CN220622646U - 波发生器、谐波减速器及工业机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种波发生器、谐波减速器及工业机器人，涉及谐波减速器领域。波发生器包括凸轮、外圈、保持架和多个滚动体，通过将多个滚动体设置在环形部的第一滚道和外圈的第二滚道之间，且通过保持架限制滚动体的位置，能够减小凸轮转动时的摩擦力。由于凸轮包括固定连接于基部的环形部，环形部固定在基部后再加工出第一滚道，因此不存在基部和环形部需要过盈装配而导致的第一滚道发生畸变的问题，保证第一滚道的几何精度和形位精度，提高波发生器运行的稳定性。同时能够改善环形部在交变弯曲应力的反复作用下，导致环形部容易断裂失效的问题，从而提高环形部的强度，提高波发生器的使用寿命。

Description

波发生器、谐波减速器及工业机器人

技术领域

本实用新型涉及谐波减速器领域，特别是涉及一种波发生器、谐波减速器及工业机器人。

背景技术

谐波减速器的波发生器包括凸轮和柔性轴承，凸轮和柔性轴承的内圈过盈配合，容易导致内圈的滚道发生畸变，几何精度和形位精度降低，影响柔性轴承运行的稳定性。谐波减速器工作时，柔性轴承的内圈在交变弯曲应力的反复作用下，可能发生断裂失效。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种波发生器，通过将凸轮和柔性轴承的内圈固定连接，能够改善过盈装配导致滚道发生畸变和断裂失效的问题。

本实用新型还提出一种具有上述波发生器的谐波减速器以及使用谐波减速器的工业机器人。

根据本实用新型第一方面实施例的波发生器，包括：

凸轮，包括基部和环形部，所述环形部环绕所述基部布置并固定连接于所述基部，所述环形部的外周壁设有第一滚道，所述第一滚道的表面硬度大于所述基部的表面硬度；

外圈，环绕所述凸轮设置，所述外圈朝向所述第一滚道的一侧设有第二滚道；

保持架，设于所述环形部和所述外圈之间；

多个滚动体，安装于所述保持架且活动连接于所述第一滚道和所述第二滚道之间。

根据本实用新型实施例的波发生器，至少具有如下有益效果：

通过将多个滚动体设置在环形部的第一滚道和外圈的第二滚道之间，且通过保持架限制滚动体的位置，能够减小凸轮转动时的摩擦力。由于凸轮包括固定连接于基部的环形部，环形部固定在基部后再加工出第一滚道，因此不存在基部和环形部需要过盈装配而导致的第一滚道发生畸变的问题，保证第一滚道的几何精度和形位精度，提高波发生器运行的稳定性。同时能够改善环形部在交变弯曲应力的反复作用下，导致环形部断裂失效的问题，从而提高环形部的强度，提高波发生器的使用寿命。第一滚道的表面硬度大于基部的表面硬度，可以提高第一滚道的承载能力和耐磨性，从而提高第一滚道的使用寿命和性能。

根据本实用新型的一些实施例，所述环形部成型于所述基部，所述环形部的材料硬度大于所述基部的材料硬度。

根据本实用新型的一些实施例，所述环形部与所述基部为材料相同的一体成型件，所述第一滚道的表面形成有硬度层，所述硬度层通过热处理工艺形成，所述硬度层的硬度大于所述基部的表面硬度。

根据本实用新型的一些实施例，所述环形部与所述基部为材料相同的一体成型件，所述第一滚道的表面形成有硬度层，所述硬度层通过嵌入金属形成，所述硬度层的硬度大于所述基部的表面硬度。

根据本实用新型的一些实施例，沿所述凸轮的径向，所述第一滚道的最大深度小于所述环形部的厚度。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一滚道的最大深度为H₁，所述环形部的厚度为H₂，满足H₂-H₁≥1mm。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一滚道的硬度为X，满足：56HRC≤X≤68HRC；和/或，所述第二滚道的硬度为Y，满足：56HRC≤Y≤68HRC。

