CN113404837A - 一种搭载谐波减速机的轻型舵机 - Google Patents

一种搭载谐波减速机的轻型舵机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种搭载谐波减速机的轻型舵机，包括相互扣合的前壳体（10）和后壳体（1）、前壳体（10）和后壳体（1）中设置电机以及谐波减速机；谐波减速机的凸轮（4）一端为从动同步带轮，从动同步带轮通过同步带（5）与电机（14）上的主动带轮（15）结合；凸轮（4）另一端同轴连接设置椭圆形凸轮，椭圆形凸轮与外部嵌套设置的柔性轴承（7）形成波发生器并位于柔轮（9）内壁内。轻量化、体积小、空间紧凑，布置合理保证舵机的密封性和整体性，装配生产方便，可靠性高。

Description

一种搭载谐波减速机的轻型舵机
技术领域
本发明属于服务机器人、云台、高档玩具和自动控制技术领域，具体涉及一种搭载谐波减速机的轻型舵机。
背景技术
传统谐波减速器具有结构紧凑、体积小、质量轻、承载能力大、背隙小与传动精度高等优点，被广泛应用于工业机器人、航空航天、精密机床领域中。谐波减速机由钢轮、柔轮和波发生器构成，椭圆变形的波发生器安装在具有弹性的柔轮内部，波发生器转动迫使柔轮齿形与钢轮齿形周期性啮合和分离，进而实现错齿差减速的效果。
但是传统谐波减速器在舵机应用中存在如下问题：
1、传统谐波减速器一般是金属材质，所以这种减速舵机产品的质量更大。
2、谐波减速器的柔轮为了保证金属的变形量，柔轮在轴向就要有一定的长度，由此使得谐波减速器的体积比较大，性能也受影响。
3、传统谐波减速器及包含其的舵机考虑金属的加工性能，产品的形状设计就非常受限制，要考虑热处理工艺等，不如注塑产品更灵活。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于：克服现有技术中的上述技术难题，提供一种搭载谐波减速机的轻型舵机，轻量化、体积小、空间紧凑，布置合理保证舵机的密封性和整体性，装配生产方便，可靠性高。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种搭载谐波减速机的轻型舵机，其特征在于：包括相互扣合的前壳体(10)和后壳体(1)、前壳体(10)和后壳体(1)中设置电机以及谐波减速机；谐波减速机的凸轮(4)一端为从动同步带轮，从动同步带轮通过同步带(5)与电机(14)上的主动带轮(15)结合；凸轮(4)另一端同轴连接设置椭圆形凸轮，椭圆形凸轮与外部嵌套设置的柔性轴承(7)形成波发生器并位于柔轮(9)内壁内；柔轮(9)的外圈齿和钢轮(8)的内圈齿在波发生器转动过程中周期啮合或分离；所述柔轮(9)、钢轮(8)、和凸轮(4)都采用工程塑料注塑成型。
进一步的，凸轮(4)为两级台阶凸轮，较小的台阶端是椭圆形凸轮，椭圆形凸轮外部嵌套安装柔性轴承(7)；凸轮(4)较大的台阶端外周设置齿面形成从动同步带轮，该从动同步带轮与同步带(5)啮合。
进一步的，凸轮(4)设置从动同步带轮的一端顶部固定有同步带挡圈(3)，凸轮(4)设置椭圆形凸轮一端的内部空间安装平衡轴承(6)，平衡轴承(6)的内圈固定在输出轴(12)上。
进一步的，输出轴(12)采用长轴设计，与前壳体(10)结合的一端外壁固定柔轮(9)，柔轮(9)的外侧是输出安装法兰，输出安装法兰与输出轴(12)外围的前壳体(10)端面平齐。
进一步的，输出轴(12)朝向后壳体(1)的一端设置有沉孔，沉孔内过盈配合位置磁钢(16)，并且沉孔外轴上安装有辅助轴承(2)，辅助轴承(2)固定在输出轴(12)与后壳体(1)的输出轴(12)中心孔内壁之间；与位置磁钢(16)对应的后壳体(1)上还设置位置传感器(17)。
