CN112392936A - 一种无齿谐波减速器及驱动器 - Google Patents

一种无齿谐波减速器及驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无齿谐波减速器，包括波发生器组件、定轮、柔轮和摩擦环，所述摩擦环设置在所述柔轮上；所述波发生器组件设置在所述柔轮内，所述波发生器组件致动所述柔轮和摩擦环同步变形为椭圆状；椭圆状的所述摩擦环的两个短轴端点处，所述摩擦环与所述定轮接触，椭圆状的所述摩擦环的两个长轴端点处，所述摩擦环与所述定轮不接触。本发明还提供一种驱动器。本发明提供的谐波减速器及驱动器，通过摩擦驱动原理进行无齿谐波减速，大幅度提高了传动效率；柔轮与摩擦环分体设置，可通过改变柔轮与摩擦环的材料的弹性和硬度，方便调节谐波减速器的传动效率和输出扭矩；波发生器组件、定轮和摩擦环可扩展为多组并联结构，以提高输出扭矩。

Description

一种无齿谐波减速器及驱动器
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种无齿谐波减速器及驱动器。
背景技术
目前，机器人关键的关节部位多是采用谐波减速器，谐波减速器相比其它减速器，在相同速比和相同负载下，其传动平稳、精度最高，结构体积小，机构重量轻，广泛应用于机器人、数控机床、半导体设备等精密行业。
谐波减速器一般包括刚轮、柔轮及包含柔性轴承的波发生器等零部件；钢轮上设置内齿，柔轮上设置外齿，柔轮被致动变形后外齿与内齿两点啮合，通过柔轮周期性的谐波变形以及柔轮与定轮之间齿啮合的方式进行有齿谐波传动，传动效率很低，且制造成本高。
发明内容
为了至少解决上述技术问题之一，本发明的目的在于提供一种新型无齿谐波减速器及驱动器。本发明提供的无齿谐波减速器及驱动器通过摩擦原理实现柔轮的谐波变形，传动平稳可靠，传动效率更高。同时该谐波减速器及驱动器，可进行多级摩擦驱动扩展，增大输出扭矩。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：提供一种无齿谐波减速器，包括波发生器组件、定轮、柔轮和摩擦环，所述摩擦环设置在所述柔轮上；所述波发生器组件设置在所述柔轮内，所述波发生器组件致动所述柔轮和摩擦环同步变形为椭圆状；椭圆状的所述摩擦环的两个短轴端点处，所述摩擦环与所述定轮接触，椭圆状的所述摩擦环的两个长轴端点处，所述摩擦环与所述定轮不接触。
进一步地，所述柔轮包括基体，所述基体为薄壁圆筒，所述基体的内圆周面为光滑表面，所述波发生器组件抵接在所述内圆周面上；所述摩擦环设置在所述基体的外圆周面上。
进一步地，所述基体上设置有花键；所述摩擦环上设置有花键槽；所述摩擦环与所述基体通过所述花键和花键槽配合连接。
进一步地，还包括输出组件，所述输出组件包括输出盘和输出轴；所述输出盘上设置有大圆花键孔，所述输出轴上设置有圆花键块，所述圆花键块可形状适配的插入所述大圆花键孔中。
进一步地，所述基体的一侧端面上设置有连接柱；所述输出盘上设置有柱孔；所述连接柱插入所述柱孔中，所述连接柱在所述柱孔的限制下，只可相对所述输出盘沿所述输出盘的径向移动。
进一步地，所述柔轮的材料弹性大于所述摩擦环的材料弹性。
进一步地，还包括壳体组件，所述壳体组件包括底壳、中壳和壳盖；所述中壳设置在所述底壳和壳盖之间；所述底壳、中壳和壳盖依次通过连接螺钉贯穿连接；所述定轮上设置有螺钉避让孔，所述连接螺钉穿过所述螺钉避让孔。
