CN117249220B - 柔轮组件、谐波减速器及机器人 - Google Patents

柔轮组件、谐波减速器及机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔轮组件、谐波减速器及机器人，解决了现有技术中对柔轮的健康预测和寿命评估不可靠的问题。柔轮组件包括柔轮和检测机构，所述柔轮包括杯筒段、过渡段和用于安装法兰盘的安装段，所述过渡段的一端连接于所述杯筒段上，另一端连接于所述安装段上，且所述过渡段能够产生形变，所述检测机构设置于所述过渡段上。本发明的柔轮组件、谐波减速器及机器人，将检测机构设置在柔轮工作时产生形变的过渡段上，从而能够对柔轮上产生的应力进行精确检测，同时提高检测的灵敏度，可以对柔轮的使用寿命和健康状态进行精确评估，避免了由于柔轮损坏等而造成安全事故及重大经济损失，保证了谐波减速器及机器人的工作可靠。

Description

柔轮组件、谐波减速器及机器人
技术领域
本发明涉及传动结构技术领域，更具体的说，它涉及一种柔轮组件、谐波减速器及机器人。
背景技术
谐波减速器是一种由柔轮、刚轮、波发生器三大件组成的少齿差精密减速器。通常由伺服电机带动波发生器运行，进而驱动柔轮外齿和刚轮内齿的啮合，由于刚轮齿数通常比柔轮齿数多两齿，因此，在内外齿啮合的过程中，对柔轮的运行速度有效的减低，达到减速增扭的目的。由于谐波减速器中的柔轮是薄壁结构，通常杯筒厚度只有0.2~0.5mm，因此柔轮杯筒经长期运行后，材料在动载荷和交变应力的长期作用下，极易出现因累积损伤而引起的断裂现象，最终导致谐波减速器的损坏，进而影响自动化设备的正常运行，严重时甚至引起事故的发生，而现有的技术无法对该现象进行甄别及预警。另外，在一些机器人特殊应用场合，也需要对减速器剩余寿命及运行状态进行监测，以便更好的使用，这就需要对减速器的健康状态及指标进行监测并作出判断。
现有技术种提到了一种在应变波齿轮系统中的弹性传动元件，其在弹性传动元件的杯筒段和用于安装法兰的位置上，而该区域并非弹性元件运行时应力波动最大的区域，使得对应力的测试精度和敏感度不够，无法对柔轮进行可靠的健康预测和寿命评估。
发明内容
本发明公开了一种将检测机构设置在柔轮工作时产生形变的过渡段来提高检测精度和灵敏度的柔轮组件、谐波减速器及机器人，解决了现有技术中对柔轮的健康预测和寿命评估不可靠的问题。
本发明公开了一种柔轮组件，所述柔轮包括杯筒段（11）、齿轮段、过渡段和用于安装法兰盘的安装段（12），所述齿轮段位于所述杯筒段（11）一端；所述过渡段一端连接于所述杯筒段（11）另一端，另一端连接于所述安装段（12）上，且所述过渡段能够产生形变，所述检测机构设置于所述过渡段上；所述柔轮组件还包括补偿机构，所述补偿机构能够获取所述柔轮的运行参数，且所述补偿机构能够根据所述运行参数对检测机构的检测结果进行补偿。
所述过渡段包括相互连接的隔膜段和拐角段，所述隔膜段与安装段连接，所述拐角段与所述杯筒段连接，所述检测机构设置于所述隔膜段上和/或所述拐角段上。
所述检测机构设置于所述拐角段和所述隔膜段的连接处，且所述检测机构位于所述隔膜段上的尺寸不小于5mm。
所述检测机构包括至少两个应变片，所有所述应变片贴附于所述过渡段上。
所有所述应变片以所述柔轮的中心轴线为轴线呈环形分布于所述过渡段上。
所述补偿机构包括温度检测机构，所述温度检测机构设置于所述柔轮内，且所述温度检测机构与所述检测机构电连接。
所述补偿机构还包括电路板，所述电路板设置于所述安装段，且所述电路板与所述检测机构电连接。
所述电路板的形状为环形，所述电路板的外径小于所述安装段的内径，且所述电路板的内径大于所述杯筒段的直径。
所述电路板的厚度小于所述安装段的厚度。
本发明的另一方面提供一种谐波减速器，包括上述的柔轮组件。