进一步的，钢轮(8)沿轴向卡置于前壳体(10)和后壳体(1)之间的台阶上，柔轮(9)的底盖和输出轴(12)刚性固定在一起；前壳体(10)与输出轴(12)之间设置支撑轴承(11)，支撑轴承(11)与前壳体(10)过盈配合安装并位于输出轴(12)外围的前壳体(10)端面内。
进一步的，柔轮(9)和钢轮(8)的齿形均采用C形齿。
进一步的，钢轮(8)、和凸轮(4)采用PPS+10％以上的碳纤维注塑成型；柔轮(9)采用POM或PA或PPS或PEEK等材料中的一种为基材添加碳纤维或PTFE或二硫化钼注塑成型。
进一步的，前壳体(10)和后壳体(1)采用PPS或PC加入10％以上的碳纤维或玻璃纤维注塑成型。
由此，本发明提出的轻型舵机搭载特种的塑料谐波减速机构,塑料谐波减速机构的柔轮、钢轮和凸轮都采用特种工程塑料注塑成型，为保证塑料减速机的传递力矩和刚性，齿形C齿形设计。轻型舵机的驱动电机通过安装在电机输出轴上的主动同步带轮带动同步带，驱动与凸轮一体化的从动同步带轮转动，凸轮转动促使波发生工作，谐波减速机运转。与柔轮安装在一起的输出轴，一端作为舵机的输出法兰，一端安装有位置磁钢，位置传感器感知输出轴的转角，控制轻型舵机的位置闭环和速度闭环。此种轻型舵机具有机构紧凑、体积小、背隙小、传动精度高、减速比大的优点。
与现有的谐波减速机构及其轻型舵机相比，本发明具有如下有益效果：
方便组装，可以省掉很多连接件，如螺钉等，进一步降低重量。
本发明的结构具有唯一的组装方式，降低了组装难度，做到了防呆防错，方便制造。
谐波减速器包括壳体都是非金属材质，减速舵机产品的质量更小。
谐波减速器的柔轮为非金属材质，不用考虑金属的变形量，柔轮在轴向上的长度控制为扁平型，大大小于金属材质柔轮的长度。
考虑壳体、钢轮、凸轮等材质的非金属性能，在产品的形状设计和工艺上现对于金属加工工艺更灵活，优于传统金属谐波减速器及其舵机的加工性能。
附图说明
图1为根据本发明实施的搭载谐波减速机的轻型舵机的结构示意图(立体图)。
图2为本发明搭载谐波减速机的轻型舵机传动部分结构示意图(去除后壳体1后)。
图3为本发明的搭载谐波减速机的轻型舵机内部结构示意图。
图1-3中附图说明如下：1.后壳体；2.辅助轴承；3.同步带挡圈；4.凸轮；5.同步带；6.平衡轴承；7.柔性轴承；8.钢轮；9.柔轮；10.前壳体；11.支撑轴承；12.输出轴；13.柔轮垫片；14.电机；15.主动带轮；16.位置磁钢；17.位置传感器。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
附图1-3中，根据本发明实施的搭载谐波减速机的轻型舵机包括上下扣合的前壳体10和后壳体1、前壳体10与后壳体1通过自攻螺丝组装成一体化的轻型舵机，保证舵机的密封性和整体性，装配生产方便，可靠性高。
电机14以及与电机14的轴平行设置的谐波减速机置于两壳体中；谐波减速机包括内外套置的柔轮9、钢轮8以及在柔轮9中的包括凸轮4形成的波发生器。电机14和谐波减速机构采用平行布置，空间紧凑，布置合理。
柔轮9的外圈和钢轮8的内圈齿形周期性啮合和分离，实现错齿差减速的效果。
在柔轮9的内部，设置包括凸轮4在内的波发生器。凸轮4为两级台阶凸轮，较小的台阶端是椭圆形凸轮，椭圆形凸轮外部嵌套安装柔性轴承7，柔性轴承7安装在柔轮9的内圈上，柔轮9的内圈设置有限位挡圈，可以控制柔性轴承7的轴向位置。凸轮4较大的台阶端外周设置齿面形成从动同步带轮，该从动同步带轮与同步带5啮合；凸轮4设置从动带轮的端头通过自攻螺丝固定有同步带挡圈3，可以限制同步带5轴向运动。