根据本实用新型的一些实施例，所述基部采用球墨铸铁、合金钢中的其中一种制成；和/或，所述环形部采用轴承钢、合金钢中的一种制成。

根据本实用新型第二方面实施例的谐波减速器，包括上述实施例所述的波发生器。

根据本实用新型实施例的谐波减速器，至少具有如下有益效果：

通过将多个滚动体设置在环形部的第一滚道和外圈的第二滚道之间，且通过保持架限制滚动体的位置，能够减小凸轮转动时的摩擦力。由于凸轮包括固定连接于基部的环形部，环形部固定在基部后再加工出第一滚道，因此不存在基部和环形部需要过盈装配而导致的第一滚道发生畸变的问题，保证第一滚道的几何精度和形位精度，提高波发生器运行的稳定性。同时能够改善环形部在交变弯曲应力的反复作用下，导致环形部断裂失效的问题，从而提高环形部的强度，提高波发生器的使用寿命。第一滚道的表面硬度大于基部的表面硬度，可以提高第一滚道的承载能力和耐磨性，从而提高第一滚道的使用寿命和性能。

根据本实用新型第三方面实施例的工业机器人，包括第二方面实施例所述的谐波减速器。

根据本实用新型实施例的工业机器人，至少具有如下有益效果：

通过采用本实用新型第二方面实施例的谐波减速器，谐波减速器设置在工业机器人的转动关节处，通过将输入速度减小并传递给输出轴，实现对工业机器人关节的精确位置和速度控制。谐波减速器可以将高速低扭矩的电机输出转换为低速高扭矩的输出，满足机器人的运动需求。谐波减速器的结构紧凑、体积小巧，能够实现高扭矩输出的同时保持较小的重量，使工业机器人能够运动顺畅，减小工业机器人维护的频率，降低使用成本，提高工业机器人的可靠性。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，其中：

图1是本实用新型一种实施例的谐波减速器的结构示意图；

图2是本实用新型一种实施例的谐波减速器的爆炸图；

图3是本实用新型一种实施例的波发生器；

图4是图3中A-A处的剖视图；

图5是图3中的波发生器隐藏滚动体的剖视图；

图6是本实用新型另一种实施例的波发生器的结构示意图。

附图标记：

谐波减速器1000；

波发生器100；凸轮110；基部111；环形部112；第一滚道113；外圈120；第二滚道121；滚动体130；保持架140；

刚轮200；

柔轮300。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

谐波齿轮减速器是一种由固定的内齿刚轮、柔轮以及使柔轮发生径向变形的波发生器组成的减速器，柔轮套设在波发生器的外侧，刚轮套设在柔轮的外侧，通过波发生器驱动柔轮径向变形并旋转，使柔轮产生弹性变形，并通过刚轮与柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动。由于谐波减速器的固有特性，柔轮与刚轮啮合的区域较大，使其承载能力相对高，使得谐波减速器广泛应用于电子、航天航空、工业机器人等领域。谐波减速器的运用场景趋向于小型设备，目前谐波减速器朝着高速度、高刚性、长寿命等方面发展。波发生器包括凸轮和柔性轴承，凸轮和柔性轴承的内圈过盈配合，容易导致内圈的滚道发生畸变，几何精度和形位精度降低，影响柔性轴承运行的稳定性。且谐波减速器工作时，柔性轴承的内圈在交变弯曲应力的反复作用下，可能发生断裂失效。

基于此，本实用新型提供一种波发生器，通过将凸轮和柔性轴承的内圈做成一体结构，能够改善内圈的滚道发生畸变和内圈容易断裂失效的问题。

下面结合附图进行说明：

参照图1和图2所示，本实用新型一种实施例的波发生器100，用于谐波减速器1000。参照图3、图4和图5所示，本实用新型实施例的波发生器100包括凸轮110、外圈120、保持架140和多个滚动体130。凸轮110包括基部111和环形部112，环形部112环绕基部111布置且固定连接于基部111，环形部112的外周壁设有第一滚道113，第一滚道113环绕环形部112设置，且第一滚道113的表面硬度大于基部111的硬度。外圈120环绕凸轮110且间隔设置，外圈120朝向第一滚道113的一侧设有第二滚道121。保持架140设置在环形部112和外圈120之间，多个滚动体130安装于保持架140且活动连接于第一滚道113和第二滚道121。保持架140起到分隔相邻滚动体130的作用，避免相邻的滚动体130相接触，从而确保滚动体130沿预定位置运动。滚动体130起到减小外圈120和环形部112摩擦力的作用，有效降低滚道磨损的情况，提高波发生器100的使用寿命。

