CN117090917B - 一种精密谐波减速机柔轮构件及其加工方法和加工系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于谐波减速机技术领域，具体涉及一种精密谐波减速机柔轮构件及其加工方法和加工系统。本发明中柔轮构件结构设计合理，其主要由输出端板、轮身筒段、凸环筒段、齿形区筒段和扇叶板构成，通过在轮身筒段和齿形区筒段之间引入凸环筒段来适应轴向变形，通过在输出端板和轮身筒段连接处的外侧开设条形缝来适应扭转变形，这样能够增加柔轮的强度和承载力，提高柔轮冲击韧度，保护柔轮受到外力冲击时不被损坏。通过在输出端板和轮身筒段连接处的内侧之间增设扇叶板，在提高输出端板和轮身筒段连接强度的同时，使得柔轮构件旋转过程中能够通风散热，这样能够延长柔轮的使用寿命，减少柔轮本体的损坏率与更换率。
Description
技术领域
本发明属于谐波减速机技术领域，具体涉及一种精密柔轮构件及其加工方法和加工系统。
背景技术
谐波减速机是一种利用柔性组件产生弹性变形来传递动力的减速机构。谐波减速机主要由三大部分组成：具有外齿的柔轮、具有内齿的刚轮、以及具有长短轴的波发生器。波发生器装于柔轮内孔中，柔轮在波发生器的作用下变形形成具有长短轴的椭圆，柔轮同轴装在刚轮内，变形后的柔轮长轴区域与刚轮内齿啮合，短轴区域则与刚轮内齿脱开；工作时，波发生器连续转动，迫使柔轮产生连续的弹性变形，就使柔轮通过啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态，这种现象称之错齿运动。正是由于错齿运动，谐波减速机就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。由于谐波减速机特定的结构，其可在体积很小的情况下获得较大的减速比，单位面积的负载小，使得其承载能力较其它传动高，且还具有体积小、重量轻、传动效率高、传动平稳、无冲击等优点。因此谐波减速机广泛应用于航空航天、医疗机械、机器人等精密传动领域，尤其随着科技的不断发展，机器人的应用越来越广泛，人们对谐波减速机的设计、制作也越来越重视。
柔轮作为谐波减速器的重要部件之一，因为壁厚非常薄，刚性差，谐波减速器传动时柔轮承受较大的交变应力，因此柔轮是谐波减速器的易损部件；由于柔轮在减速传动过程中需要承受较大的交变负荷，柔轮既要产生柔性变形，又要承受较大的交变载荷；这就要求柔轮既要满足刚性要求，又要具备柔性变形的形变性能。
同时，柔轮每次启动、停止过程中瞬间柔轮齿面受力加大，柔轮承受较大的交变应力，且在传动过程柔轮需要承受较大的交变负荷，致使柔轮更容易损坏；另外，在减速器受到外力撞击时，柔轮瞬间变形过大使得柔轮轮身破坏，降低了柔轮使用寿命。
另外，柔轮自身不具有散热功能，长时间工作会使其自身温度过高，影响耐疲劳性能。
因此，如何增加柔轮的强度和承载力，提高柔轮冲击韧度，保护柔轮受到外力冲击时不被损坏，延长柔轮的使用寿命，减少柔轮本体的损坏率与更换率，是目前谐波减速器技术领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种精密谐波减速机柔轮构件及其加工方法和加工系统。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
本发明提供一种精密谐波减速机柔轮构件，该柔轮构件包括输出端板、轮身筒段、凸环筒段、齿形区筒段和扇叶板，所述轮身筒段的一端连接有输出端板，另一端经用于适应轴向变形的凸环筒段与齿形区筒段连接，所述输出端板开设有中心通孔和围绕其分布的安装孔，所述输出端板和轮身筒段连接处的外侧沿周向开设有若干用于适应扭转变形的条形缝，所述输出端板和轮身筒段连接处的内侧沿周向设有若干扇叶板，所述齿形区筒段的外侧沿周向开设有若干柔轮齿槽。
进一步地，上述精密谐波减速机柔轮构件中，所述输出端板的外径为20~40cm，所述输出端板的厚度为1~2cm。