柔性轴承7安装在柔轮9的内圈上并位于柔轮9和椭圆形凸轮外壁之间，柔轮9的内圈设置有限位挡圈，可以控制柔性轴承7的轴向位置。柔轮9的底盖和输出轴12通过自攻螺丝刚性固定在一起。钢轮8上设置有限位槽，与前壳体10的定位孔和定位筋紧配卡接固定，支撑轴承11与前壳体10过盈配合安装。
椭圆形凸轮的内轴孔和其中的输出轴12之间设置平衡轴承6，平衡轴承6位于对应的凸轮4的内部。平衡轴承6的内圈固定在输出轴12上，输出轴12和电机14输出轴平行设置。
输出轴12穿过前壳体10的内部中心孔设置，前壳体10与输出轴12之间设置支撑轴承11进行轴向限位，输出轴12采用长轴设计，输出轴12与前壳体10结合的一端是输出安装法兰；另一端设置有沉孔，沉孔内过盈配合位置磁钢16，并且沉孔外轴上安装有辅助轴承2，与此对应，后壳体1的中心孔侧壁和沉孔外轴之间设置所述辅助轴承2，后壳体1的中心孔侧壁上设置有辅助轴承2的安装孔；后壳体1与输出轴对应的位置设置固定孔，用于固定位置传感器17。
电机14安装在前壳体10的电机安装座上，电机14的输出轴上过盈配合有主动带轮15，电机14通过主动带轮15带动同步带5，驱动凸轮4上的从动带轮转动。主动带轮15被封闭于后壳体1内且与后壳体1顶部内壁间隔设置。
为了实现轻量化，本发明的谐波减速机构的柔轮、钢轮和凸轮都采用特种工程塑料注塑成型，为保证塑料减速机的传递力矩和刚性，柔轮和钢轮的齿形都采用C齿形设计。钢轮齿形由柔轮齿形的运动包络形成；C齿形的齿高比渐开线齿形或圆弧齿形尺高高出30％；C齿形的谐波齿形啮合比例大于渐开线齿形或圆弧齿形啮合比例50％。
C齿形的齿顶圆弧半径小于渐开线齿形或圆弧齿形的齿顶圆弧半径，而齿根圆弧半径大于渐开线齿形或圆弧齿形的齿根圆弧半径。
本发明涉及的波发生器的凸轮型线采用椭圆轮廓，椭圆的长轴和短轴根据谐波减速机的速比和齿轮模数确定，椭圆曲线的极坐标方程为
Figure BDA0002412161950000071
式中a、b为椭圆曲线的长轴和短轴长度，ρb为极轴，
Figure BDA0002412161950000072
为极角。
柔轮C齿形确定过程如下:
先设定柔轮齿形采用圆弧齿型轮廓，齿形轮廓的极坐标方程为
Figure BDA0002412161950000073
式中(R0，θ0)为圆中心点极坐标，R为圆半径。由凸轮椭圆轮廓型线
Figure BDA0002412161950000074
便可以根据微分几何求出其渐屈线S,其中
Figure BDA0002412161950000075
此渐屈线乃是凸轮型线
Figure BDA0002412161950000076
之法线族的包络，通过坐标变换，使得柔轮齿形的齿形轮廓的极坐标方程
Figure BDA0002412161950000077
与渐屈线
Figure BDA0002412161950000078
逼近拟合，同时考虑到柔轮齿顶圆直径，齿根圆直径，分度圆直径最终确定柔轮C齿形。根据波发生器的转动规律和柔轮C齿形的变形情况，通过有限元分析法得出柔轮齿形包络，绘制钢轮齿形。
进一步的，工程塑料基材可以是尼龙、POM、PAI、PEEK中的至少一种，或者在基材上添加碳纤维、玻璃纤维、石墨、PTFE、二硫化钼中的其中一种。
进一步的，钢轮8和凸轮4采用PPS+10％以上的碳纤维注塑成型；柔轮9采用POM或PA或PPS或PEEK等材料为基材添加碳纤维或PTFE或二硫化钼注塑成型。
前壳体10和后壳体1采用PPS或PC加入10％以上的碳纤维或玻璃纤维注塑成型。
由此，电机14带动主动带轮15，通过同步带5驱动凸轮4上的从动同步带轮，凸轮4上边安装有柔性轴承7，组合成波发生器，波发生器安装在具有弹性的柔轮9内部，波发生器转动迫使柔轮9齿形与钢轮8齿形周期性啮合和分离，进而实现错齿差减速的效果。柔轮9与输出轴12固定在一起，输出轴12采用同轴设计，输出轴12的末端安装有位置磁钢16，与位置传感器17组成轻型舵机的位置和速度控制闭环。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (9)