可以理解的是，由于凸轮110包括固定连接于基部111的环形部112，环形部112固定在基部111后再加工出第一滚道113，因此不存在基部111和环形部112需要过盈装配而导致的第一滚道113发生畸变的问题，保证第一滚道113的几何精度和形位精度，提高波发生器100运行的稳定性。同时能够改善环形部112在交变弯曲应力的反复作用下，导致环形部112容易断裂失效的问题，从而提高环形部112的强度，提高波发生器100的使用寿命。第一滚道113的表面硬度大于基部111的硬度，可以提高第一滚道113的承载能力和耐磨性，从而提高第一滚道113的使用寿命和性能。

需要说明的是，为了使得第一滚道113的表面硬度大于基部111的表面硬度，可以通过多种方式实现，例如通过以下三种实施例实现：

本实用新型的第一种实施例中，环形部112成型于基部111，环形部112的材料硬度大于基部111的材料硬度。例如，环形部112和基部111采用不同的材料制作，从而获得不同的硬度。当环形部112和基部111采用不同的材料制作时，举例来说，基部111采用球墨铸铁，环形部112采用轴承钢；或者基部111采用球墨铸铁，环形部112采用合金钢；或者基部111采用合金钢，环形部112采用轴承钢。通过铸造的方式，将两种不同的材料一体成型。可以先浇筑成型基部111，然后在基部111的外周壁浇上另一种材料的金属溶液以形成环形部112，从而铸成凸轮110的毛坯，后续再进行加工。其他方式还可以是采用堆叠法、粉末冶金、离心浇铸等工艺方法实现，通过控制成型工艺的条件来调整两种不同材料在连接处的强度，从而确保两种材料不会分离，以提高连接的稳定性。

其中，球墨铸铁具有抗拉强度高、韧性好、耐磨性强、耐冲击、成本低等，不易发生断裂、疲劳、脆性破坏等问题。轴承钢具有高硬度、高强度和耐磨性等优点，适应高温和高速工作条件，具有良好的抗疲劳性能和抗热变形能力。合金钢具有高强度、良好的热处理性能和抗腐蚀性能。它可以在各种温度和应力条件下工作，并且具有较高的寿命和耐久性。因此根据实际情况选择合适的材料进行组合，在满足波发生器100的性能需求下，合理规划使用材料以降低生产成本。

参照图6所示，本实用新型的第二种实施例中，环形部112和基部111为材料相同的一体成型件，第一滚道113的表面形成有硬度层，硬度层通过采用不同的热处理方式形成。例如，环形部112和基部111都采用合金钢制成，后续可以在第一滚道113上采用高频热处理的方式来提高第一滚道113的硬度。举例来说，通过加热第一滚道113的表面至临界温度以上，然后迅速冷却，可以使第一滚道113的表面结构变得更加致密，使得第一滚道113形成硬度层。提高第一滚道113的硬度可以增强第一滚道113对载荷和磨损的抵抗能力。高频热处理还可以改善第一滚道113的耐疲劳性能，通过调整热处理参数，可以消除内部应力，提高材料的抗拉伸强度和抗变形能力，从而延长第一滚道113的使用寿命，使其具备较高的强度、韧性和耐磨性，提高整体性能。环形部112固定在基部111后再加工出第一滚道113，因此不存在基部111和环形部112需要过盈装配而导致的第一滚道113发生畸变的问题，保证第一滚道113的几何精度和形位精度，提高波发生器100运行的稳定性。

在另一些实施例中，除了可以采用高频热处理，还可以是通过碳氮共渗、回火等方式。而高频热处理的方式和碳氮共渗的处理方式相比，先碳氮共渗后加工第一滚道113，硬化后难以加工。如果是先加工再进行碳氮共渗，由于滚道的不规则，容易导致变形。而高频热处理只是对环形部112一定深度的表面强化，环形部112的内部基本上保持处理前的组织和性能，因为是局部加热，所以能显著减少淬火时导致的变形，还能降低能耗。