进一步地，上述精密谐波减速机柔轮构件中，所述凸环筒段包含两个环体，所述环体的横截面呈弧形结构。
进一步地，上述精密谐波减速机柔轮构件中，所述条形缝的缝长为15~30mm，缝深为1~3mm；所述条形缝的横截面为矩形，所述条形缝的缝宽为2~5mm。
进一步地，上述精密谐波减速机柔轮构件中，所述扇叶板为弧形板，且其沿轮身筒段轴向的板体厚度由外向内逐渐减小。
本发明还提供一种精密谐波减速机柔轮构件的加工方法，用于生产加工如上所述的精密谐波减速机柔轮构件，该加工方法包括如下步骤：
1）通过低压铸造方式制备柔轮毛坯，柔轮毛坯包括输出端板、轮身筒段、凸环筒段、齿形区筒段和扇叶板；
2）利用开孔装置对柔轮毛坯的输出端板进行加工处理，在输出端板上成型中心通孔和围绕其分布的安装孔，得到半成品A；
3）利用旋压装置对半成品A中齿形区筒段的外侧进行加工处理，在齿形区筒段的外侧成型柔轮齿槽，得到半成品B；
4）利用切缝装置对半成品B中输出端板和轮身筒段连接处的外侧进行加工处理，在输出端板和轮身筒段连接处的外侧成型条形缝，得到所述的柔轮构件。
本发明还提供一种精密谐波减速机柔轮构件的加工系统，用于实现如上所述的加工方法，其特征在于，该加工系统包括：
回转装置，所述回转装置的外周依次设有上料工位、开孔成型工位、柔轮齿槽成型工位和条形缝成型工位，所述回转装置通过旋转能够带动柔轮毛坯从上料工位依次流转至开孔成型工位、柔轮齿槽成型工位和条形缝成型工位；
开孔装置，所述开孔装置安装在开孔成型工位处，用于对柔轮毛坯的输出端板进行加工处理，在输出端板上成型中心通孔和围绕其分布的安装孔，制备半成品A；
旋压装置，所述旋压装置安装在柔轮齿槽成型工位处，用于对半成品A中齿形区筒段的外侧进行加工处理，在齿形区筒段的外侧成型柔轮齿槽，制备半成品B；
切缝装置，所述切缝装置安装在条形缝成型工位处，用于对半成品B中输出端板和轮身筒段连接处的外侧进行加工处理，在输出端板和轮身筒段连接处的外侧成型条形缝，得到所述的柔轮构件。
进一步地，上述加工系统中，所述回转装置包括支撑底座、回转座、径向安装座、径向支撑柱、径向活动块、内伺服电机、驱动盘、从动齿圈、外伺服电机和主动齿轮，所述支撑底座的上端通过回转轴承安装有回转座，所述回转座的外侧均布有四个径向安装座，所述径向安装座中安装有能够旋转活动的径向支撑柱，所述径向支撑柱上沿周向安装有多个能够径向位移的径向活动块，所述径向支撑柱的内部安装有用于带动径向活动块进行径向位移的驱动盘以及用于带动驱动盘旋转的内伺服电机，所述径向支撑柱的内端嵌入安装有从动齿圈，所述回转座的内部安装有外伺服电机，所述外伺服电机的活动端安装有与从动齿圈啮合的主动齿轮。
进一步地，上述加工系统中，所述驱动盘中开设有螺旋驱动槽，所述径向活动块包括块体，所述块体的外侧设有与凸环筒段内壁形状配合的弧形凸起，所述块体的内端设有伸入螺旋驱动槽的从动凸杆。
进一步地，上述加工系统中，所述径向支撑柱由内往外分为外径递减的第一柱体、第二柱体和第三柱体，所述第一柱体的内部开设有便于嵌入安装从动齿圈的齿圈安装槽，所述第二柱体的内部开设有便于安装内伺服电机的电机安装槽、便于驱动盘旋转的圆槽以及便于从动凸杆活动的第一径向条形槽，所述第三柱体的内部沿周向开设有四个便于径向活动块径向位移的第二径向条形槽，所述第二径向条形槽经对应的第一径向条形槽与圆槽相互连通。
本发明的有益效果是：
1、本发明中柔轮构件结构设计合理，其主要由输出端板、轮身筒段、凸环筒段、齿形区筒段和扇叶板构成，通过在轮身筒段和齿形区筒段之间引入凸环筒段来适应轴向变形，通过在输出端板和轮身筒段连接处的外侧开设条形缝来适应扭转变形，这样能够增加柔轮的强度和承载力，提高柔轮冲击韧度，保护柔轮受到外力冲击时不被损坏。通过在输出端板和轮身筒段连接处的内侧之间增设扇叶板，在提高输出端板和轮身筒段连接强度的同时，使得柔轮构件旋转过程中能够通风散热，这样能够延长柔轮的使用寿命，减少柔轮本体的损坏率与更换率。