1.一种搭载谐波减速机的轻型舵机，其特征在于：包括相互扣合的前壳体（10）和后壳体（1）、前壳体（10）和后壳体（1）中设置电机以及谐波减速机；谐波减速机的凸轮（4）一端为从动同步带轮，从动同步带轮通过同步带（5）与电机（14）上的主动带轮（15）结合；凸轮（4）另一端同轴连接设置椭圆形凸轮，椭圆形凸轮与外部嵌套设置的柔性轴承（7）形成波发生器并位于柔轮（9）内壁内；柔轮（9）的外圈齿和钢轮（8）的内圈齿在波发生器转动过程中周期啮合或分离；所述柔轮（9）、钢轮（8）、和凸轮（4）都采用工程塑料注塑成型。
2.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的轻型舵机，其特征在于：凸轮（4）为两级台阶凸轮，较小的台阶端是椭圆形凸轮，椭圆形凸轮外部嵌套安装柔性轴承（7）；凸轮（4）较大的台阶端外周设置齿面形成从动同步带轮，该从动同步带轮与同步带（5）啮合。
3.根据权利要求2所述的搭载谐波减速机的轻型舵机，其特征在于：凸轮（4）设置从动同步带轮的一端顶部固定有同步带挡圈（3），凸轮（4）设置椭圆形凸轮一端的内部空间安装平衡轴承（6），平衡轴承（6）的内圈固定在输出轴（12）上。
4.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的轻型舵机，其特征在于：输出轴（12）采用长轴设计，与前壳体（10）结合的一端外壁固定柔轮（9），柔轮（9）的外侧是输出安装法兰，输出安装法兰与输出轴（12）外围的前壳体（10）端面平齐。
5.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的轻型舵机，其特征在于：输出轴（12）朝向后壳体（1）的一端设置有沉孔，沉孔内过盈配合位置磁钢（16），并且沉孔外轴上安装有辅助轴承（2），辅助轴承（2）固定在输出轴（12）与后壳体（1）的输出轴（12）中心孔内壁之间；与位置磁钢（16）对应的后壳体（1）上还设置位置传感器（17）。
6.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的轻型舵机，其特征在于：钢轮（8）沿轴向卡置于前壳体（10）和后壳体（1）之间的台阶上，柔轮（9）的底盖和输出轴（12）刚性固定在一起；前壳体（10）与输出轴（12）之间设置支撑轴承（11），支撑轴承（11）与前壳体（10）过盈配合安装并位于输出轴（12）外围的前壳体（10）端面内。
7.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的轻型舵机，其特征在于：柔轮（9）和钢轮（8）的齿形均采用C形齿。
8.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的轻型舵机，其特征在于：钢轮（8）、和凸轮（4）采用PPS+10%以上的碳纤维注塑成型；柔轮（9）采用POM或PA或PPS或PEEK等材料中的一种为基材添加碳纤维或PTFE或二硫化钼注塑成型。
9.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的轻型舵机，其特征在于：前壳体（10）和后壳体（1）采用PPS或PC加入10%以上的碳纤维或玻璃纤维注塑成型。
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