度可改变柔轮50的变形程度，谐波减速器的刚轮齿和柔轮齿在磨损后可通过改变柔轮50的变形程度增大刚轮60和柔轮50的啮合齿对数和啮合区域大小，从而提高谐波减速器的扭转刚度和使用寿命。而且，此方案结构简单、在调整时无需拆卸谐波减速器，操作方便，成本低、实用性强。

如图3所示，在本实施例中，多个外周面的横截面均为椭圆形，多个外周面包括第一外周面31和第二外周面32，第一外周面31和第二外周面32的长轴尺寸相同，第一外周面31和第二外周面32的短轴尺寸不同。这样凸轮体30由第一外周面31和柔性轴承20对应切换为第二外周面32和柔性轴承20对应后，会改变柔性轴承20的径向扩张程度，从而调整刚轮60和柔轮50的啮合齿对数和啮合区域大小。可选地，凸轮体30的外壁上具有环形槽33，环形槽33位于第一外周面31和第二外周面32之间。通过设置环形槽33，可将第一外周面31和第二外周面32间隔开，便于加工，并且可在装配时避免相互影响。当然，在该方案中，外周面还可以设置为三个或三个以上。凸轮体30可以沿轴向划分为多个部分，每个部分具有一个外周面。

或者，如图5所示，多个外周面的横截面均为椭圆形，多个外周面形成连续变形曲面。这样通过改变凸轮体30的轴向位置，可实现对柔性轴承20的径向变形量的连续调节。采用此种方式可有效对谐波减速器进行刚度补偿。在此实施例中，同样为相邻的外周面的长轴尺寸相同，短轴尺寸不同。在该方案中，每个外周面可以理解为长度趋近于0的环形面，很多个外周面顺次连接组成连续变形曲面。

在本实施例中，刚度补偿装置还包括：连接件41，凸轮体30通过连接件41和柔性杯套10连接，连接件41沿柔性杯套10的轴向位置可调节地设置。通过连接件41可实现凸轮体30和柔性杯套10的连接，并且通过连接件41的轴向移动可带动凸轮体30移动，从而调整凸轮体30的位置。具体地，凸轮体30和柔性杯套10同轴设置。

在本实施例中，刚度补偿装置还包括：弹性件42，位于容纳腔内，弹性件42的一端和凸轮体30抵接，弹性件42的另一端和容纳腔的底壁抵接。通过弹性件42可对凸轮体30施加弹力，以避免凸轮体30随意移动。在调节凸轮体30的位置时，需克服弹性件42的弹力。

进一步地，弹性件42套设在连接件41上，连接件41和弹性件42均为多个，多个连接件41和多个弹性件42一一对应设置。通过设置多个弹性件42和多个连接件41可提高连接的可靠性。

具体地，连接件41具有外螺纹，连接件41穿过凸轮体30和柔性杯套10，刚度补偿装置还包括紧固件43，紧固件43具有内螺纹，紧固件43和连接件41连接。凸轮体30具有内螺纹，连接件41和凸轮体30螺纹连接。在调节时，转动紧固件43即可实现连接件41的轴向移动，从而带动凸轮体30移动。具体地，连接件41为螺钉，紧固件43为螺母。

在本实施例中，柔性杯套10包括依次连接的柔性套11、法兰12和转轴13，柔性套11具有容纳腔，柔性套11可弹性变形。转轴13和驱动机构连接。

可选地，柔性套11为带条状孔的可弹性变形金属材料，法兰12和转轴13为刚性材料。柔性套11的内壁和凸轮体30的外壁配合。法兰12上具有用于穿设连接件41的通孔。具体地，条状孔为多个，多个条状孔沿柔性套11的周向分布，每个条状孔均沿柔性套11的轴向延伸。

本发明的另一实施例提供了一种谐波减速器，谐波减速器包括上述的刚度补偿装置。采用该方案，通过改变柔性轴承20的变形程度可改变柔轮50的变形程度，这样谐波减速器的刚轮齿和柔轮齿在磨损后可通过改变柔轮50的变形程度提高刚轮60和柔轮50的啮合齿对数和啮合区域大小，从而提高谐波减速器的扭转刚度和使用寿命。

在本实施例中，谐波减速器还包括柔轮50、刚轮60和刚性轴承70，柔轮50套设在柔性轴承20上，刚轮60套设在柔轮50上，刚性轴承70和刚轮60连接。刚轮60的内齿和柔轮50的外齿啮合。

为了便于理解本方案，下面进一步进行说明。谐波减速器在运行时，凸轮体长轴使柔轮在运动过程中产生可控弹性变形，使部分柔轮齿与刚轮齿相互啮合来传递运动和动力。其中凸轮廓线曲率半径反映曲线的饱满程度，改变长轴区域的饱满度则会影响刚柔轮的啮合齿数和啮合区域大小，进而影响谐波减速器扭转刚度等参数。

本方案使用紧固螺栓、紧固螺母和弹簧将凸轮体与柔性杯套联接，其中柔性杯套的转轴与电机轴安装固定作为谐波减速器的动力源，柔性杯套的柔性套内侧与凸轮体圆周面过渡配合，外侧与柔性轴承的内圈过盈配合。其中柔性杯套的转轴和法兰均为刚性材料，而柔性套为带条状孔的可弹性变形金属材料，条状孔的设计用来避免柔性杯套在凸轮体在伸拉过程中出现扩张角过大的情况，法兰设计四个通孔确保螺栓可以穿过。