2、本发明中柔轮构件的加工方法设计科学，通过低压铸造方式制备柔轮毛坯；利用开孔装置对柔轮毛坯的输出端板进行加工处理，在输出端上成型中心通孔和围绕其分布的安装孔，得到半成品A；利用旋压装置对半成品A中齿形区筒段的外侧进行加工处理，在齿形区筒段的外侧成型柔轮齿槽，得到半成品B；利用切缝装置对半成品B中输出端板和轮身筒段连接处的外侧进行加工处理，在输出端板和轮身筒段连接处的外侧成型条形缝，即可得到柔轮构件。本发明中柔轮构件的加工系统设计合理，各部件协同配合，能够实现柔轮构件的工业化生产加工。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中柔轮构件一种角度的立体结构示意图；
图2为图1结构的半剖示意图；
图3为本发明中柔轮构件另一种角度的立体结构示意图；
图4为图3结构的半剖示意图；
图5为本发明加工方法的流程示意图；
图6为本发明中柔轮毛坯的半剖示意图；
图7为本发明中回转装置的结构示意图；
图8为本发明中夹持机构的组成示意图；
图9为本发明中径向支撑柱的结构示意图；
图10为本发明中径向活动块的结构示意图；
图11为本发明中驱动盘的结构示意图；
图12为本发明中回转装置的使用状态示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-柔轮构件，101-输出端板，102-轮身筒段，103-凸环筒段，104-齿形区筒段，105-中心通孔，106-安装孔，107-条形缝，108-扇叶板，109-柔轮齿槽，2-支撑底座，3-回转座，4-径向安装座，5-径向支撑柱，501-第一柱体，502-第二柱体，503-第三柱体，504-电机安装槽，505-圆槽，506-第一径向条形槽，507-第二径向条形槽，6-径向活动块，601-块体，602-从动凸杆，603-弧形凸起，7-内伺服电机，8-驱动盘，9-从动齿圈，10-外伺服电机，11-主动齿轮。
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。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图4所示，本实施例提供一种精密谐波减速机柔轮构件，该柔轮构件1包括输出端板101、轮身筒段102、凸环筒段103、齿形区筒段104和扇叶板108，轮身筒段102的一端连接有输出端板101，另一端经用于适应轴向变形的凸环筒段103与齿形区筒段104连接。输出端板101开设有中心通孔105和围绕其分布的安装孔106，输出端板101和轮身筒段102连接处的外侧沿周向开设有若干用于适应扭转变形的条形缝107，输出端板101和轮身筒段102连接处的内侧沿周向设有若干扇叶板108，齿形区筒段104的外侧沿周向开设有若干柔轮齿槽109。
本实施例中，精密谐波减速机为大规格谐波减速机，柔轮构件1中输出端板101的外径为20~40cm，输出端板101的厚度为1~2cm。
本实施例中，凸环筒段103包含两个环体，环体的横截面呈弧形结构。
本实施例中，条形缝107的缝长为15~30mm，缝深为1~3mm；条形缝107的横截面为矩形，条形缝的缝宽为2~5mm。
本实施例中，扇叶板108为弧形板，且其沿轮身筒段102轴向的板体厚度由外向内逐渐减小。扇叶板108展开呈平板整体时，其整体呈三角结构，其两个“直边部”分别与输出端板101和轮身筒段102连为一体。
本实施例还提供一种精密谐波减速机柔轮构件的加工方法，该加工方法包括如下步骤：
1）通过低压铸造方式制备柔轮毛坯，如图5中（a）和图6所示，柔轮毛坯包括输出端板101、轮身筒段102、凸环筒段103、齿形区筒段104和扇叶板108；
2）利用开孔装置对柔轮毛坯的输出端板101进行加工处理，在输出端板101上成型中心通孔105和围绕其分布的安装孔106，得到半成品A，如图5中（b）所示；
3）利用旋压装置对半成品A中齿形区筒段104的外侧进行加工处理，在齿形区筒段104的外侧成型柔轮齿槽109，得到半成品B，如图5中（c）所示；