进一步地，所述定轮呈环状，所述定轮包括定位部和第一摩擦部，所述定轮通过所述定位部设置在所述中壳两侧，两侧的所述第一摩擦部之间形成摩擦腔；所述摩擦环设置在所述摩擦腔中；所述摩擦环包括对称设置的第二摩擦部；所述摩擦环与所述定轮的接触为所述第一摩擦部和第二摩擦部的接触。
本发明还提供一种无齿谐波减速器，包括波发生器组件、定轮组件、柔轮和摩擦环，两个以上所述摩擦环间隔设置在所述柔轮上；两个以上所述波发生器组件设置在所述柔轮内，所述波发生器组件致动所述柔轮和摩擦环同步变形为椭圆状；椭圆状的所述摩擦环的两个短轴端点处，所述摩擦环与所述定轮组件接触，椭圆状的所述摩擦环的两个长轴端点处，所述摩擦环与所述定轮组件不接触；所述波发生器组件、定轮组件和摩擦环的数量相同。
本发明还提供一种驱动器，包括电机和上述的谐波减速器，所述谐波减速器安装在所述电机的输出端。
本发明提供的谐波减速器及驱动器与现有技术相比，有益效果在于：
本发明通过摩擦驱动原理进行无齿谐波减速，克服了传统有齿谐波减速中柔轮齿变形而导致传动效率低的缺点，大幅度提高了谐波减速器的传动效率。
本发明中柔轮与摩擦环分体设置，可通过改变柔轮与摩擦环材料的弹性和硬度，方便调节谐波减速器的传动效率和输出扭矩。摩擦环采用硬度较大的高耐磨材料制作，可提高谐波减速器的输出扭矩。柔轮采用具有弹性较大的高耐磨材料制作，容易产生谐波变形；柔轮的高耐磨性，可降低滚轮摩擦造成的影响，提高谐波减速器的使用寿命。
本发明中输出盘与输出轴通过花键连接方式，可实现无回差传动，且无需其它连接件，安装方便，大大简化了谐波减速器的结构。
本发明中通过螺钉将底壳、中壳和壳盖进行贯穿连接安装，结构简单，安装方便，降低成本。定轮上的螺钉避让孔与螺钉配合，可进行有效限位，防止定轮转动。
本发明中波发生器组件、定轮和摩擦环，可根据实际工况需要设置为两组以上，方便扩展，以提高谐波减速器的传动效率和输出扭矩。
总之，本发明提出了一种传动平稳可靠、效率和精度高及成本低的无齿谐波减速器及驱动器，其在机器人领域中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的带谐波减速器的驱动器的整体结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的带谐波减速器的驱动器的爆炸示意图；
图3是本发明实施例一提供的驱动器的内部结构示意图；
图4是本发明实施例一提供的定轮的结构示意图；
图5是本发明实施例一提供的定轮的内部结构示意图；
图6是本发明实施例一提供的柔轮的内部结构示意图；
图7是本发明实施例一提供的柔轮的结构示意图；
图8是本发明实施例一提供的输出盘的结构示意图；
图9是本发明实施例一提供的输出轴的结构示意图；
图10是本发明实施例二提供的带谐波减速器的驱动器的整体结构示意图；
图11是本发明实施例二提供的带谐波减速器的驱动器的爆炸示意图；
图12是本发明实施例二提供的驱动器的内部结构示意图。
其中，附图标记说明如下：
1电机，2底壳，3中壳，3-1连接环，4壳盖，5波发生器组件，5-1支撑架，5-2滚轮，6定轮，6-1定位部，6-2第一摩擦部，7摩擦环，7-1花键槽，7-2第二摩擦部，8柔轮，8-1基体，8-2连接柱，8-3花键，9输出盘，9-1柱孔，9-2大圆花键孔，10输出轴，10-1圆花键块，10-2轴杆。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下，将通过具体实施例对本发明的谐波减速器及驱动器分别作详细说明：