本发明的另一方面提供一种机器人，包括上述的柔轮组件或上述的谐波减速器。
本发明的柔轮组件、谐波减速器及机器人，将检测机构设置在柔轮工作时产生形变的过渡段上，使得检测机构处于应力值变化最大的位置，从而能够对柔轮上产生的应力进行精确检测，同时提高检测的灵敏度，相对于现有技术将应变机构安装在齿轮段和杯筒段的技术方案来说，能够更加精确的反应柔轮所受到的扭矩值，进而可以对柔轮的使用寿命和健康状态进行精确评估，避免了由于柔轮损坏等而造成安全事故及重大经济损失，保证了谐波减速器及机器人的工作可靠。现有技术中在齿轮段和杯筒段连接处虽然也是薄弱环节，但是该位置所受的应力不仅包含齿的负载扭矩的应力，还包括柔轮齿被刚轮齿别住后的弯曲应力，应力复杂，所以如果检测此位置的应力不能精确反应柔轮齿的扭转应力，不能精确检测，本发明通过在杯筒段与法兰安装的安装段之间的隔膜过渡段安装应力检测机构，由于此处应力简单，仅有柔轮的扭转应力，检测更加精确，而且还能够通过检测到的力矩值和采集的力矩出现频率，进一步对减速器已跑合寿命和剩余寿命进行有效预测，还可以结合对冲击转矩范围的设定值，来对谐波减速器整个运行过程中柔轮所受到的冲击转矩次数进行统计，进而实现谐波减速器运行健康状态的检测，增强谐波减速器的智能化程度。相比以往在谐波减速器外部增加力传感器的扭矩感知系统结构，通过在柔轮的拐角段处布置应变片形成新的力矩感知系统，在接收相同运动控制器信号的情况下，本申请的谐波减速器在恒定加速的运行过程中，能够实现加速度的波动范围明显减小，且末端定位时间可以大幅缩短。
附图说明
图1是本发明实施例的柔轮组件的结构示意图；
图2是本发明实施例的柔轮组件的另一结构示意图；
图3是本发明实施例的电路板的结构示意图。
图例：11、杯筒段；12、安装段；13、隔膜段；14、拐角段；2、应变片；3、电路板；31、微处理器。
实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不局限于说明书上的内容。
如图1至图3所示，本发明公开了一种柔轮组件，包括柔轮和检测机构，所述柔轮包括杯筒段11、过渡段和用于安装法兰盘的安装段12，所述过渡段的一端连接于所述杯筒段11上，另一端连接于所述安装段12上，且所述过渡段能够产生形变，所述检测机构设置于所述过渡段上。其中杯筒段11用于与刚轮进行啮合，在安装柔轮时，通过安装段12将柔轮连接在柔轮法兰盘上，然后将刚轮套设在杯筒段11的外部，并使刚轮的内齿与杯筒段11的外齿进行相互啮合，然后将波发生器设置在柔轮的内部，即可完成谐波发生器的安装。将检测机构设置在柔轮工作时产生形变的过渡段上，使得检测机构处于应力值变化最大的位置，从而能够对柔轮上产生的应力进行精确检测，同时可能够提高检测的灵敏度，相对于现有技术能够更加精确的反应柔轮所受到的扭矩值，进而可以对柔轮的使用寿命和健康状态进行精确评估，避免了由于柔轮损坏等而造成安全事故及重大经济损失，保证了谐波减速器及机器人的工作可靠。而且还能够检测机构还能够通过检测到的力矩值和采集的力矩出现频率，进一步对减速器已跑合寿命和剩余寿命进行有效预测，还可以结合对冲击转矩范围的设定值，来对谐波减速器整个运行过程中柔轮所受到的冲击转矩次数进行统计，进而实现谐波减速器运行健康状态的检测，增强谐波减速器的智能化程度。