参照图6所示，当环形部112和基部111为材料相同的一体成型件，为了提高第一滚道113的硬度，本实用新型的第三种实施例中，还可以是通过在第一滚道113嵌入硬度更高的金属的方式以形成硬度层，从而提高第一滚道113的硬度，具体根据实际情况选择合适的方式。

参照图5所示，本实用新型的实施例中，沿凸轮110的径向，第一滚道113的最大深度小于环形部112的厚度，即第一滚道113完全设置在环形部112上，不能超过环形部112的厚度。例如，第一滚道113的最大深度为H₁，环形部112的厚度为H₂，满足：H₂-H₁≥1mm。例如H₂和H₁之间的差值可以是1.5mm、2mm、2.5mm、3mm等。能够保证构成第一滚道113的材料一致，以避免出现因此两种材料不一致导致第一滚道113各部位的性能不相同的情况。假设第一滚道113的最大深度超过环形部112的厚度，由于构成第一滚道113的材料不一致，导致第一滚道113各部位的性能不尽相同，当滚动体130在第一滚道113上运行时，容易使得第一滚道113在两种材料的连接处产生较大的磨损，从而降低第一滚道113的强度和耐磨性，还降低使用寿命。因此，第一滚道113的最大深度小于环形部112的厚度，使得构成第一滚道113的材料一致，能够提高第一滚道113的耐磨性和使用寿命。

本实用新型的实施例中，第一滚道113的硬度为X，满足：56HRC≤X≤68HRC；第二滚道121的硬度为Y，满足：56HRC≤Y≤68HRC。需要说明的是，洛氏硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度值的指标，以0.002毫米作为一个硬度单位。在洛氏硬度试验中采用不同的压头和不同的试验力，会产生不同的组合，对应于洛氏硬度不同的标尺。常用的有3个标尺，其应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。HRA是采用60Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度较高的材料。例如钢材薄板、硬质合金。HRB是采用100Kg载荷和直径1.5875mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料。例如软钢、有色金属、退火钢等。HRC是采用150Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度较高的材料。例如淬火钢、铸铁等。

可以理解的是，假设第一滚道113的硬度小于56HRC，第一滚道113的强度不足，容易加剧磨损，导致第一滚道113的寿命降低。假设第一滚道113的硬度大于68HRC，导致加工难度大，成本高，且脆性增加，抗冲击能力下降。因此，合理设计第一滚道113的硬度，能够提高第一滚道113强度的同时，将成本控制在合理的范围。假设第二滚道121的硬度小于56HRC，容易导致第二滚道121的强度不足，加剧磨损，导致第二滚道121的寿命降低。假设第二滚道121的硬度大于68HRC，导致加工难度大，成本高，且脆性增加，抗冲击能力下降。因此，合理设计第二滚道121的硬度，能够提高第二滚道121强度的同时，将成本控制在合理的范围。

本实用新型的实施例中，滚动体130可以是滚珠，滚珠的圆形滚动接触在第一滚道113和第二滚道121上，承受和传递轴向和径向载荷。滚珠的球形外形可以使波发生器100在多个方向上承载力分布均匀，使得波发生器100具备较高的承载能力。同时，滚珠与第一滚道113和第二滚道121之间的滚动接触可以减小摩擦，相对于滑动摩擦来说具有更低的能量损失。采用滚动摩擦的方式可以减少的热量产生，降低能量损耗，提高波发生器100的工作效率和运行的平稳性。且由于滚动接触的特性，采用滚珠作为滚动体130相对于其他类型的滚动体130来说，可以减小振动和噪音。滚珠和滚道之间的间隙可以减少冲击和振动，使波发生器100的运行更加平稳，从而降低噪音产生。本实用新型的另一种实施例中，滚动体130还可以是滚柱，具体根据实际情况选择合适的滚动体130，本实用新型在此不再具体限定。

本实用新型一种实施例的谐波减速器1000，包括以上实施例的波发生器100。谐波减速器1000还包括刚轮200和柔轮300，波发生器100的外圈120和柔轮300的内壁间隙配合，柔轮300的外齿部和刚轮200的内齿部啮合。当凸轮110转动时，柔轮300能够通过反复形变，使得外齿部和不同的内齿部啮合，从而带动柔轮300和刚轮200相对运动。