实施例一
如图1-9所示，本实施例所述的驱动器包括电机1和谐波减速器。
本实施例提供的谐波减速器包括：壳体组件，波发生器组件5，定轮6，摩擦环7，柔轮8和输出组件等零部件。
所述壳体组件包括底壳2、中壳3和壳盖4。所述底壳2上设置有与电机1适配安装的定位孔，方便装配；底壳2通过螺钉安装在电机1的输出端面上。中壳2设置在底壳2和壳盖4之间；底壳2、中壳3和壳盖4依次通过连接螺钉贯穿连接为一体，三者内部形成安装空腔，安装空腔为谐波减速器的内部零部件提供安装空间。
在安装空腔内设置波发生器组件5，定轮6，摩擦环7，柔轮8和输出组件等零部件。所述波发生器组件5包括支撑架5-1和滚轮5-2；支撑架5-1的中心部位设置有电机轴孔，支撑架5-1通过所述电机轴孔与电机输出轴连接。
定轮6整体呈环状，定轮6包括定位部6-1和第一摩擦部6-2，优选的，所述定位部6-1为定位凸台，第一摩擦部6-2为第一摩擦斜面。定轮6上还相应设置有螺钉避让孔，以供壳体组件中的连接螺钉穿设。通过连接螺钉与螺钉避让孔的配合，可防止定轮6转动。
摩擦环7包括花键槽7-1和第二摩擦部7-2；优选的，所述第二摩擦部7-2为第二摩擦斜面；两个第二摩擦斜面对称设置在摩擦环7两侧；第二摩擦斜面与所述第一摩擦斜面形状适配设置。摩擦环7采用具有高耐磨性的弹性材料制作，优选为合金、或内置钢丝的POM或HDPE。
柔轮8包括基体8-1、连接柱8-2和花键8-3，所述基体8-1、连接柱8-2和花键8-3可一体加工制作。基体8-1为薄壁圆筒，可在外力作用下产生弹性变形，基体8-1采用具有高耐磨性的弹性材料制作，基体8-1的材料弹性大于摩擦环7的材料弹性，优选为内置轮胎线和/或钢丝的橡胶或TPU或TPV。基体8-1的内圆周面为光滑表面，滚轮5-2抵接在基体8-1的内圆周面上。多个连接柱8-2均匀间隔分布在基体8-1的一侧端面上，呈圆形分布；花键8-3设置在基体8-1的外圆周面上，花键8-3可插入所述花键槽7-1中，实现摩擦环7与柔轮8的传动连接。当然除了本实施例提供的花键连接方式，摩擦环7与柔轮8还可通过粘结或紧配合等方式进行固定连接。
输出组件包括输出盘9和输出轴10。输出盘9上设置有与连接柱8-2相对应的柱孔9-1。连接柱8-2插入所述柱孔9-1中，连接柱8-2在柱孔9-1的限制下，只可相对输出盘9沿输出盘9的径向移动，即连接柱8-2可驱动输出盘9转动。
输出盘9上还设置有大圆花键孔9-2。输出轴10上设置有与大圆花键孔9-2形状适配的圆花键块10-1。圆花键块10-1形状适配的插入所述大圆花键孔9-2中，可实现输出盘9带动输出轴10一体转动。输出轴10还包括轴杆10-2，轴杆10-2通过轴承4-1旋转支撑在壳盖4上，并伸出所述壳盖4，作为整个谐波减速器的输出端。
根据本实施例提供的谐波减速器，两个定轮6分别通过定位部6-1对称设置在中壳3两侧；两个定轮6的第一摩擦斜面之间形成摩擦腔；所述摩擦环7设置在所述摩擦腔中。两个定轮6的第一摩擦斜面之间形成第一摩擦啮合角；摩擦环7两侧的第二摩擦斜面之间形成第二摩擦啮合角，所述第二摩擦啮合角与第一摩擦啮合角的角度值相同。