4）利用切缝装置对半成品B中输出端板101和轮身筒段102连接处的外侧进行加工处理，在输出端板101和轮身筒段102连接处的外侧成型条形缝107，得到的柔轮构件，如图5中（d）所示。
本实施例还提供一种精密谐波减速机柔轮构件的加工系统，该加工系统包括回转装置、开孔装置、旋压装置和切缝装置。
本实施例中，回转装置的外周依次设有上料工位、开孔成型工位、柔轮齿槽成型工位和条形缝成型工位，回转装置通过旋转能够带动柔轮毛坯从上料工位依次流转至开孔成型工位、柔轮齿槽成型工位和条形缝成型工位。
如图7所示，回转装置包括支撑底座2、回转座3、径向安装座4、径向支撑柱5、径向活动块6、内伺服电机7、驱动盘8、从动齿圈9、外伺服电机10和主动齿轮11，支撑底座2的上端通过回转轴承安装有回转座3，回转座3的外侧均布有四个径向安装座4，径向安装座4中安装有能够旋转活动的径向支撑柱5，径向支撑柱5上沿周向安装有多个能够径向位移的径向活动块6。径向支撑柱5的内部安装有用于带动径向活动块6进行径向位移的驱动盘8以及用于带动驱动盘8旋转的内伺服电机7。径向支撑柱5的内端嵌入安装有从动齿圈9，回转座3的内部安装有外伺服电机10，外伺服电机10的活动端安装有与从动齿圈9啮合的主动齿轮11。径向安装座4、径向支撑柱5、径向活动块6、内伺服电机7、驱动盘8、从动齿圈9、外伺服电机10和主动齿轮11共同构成用于夹持柔轮料件的夹持机构，如图8所示。
如图11所示，驱动盘8中开设有螺旋驱动槽。如图10所示，径向活动块6包括块体601，块体601的外侧设有与凸环筒段103内壁形状配合的弧形凸起603，块体601的内端设有伸入螺旋驱动槽的从动凸杆602。
如图9所示，径向支撑柱5由内往外分为外径递减的第一柱体501、第二柱体502和第三柱体503，第一柱体501的内部开设有便于嵌入安装从动齿圈9的齿圈安装槽，第二柱体502的内部开设有便于安装内伺服电机7的电机安装槽504、便于驱动盘8旋转的圆槽505以及便于从动凸杆602活动的第一径向条形槽506，第三柱体503的内部沿周向开设有四个便于径向活动块6径向位移的第二径向条形槽507，第二径向条形槽507经对应的第一径向条形槽506与圆槽相互连通。
本实施例中，开孔装置安装在开孔成型工位处，用于对柔轮毛坯的输出端板101进行加工处理，在输出端板101上成型中心通孔105和围绕其分布的安装孔106，制备半成品A。开孔装置可设置为激光开孔装置或者钻削开孔装置，采用钻削开孔方案时，利用水平直线导轨来带动钻机的钻削头进行水平位移，钻削完成后可以复位，不会影响回转装置的旋转。在开设安装孔106时，每完成一次开设，利用夹持机构带动柔轮毛坯旋转一定的角度，即可进行下一次的安装孔106开设操作。
本实施例中，旋压装置安装在柔轮齿槽成型工位处，用于对半成品A中齿形区筒段104的外侧进行加工处理，在齿形区筒段104的外侧成型柔轮齿槽109，制备半成品B。柔轮齿槽成型工位处的半成品A利用电磁加热管道从外部对其进行快速热处理，电磁加热管道也利用平直线导轨带动实现水平往复位移，旋压装置利用竖向直线导轨带动实现竖向往复位移，不会影响回转装置的旋转。回转装置的使用状态如图12所示。
本实施例中，切缝装置安装在条形缝成型工位处，用于对半成品B中输出端板101和轮身筒段102连接处的外侧进行加工处理，在输出端板101和轮身筒段102连接处的外侧成型条形缝，得到的柔轮构件。切缝装置利用竖向直线导轨带动实现竖向往复位移，不会影响回转装置的旋转。切缝装置的旋切刀每完成一次切缝，利用夹持机构带动半成品B旋转一定的角度，即可进行下一次的切缝。为了提高切缝效率，可在条形缝成型工位的上下方各安装一个由竖向直线导轨带动的切缝装置。