本发明的凸轮体长轴会迫使柔性杯套在径向方向变形，柔性轴承内圈也会同时产生变形驱动钢球挤压轴承外圈和柔轮内壁，造成柔轮部分齿会与刚轮齿进行啮合。在凸轮体的转动下，刚柔轮之间的啮合位置发生移动。

在谐波减速器刚度降低无法满足需求时，无需拆卸电机轴及凸轮体，只需松开紧固螺母，通过拉伸紧固螺栓就可调整凸轮体从第一外周面过渡为第二外周面，第二外周面与柔性套配合，从而使柔性轴承和柔轮变形，提高刚柔轮的啮合齿对数和啮合区域大小，从而提高谐波减速器的扭转刚度和使用寿命。凸轮体的各外周面长轴相同，短轴不同。凸轮长轴附近越饱满，刚柔轮的啮合齿对数越多，即啮合区域越大，则刚度越大。凸轮体拉伸过程保持电机轴和其他零件的位置不变，仅通过螺栓的松紧移动和紧固就可完成补偿刚度功能，对谐波减速器整体结构和零件改动较小，加工易实现。

本发明设计的刚度补偿装置可以根据实际工作情况补偿谐波减速器刚度，由此改善跑合过程中由于轮齿磨损造成刚度降低的问题，并且不需复杂的拆卸工序，无需改变现有主要零件柔轮的结构。

本发明能够解决如下技术问题或产生如下效果：1、解决谐波减速器工作过程中刚度降低无法补偿的问题；2、避免复杂的拆卸工序补偿谐波减速器刚度；3、提高谐波减速器整体使用寿命。

根据本发明的另一方面，提供了一种机器人，机器人包括上述的谐波减速器。采用该方案，由于谐波减速器具有刚度补偿功能，因此可以提高机器人的可靠性和使用寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种刚度补偿装置，其特征在于，包括：

柔性杯套（10），所述柔性杯套（10）具有容纳腔；

柔性轴承（20），套在所述柔性杯套（10）上；

凸轮体（30），可轴向移动地设置在所述容纳腔内，所述凸轮体（30）的外表面沿其轴向包括形状不同的多个外周面，任意一个所述外周面可选择地和所述柔性轴承（20）对应设置，以调整所述柔性轴承（20）的径向变形量；

多个所述外周面的横截面均为椭圆形，多个所述外周面包括第一外周面（31）和第二外周面（32），所述第一外周面（31）和所述第二外周面（32）的长轴尺寸相同，所述第一外周面（31）的短轴尺寸小于所述第二外周面（32）的短轴尺寸。

2.根据权利要求1所述的刚度补偿装置，其特征在于，多个所述外周面的横截面均为椭圆形，多个所述外周面形成连续变形曲面。

3.根据权利要求1所述的刚度补偿装置，其特征在于，所述刚度补偿装置还包括：

连接件（41），所述凸轮体（30）通过所述连接件（41）和所述柔性杯套（10）连接，所述连接件（41）沿所述柔性杯套（10）的轴向位置可调节地设置。

4.根据权利要求3所述的刚度补偿装置，其特征在于，所述刚度补偿装置还包括：

弹性件（42），位于所述容纳腔内，所述弹性件（42）的一端和所述凸轮体（30）抵接，所述弹性件（42）的另一端和所述容纳腔的底壁抵接。

5.根据权利要求4所述的刚度补偿装置，其特征在于，所述弹性件（42）套设在所述连接件（41）上，所述连接件（41）和所述弹性件（42）均为多个，多个所述连接件（41）和多个所述弹性件（42）一一对应设置。

6.根据权利要求3所述的刚度补偿装置，其特征在于，所述连接件（41）具有外螺纹，所述连接件（41）穿过所述凸轮体（30）和所述柔性杯套（10），所述刚度补偿装置还包括紧固件（43），所述紧固件（43）具有内螺纹，所述紧固件（43）和所述连接件（41）连接。

7.根据权利要求1所述的刚度补偿装置，其特征在于，所述柔性杯套（10）包括依次连接的柔性套（11）、法兰（12）和转轴（13），所述柔性套（11）具有所述容纳腔，所述柔性套（11）可弹性变形。

8.根据权利要求7所述的刚度补偿装置，其特征在于，所述柔性套（11）的侧壁上分布有多个条状孔，每个所述条状孔均沿所述柔性套（11）的轴向延伸。

9.一种谐波减速器，其特征在于，所述谐波减速器包括权利要求1至8中任一项所述的刚度补偿装置。

10.根据权利要求9所述的谐波减速器，其特征在于，所述谐波减速器还包括柔轮（50）、刚轮（60）和刚性轴承（70），所述柔轮（50）套设在所述柔性轴承（20）上，所述刚轮（60）套设在所述柔轮（50）上，所述刚性轴承（70）和所述刚轮（60）连接。

11.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括权利要求9或10所述的谐波减速器。

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