在不受外力状态下，摩擦环7与定轮6同轴布置时，摩擦环7与定轮6不接触，第二摩擦斜面与第一摩擦斜面之间存在一定间隙。当柔轮8中装入波发生器组件5后，波发生器组件5中的滚轮5-2挤压基体8-1。基体8-1由于受波发生器组件5挤压变形为椭圆状，进而使设置在基体8-1外侧的摩擦环7变形为椭圆状。椭圆状的摩擦环7的长轴两个端点的第二摩擦斜面与定轮的第一摩擦斜面之间的间隙变大；椭圆状的摩擦环7的短轴两个端点第二摩擦斜面与定轮的第一摩擦斜面之间接触，产生摩擦。
当波发生器组件5转动时，椭圆状的摩擦环7的长轴两个端点及短轴两个端点跟随波发生器组件5进行相应变化，即摩擦环7与定轮6之间的摩擦位置跟随波发生器组件5转动，从而实现摩擦环7相对定轮6产生移动。
摩擦环7的第二摩擦斜面处的节径为D，定轮6的第一摩擦斜面处的节径为d，摩擦环7每转一圈，可以在定轮6上移动的长度为 π(D-d), 则谐波减速器的减速比为
Figure 541226DEST_PATH_IMAGE001
。具体地，当D为50mm，d为49.5mm时，则谐波减速器的减速比为50/(50-49.5)=100。
本实施例提供的一种谐波减速器及驱动器，其工作原理在于：当电机1转动时，电机输出轴带动波发生器组件5转动，波发生器组件5两侧的滚轮5-2抵接在柔轮8的基体8-1的内壁上，使基体8-1发生椭圆状变形，进而使设置在基体8-1外侧的摩擦环7发生同步变形；椭圆状的摩擦环7的短轴两个端点处的第二摩擦斜面与定轮6的第一摩擦斜面接触，产生摩擦啮合；随着波发生器组件5的转动，摩擦环7与定轮6之间的接触点不断改变位置，从而使摩擦环7相对定轮6产生相对运动，从而使摩擦环7实现转动，转动的方向与波发生器组件5的转向相同。由于摩擦环7与柔轮8固连设置，柔轮8的连接柱8-2插在输出盘9的柱孔9-1中，输出轴10与输出盘9通过大圆花键连接；从而带动输出轴10转动。
柔轮8相对波发生器组件5产生的减速比值为第二摩擦斜面处节径D与第二摩擦斜面处节径D和第一摩擦斜面处的节径d之差的比值。本实施例中柔轮与定轮之间并不是传统谐波减速器中通过齿啮合的方式进行谐波减速传动，而是通过摩擦环与定轮之间的摩擦实现减速传动，即通过无齿谐波的减速方式实现输出轴相对电机输出轴的减速。
实施例二
如图10-12所示，在本实施例中，谐波减速器中的波发生器组件5、定轮6和摩擦环7设置有两组，柔轮8的基体上设置有两组花键8-3，两个摩擦环7通过花键8-3间隔设置在基体8-1上；在两个中壳3之间设置有连接环3-1，连接环3-1同样设置有供连接螺钉穿设的螺钉避让孔二，其余均与实施例一相同，此处不再赘述。两组定轮6和摩擦环7可增强谐波减速器的输出功率和扭矩。
当然，本实施例中的波发生器组件、定轮和摩擦环，可根据实际工况需要设置为两组以上。
本发明提供的无齿谐波减速器及驱动器，与现有技术相比：
由于通过摩擦驱动原理进行无齿谐波减速，克服了传统有齿谐波减速中柔轮齿变形而导致传动效率低的缺点，大幅度提高了谐波减速器的传动效率；另由于本申请中谐波减速器的输入轴与输出轴是同方向转动，也提高了谐波传动效率。
柔轮与摩擦环分体设置，可通过改变柔轮与摩擦环的材料的弹性和硬度，方便调节谐波减速器的传动效率和输出扭矩。摩擦环可采用硬度较大的高耐磨材料制作，可提高谐波减速器的输出扭矩。柔轮可采用具有弹性较大的高耐磨材料制作，容易产生谐波变形；柔轮的高耐磨性，可降低滚轮摩擦造成的影响，提高谐波减速器的使用寿命。
输出盘与输出轴通过花键连接方式，可实现无回差传动，且无需其它连接件，安装方便，大大简化了谐波减速器的结构。