所述过渡段包括相互连接的隔膜段13和拐角段14，所述隔膜段13与安装段12连接，所述拐角段14与所述杯筒段11连接，所述检测机构设置于所述隔膜段13上和/或所述拐角段14上。在柔轮进行工作时，拐角段14会产生最大形变，而隔膜段13则会随着拐角段14的形变而产生部分形变，因此，将检测机构设置在拐角段14和/或隔膜段13上均可以检测到柔轮的最大应力变化，从而可以提高检测机构的检测精度及检测灵敏度。其中，杯筒段11、拐角段14、隔膜段13和安装段12的连接位置均光滑过渡，避免在柔轮上出现切削棱角，避免应力集中。优选的，由于减速器在承受载荷时，除了杯筒段11上的与刚轮相互啮合的齿之外，拐角段14附近往往是应变较大的区域，因此所述检测机构设置于所述拐角段14和所述隔膜段13的连接处，且所述检测机构位于所述隔膜段13上的尺寸不小于5mm。也即将检测机构设置在覆盖拐角端且向隔膜段13沿柔轮的径向方向延伸5mm的区域范围内。此时检测机构大部分安装在拐角段14上，小部分设置在隔膜段13上，从而可以最大限度的接收柔轮上产生的应力，从而保证检测机构的检测精度和灵敏度。
所述检测机构包括至少两个应变片2，所有所述应变片2贴附于所述过渡段的内壁上。应变片2通过应变胶贴合在过渡段上，避免应变片2的安装受到安装位置处的结构所限制，可以保证应变片2的安装可靠，同时由于应变片2是完全贴附在过渡段上的，使得应变片2能够随着过滤段的形变而进行形变，从而可以增加检测精度及检测灵敏度，而且应变片2上能够承受足够大的应力，应变片2电阻变化最大，产生的感应信号也达到最大，无需放大即可进行使用。设置多个应变片2同时对过渡段的不同位置进行检测，可以获得多个应力值，通过平均或比较等来提高对柔轮应变力的检测精度。
通过应变片2测出的电压/电流信号，进而得到当前运行状态下，谐波减速器所承受的负载扭矩。再结合应力出现的频次，可得到谐波减速器的运行转速，这样在负载和转速已知的情况下，即可以根据谐波减速器寿命计算方法，对谐波减速器的在使用工况下的剩余寿命进行预测，当超出该预测使用寿命时，减速器可能存在性能指标等方面的技术要求将不再满足客户使用要求，实现了剩余寿命的有效评估。
所有所述应变片2以所述柔轮的中心轴线为轴线呈环形分布于所述过渡段上。将所有应变片2均匀分布，能够进一步的提高对应力的检测精度，避免柔轮由于质量问题而存在某一位置的应力变化较大而影响检测结果，进一步提高了检测精度。
应变波齿轮系统在运行时，柔轮的寿命和健康度并不仅仅能够通过应力进行判断，所述柔轮组件还包括补偿机构，所述补偿机构能够获取所述柔轮的运行参数，且所述补偿机构能够根据所述运行参数对检测机构的检测结果进行补偿，及时对应变片2测出的扭矩值进行补偿，保证扭矩测量的准确性，减小误差，进一步避免了现有技术中对寿命预测和健康状态的评估不够精准的问题。
作为一种实施方式，应变波齿轮系统在运行时，其整机温度会随着啮合的进行而上升，而在对柔轮上的扭矩进行测量时，整机温度会对应变片2信号产生影响，这样通过应变片2测出的扭矩值精度不够高，因此，所述补偿机构包括温度检测机构，所述温度检测机构设置于所述柔轮内，且所述温度检测机构与所述检测机构电连接。通过设置补偿机构，能够对应变片测量的扭矩进行修正，以提高应变片在柔轮不同工作状态时检测数值的精确性。
所述补偿机构还包括电路板3，所述电路板3设置于所述安装段12，且所述电路板3与所述检测机构电连接。电路板3上设置有微处理器31来对信号进行滤波、转换、存储、比对等功能，也能够对处理后的扭矩值的数值进行记录并统计计算。
所述电路板3的形状为环形，所述电路板3的外径小于所述安装段12的内径，且所述电路板3的内径大于所述杯筒段11的直径。电路板3以与法兰盘为同心环的方式设置在法兰盘的内部，尽可能的减少电路板3对柔轮尺寸的占用。更进一步地，所述电路板3的厚度小于所述安装段12的厚度。也即将电路板3以与法兰盘为同心环的方式设置在法兰盘的内部，无需改变柔轮及柔轮法兰盘之间的轴向尺寸，也能够保证电路板3的可靠安装。
本发明的另一方面提供一种谐波减速器，包括上述的柔轮组件。通常谐波减速器会给定额定扭矩和额定使用寿命，当需对谐波减速器剩余寿命进行评估时，将实际运行的扭矩信号输出并结合柔轮所对应的谐波减速器产品的额定扭矩和额定寿命进行计算，即可求得该工况下对应的剩余寿命。