以上公开的本发明优选实施例只是利于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.一种精密谐波减速机柔轮构件的加工系统，该加工系统用于加工柔轮构件，其特征在于，所述柔轮构件包括输出端板、轮身筒段、凸环筒段、齿形区筒段和扇叶板，所述轮身筒段的一端连接有输出端板，另一端经用于适应轴向变形的凸环筒段与齿形区筒段连接，所述输出端板开设有中心通孔和围绕其分布的安装孔，所述输出端板和轮身筒段连接处的外侧沿周向开设有若干用于适应扭转变形的条形缝，所述输出端板和轮身筒段连接处的内侧沿周向设有若干扇叶板，所述齿形区筒段的外侧沿周向开设有若干柔轮齿槽；
所述加工系统包括：
回转装置，所述回转装置的外周依次设有上料工位、开孔成型工位、柔轮齿槽成型工位和条形缝成型工位，所述回转装置通过旋转能够带动柔轮毛坯从上料工位依次流转至开孔成型工位、柔轮齿槽成型工位和条形缝成型工位；所述回转装置包括支撑底座、回转座、径向安装座、径向支撑柱、径向活动块、内伺服电机、驱动盘、从动齿圈、外伺服电机和主动齿轮，所述支撑底座的上端通过回转轴承安装有回转座，所述回转座的外侧均布有四个径向安装座，所述径向安装座中安装有能够旋转活动的径向支撑柱，所述径向支撑柱上沿周向安装有多个能够径向位移的径向活动块，所述径向支撑柱的内部安装有用于带动径向活动块进行径向位移的驱动盘以及用于带动驱动盘旋转的内伺服电机，所述径向支撑柱的内端嵌入安装有从动齿圈，所述回转座的内部安装有外伺服电机，所述外伺服电机的活动端安装有与从动齿圈啮合的主动齿轮；
开孔装置，所述开孔装置安装在开孔成型工位处，用于对柔轮毛坯的输出端板进行加工处理，在输出端板上成型中心通孔和围绕其分布的安装孔，制备半成品A；
旋压装置，所述旋压装置安装在柔轮齿槽成型工位处，用于对半成品A中齿形区筒段的外侧进行加工处理，在齿形区筒段的外侧成型柔轮齿槽，制备半成品B；
切缝装置，所述切缝装置安装在条形缝成型工位处，用于对半成品B中输出端板和轮身筒段连接处的外侧进行加工处理，在输出端板和轮身筒段连接处的外侧成型条形缝，得到所述的柔轮构件。
2.根据权利要求1所述的加工系统，其特征在于：所述输出端板的外径为20~40cm，所述输出端板的厚度为1~2cm。
3.根据权利要求2所述的加工系统，其特征在于：所述凸环筒段包含两个环体，所述环体的横截面呈弧形结构。
4.根据权利要求3所述的加工系统，其特征在于：所述条形缝的缝长为15~30mm，缝深为1~3mm；所述条形缝的横截面为矩形，所述条形缝的缝宽为2~5mm。
5.根据权利要求4所述的加工系统，其特征在于：所述扇叶板为弧形板，且其沿轮身筒段轴向的板体厚度由外向内逐渐减小。
6.根据权利要求5所述的加工系统，其特征在于，所述柔轮构件的加工方法包括如下步骤：
1）通过低压铸造方式制备柔轮毛坯，柔轮毛坯包括输出端板、轮身筒段、凸环筒段、齿形区筒段和扇叶板；
2）利用开孔装置对柔轮毛坯的输出端板进行加工处理，在输出端板上成型中心通孔和围绕其分布的安装孔，得到半成品A；
3）利用旋压装置对半成品A中齿形区筒段的外侧进行加工处理，在齿形区筒段的外侧成型柔轮齿槽，得到半成品B；
4）利用切缝装置对半成品B中输出端板和轮身筒段连接处的外侧进行加工处理，在输出端板和轮身筒段连接处的外侧成型条形缝，得到所述的柔轮构件。
7.根据权利要求1所述的加工系统，其特征在于：所述驱动盘中开设有螺旋驱动槽，所述径向活动块包括块体，所述块体的外侧设有与凸环筒段内壁形状配合的弧形凸起，所述块体的内端设有伸入螺旋驱动槽的从动凸杆。
8.根据权利要求7所述的加工系统，其特征在于：所述径向支撑柱由内往外分为外径递减的第一柱体、第二柱体和第三柱体，所述第一柱体的内部开设有便于嵌入安装从动齿圈的齿圈安装槽，所述第二柱体的内部开设有便于安装内伺服电机的电机安装槽、便于驱动盘旋转的圆槽以及便于从动凸杆活动的第一径向条形槽，所述第三柱体的内部沿周向开设有四个便于径向活动块径向位移的第二径向条形槽，所述第二径向条形槽经对应的第一径向条形槽与圆槽相互连通。
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