通过螺钉将底壳、中壳和壳盖进行贯穿连接安装，结构简单，安装方便，降低成本。定轮上的螺钉避让孔与螺钉配合，可进行有效限位，防止定轮转动。
波发生器组件、定轮和摩擦环，可根据实际工况需要设置为两组以上，方便扩展，以提高谐波减速器的输出功率和输出扭矩。
总之，本发明提出了一种传动平稳可靠、效率和精度高及成本低的无齿谐波减速器及驱动器，其在机器人领域中具有广泛的应用前景。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面” 可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组件合。

Claims (10)

1.一种无齿谐波减速器，包括波发生器组件、定轮、柔轮和摩擦环，其特征在于：所述摩擦环设置在所述柔轮上；所述波发生器组件设置在所述柔轮内，所述波发生器组件致动所述柔轮和摩擦环同步变形为椭圆状；椭圆状的所述摩擦环的两个短轴端点处，所述摩擦环与所述定轮接触，椭圆状的所述摩擦环的两个长轴端点处，所述摩擦环与所述定轮不接触。
2.根据权利要求1所述的无齿谐波减速器，其特征在于：所述柔轮包括基体，所述基体为薄壁圆筒，所述基体的内圆周面为光滑表面，所述波发生器组件抵接在所述内圆周面上；所述摩擦环设置在所述基体的外圆周面上。
3.根据权利要求2所述的无齿谐波减速器，其特征在于：所述基体上设置有花键；所述摩擦环上设置有花键槽；所述摩擦环与所述基体通过所述花键和花键槽配合连接。
4.根据权利要求3所述的无齿谐波减速器，其特征在于：还包括输出组件，所述输出组件包括输出盘和输出轴；所述输出盘上设置有大圆花键孔，所述输出轴上设置有圆花键块，所述圆花键块可形状适配的插入所述大圆花键孔中。
5.根据权利要求4所述的无齿谐波减速器，其特征在于：所述基体的一侧端面上设置有连接柱；所述输出盘上设置有柱孔；所述连接柱插入所述柱孔中，所述连接柱在所述柱孔的限制下，只可相对所述输出盘沿所述输出盘的径向移动。
6.根据权利要求5所述的无齿谐波减速器，其特征在于：所述柔轮的材料弹性大于所述摩擦环的材料弹性。
7.根据权利要求6所述的无齿谐波减速器，其特征在于：还包括壳体组件，所述壳体组件包括底壳、中壳和壳盖；所述中壳设置在所述底壳和壳盖之间；所述底壳、中壳和壳盖依次通过连接螺钉贯穿连接；所述定轮上设置有螺钉避让孔，所述连接螺钉穿过所述螺钉避让孔。
8.根据权利要求7所述的无齿谐波减速器，其特征在于：所述定轮呈环状，所述定轮包括定位部和第一摩擦部，所述定轮通过所述定位部设置在所述中壳两侧，两侧的所述第一摩擦部之间形成摩擦腔；所述摩擦环设置在所述摩擦腔中；所述摩擦环包括对称设置的第二摩擦部；所述摩擦环与所述定轮的接触为所述第一摩擦部和第二摩擦部的接触。
9.一种无齿谐波减速器，包括波发生器组件、定轮组件、柔轮和摩擦环，其特征在于：两个以上所述摩擦环间隔设置在所述柔轮上；两个以上所述波发生器组件设置在所述柔轮内，所述波发生器组件致动所述柔轮和摩擦环同步变形为椭圆状；椭圆状的所述摩擦环的两个短轴端点处，所述摩擦环与所述定轮组件接触，椭圆状的所述摩擦环的两个长轴端点处，所述摩擦环与所述定轮组件不接触；所述波发生器组件、定轮组件和摩擦环的数量相同。
10.一种驱动器，包括电机和权利要求1-9中任一项所述的谐波减速器，其特征在于：所述谐波减速器安装在所述电机的输出端。
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