所述谐波减速器一定限度范围内，允许承受冲击载荷；当承载扭矩超过给定的启停峰值扭矩时，即认为开始承受冲击载荷，其中，承受冲击载荷的冲击时间通过电路板3输出的扭矩信号曲线持续的时间来进行确定。
通过布置在柔轮拐角段14的单个应变片2或多个应变片2采集信号，该信号通过应变片2连接线传输到电路板3，进行扭矩测量信号的处理，同时，根据谐波减速器的输入转速、扭矩出现的频率及幅值以及谐波减速器的减速比来确定，所述冲击时间通过扭矩信号超过启动停止时的峰值扭矩持续时间来确定；
当对减速器剩余寿命进行评估时，将实际运行的扭矩信号和时间信号输出，通过平均负载转矩公式进行计算：；式中，T代表负载转矩，t代表时间，n代表输出转速；
然后结合该柔轮所对应的谐波减速器产品的额定扭矩和额定寿命公式进行计算：；式中，Tr代表额定转矩，nr为额定输出转速；Tav为输出侧的平均负载转矩；nav为平均输入转速；
求得该工况下对应的剩余寿命：；
当需对谐波减速器健康预测时，将实际运行的扭矩信号输出并结合柔轮所对应的谐波减速器产品的启停峰值扭矩来进行冲击过程的识别及提取，进一步参考作用时间和输入转速，求得该减速器截止当下，受冲击的次数：
；
通过受冲击的次数，评估减速器的健康状态。
本发明的另一方面提供一种机器人，包括上述的柔轮组件或上述的谐波减速器。
显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种柔轮组件，其特征在于：包括柔轮和检测机构，所述柔轮包括杯筒段（11）、齿轮段、过渡段和用于安装法兰盘的安装段（12），所述齿轮段位于所述杯筒段（11）一端；所述过渡段一端连接于所述杯筒段（11）另一端，另一端连接于所述安装段（12）上，且所述过渡段能够产生形变，所述检测机构设置于所述过渡段上；所述柔轮组件还包括补偿机构，所述补偿机构能够获取所述柔轮的运行参数，且所述补偿机构能够根据所述运行参数对检测机构的检测结果进行补偿；所述补偿机构包括温度检测机构，所述温度检测机构设置于所述柔轮内，且所述温度检测机构与所述检测机构电连接；
所述过渡段包括相互连接的隔膜段（13）和拐角段（14），所述隔膜段（13）与安装段（12）连接，所述拐角段（14）与所述杯筒段（11）连接，所述检测机构设置于所述隔膜段（13）上和/或所述拐角段（14）上；
所述检测机构设置于所述拐角段（14）和所述隔膜段（13）的连接处，且所述检测机构位于所述隔膜段（13）上的尺寸不小于5mm。
2.根据权利要求1所述的柔轮组件，其特征在于，所述检测机构包括至少两个应变片（2），所有所述应变片（2）贴附于所述过渡段上。
3.根据权利要求2所述的柔轮组件，其特征在于，所有所述应变片（2）以所述柔轮的中心轴线为轴线呈环形分布于所述过渡段上。
4.根据权利要求1所述的柔轮组件，其特征在于，所述补偿机构还包括电路板（3），所述电路板（3）设置于所述安装段（12），且所述电路板（3）与所述检测机构电连接。
5.根据权利要求4所述的柔轮组件，其特征在于，所述电路板（3）的形状为环形，所述电路板（3）的外径小于所述安装段（12）的内径，且所述电路板（3）的内径大于所述杯筒段（11）的直径。
6.根据权利要求4所述的柔轮组件，其特征在于，所述电路板（3）的厚度小于所述安装段（12）的厚度。
7.一种谐波减速器，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的柔轮组件。
8.一种机器人，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的柔轮组件或权利要求7所述的谐波减速器。
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