本实用新型实施例的谐波减速器1000，采用上述实施例的波发生器100，通过将多个滚动体130设置在环形部112的第一滚道113和外圈120的第二滚道121之间，且通过保持架140限制滚动体130的位置，能够减小凸轮110转动时的摩擦力。由于凸轮110包括固定连接于基部111的环形部112，环形部112固定在基部111后再加工出第一滚道113，因此不存在基部111和环形部112需要过盈装配而导致的第一滚道113发生畸变的问题，保证第一滚道113的几何精度和形位精度，提高波发生器100运行的稳定性。同时能够改善环形部112在交变弯曲应力的反复作用下，导致环形部112容易断裂失效的问题，从而提高环形部112的强度，提高波发生器100的使用寿命。第一滚道113的表面硬度大于基部111的硬度，可以提高第一滚道113的承载能力和耐磨性，从而提高第一滚道113的使用寿命和性能。

由于谐波减速器1000采用了上述实施例的波发生器100的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再赘述。

本实用新型一种实施例的工业机器人，包括以上实施例的谐波减速器1000，工业机器人可以是搬运机器人、焊接机器人、装配机器人、加工机器人、喷涂机器人、洁净机器人、协作机器人等。谐波减速器1000通常设置在工业机器人的转动关节处，谐波减速器1000通过将输入速度减小并传递给输出轴，实现对工业机器人关节的精确位置和速度控制。谐波减速器1000可以将高速低扭矩的电机输出转换为低速高扭矩的输出，满足机器人的运动需求。谐波减速器1000还具有极高的传动精度和重复性，通常可实现精确的运动控制。对于工业机器人的定位和运动精度至关重要，特别是在要求高度精确的应用中，如装配、焊接、精密加工等。谐波减速器1000相比于其他传动装置，其结构紧凑、体积小巧，能够实现高扭矩输出的同时保持较小的重量。这对于工业机器人来说尤为重要，使得工业机器人在有限的空间内实现高度灵活的运动。

本实用新型实施例的工业机器人，采用上述实施例的谐波减速器1000，通过将谐波减速器1000的波发生器100的多个滚动体130设置在环形部112的第一滚道113和外圈120的第二滚道121之间，且通过保持架140限制滚动体130的位置，能够减小凸轮110转动时的摩擦力。由于凸轮110包括固定连接于基部111的环形部112，环形部112固定在基部111后再加工出第一滚道113，因此不存在基部111和环形部112需要过盈装配而导致的第一滚道113发生畸变的问题，保证第一滚道113的几何精度和形位精度，提高波发生器100运行的稳定性。同时能够改善环形部112在交变弯曲应力的反复作用下，导致环形部112容易断裂失效的问题，从而提高环形部112的强度，提高波发生器100的使用寿命。第一滚道113的表面硬度大于基部111的硬度，可以提高第一滚道113的承载能力和耐磨性，从而提高第一滚道113的使用寿命和性能。

由于工业机器人采用了上述实施例的谐波减速器1000的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再赘述。

上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.波发生器，其特征在于，包括：

凸轮，包括基部和环形部，所述环形部环绕所述基部布置并固定连接于所述基部，所述环形部的外周壁设有第一滚道，所述第一滚道的表面硬度大于所述基部的表面硬度；

外圈，环绕所述凸轮设置，所述外圈朝向所述第一滚道的一侧设有第二滚道；

保持架，设于所述环形部和所述外圈之间；

多个滚动体，安装于所述保持架且活动连接于所述第一滚道和所述第二滚道之间。

2.根据权利要求1所述的波发生器，其特征在于，所述环形部成型于所述基部，所述环形部的材料硬度大于所述基部的材料硬度。

3.根据权利要求1所述的波发生器，其特征在于，所述环形部与所述基部为材料相同的一体成型件，所述第一滚道的表面形成有硬度层，所述硬度层通过热处理工艺形成，所述硬度层的硬度大于所述基部的表面硬度。

4.根据权利要求1所述的波发生器，其特征在于，所述环形部与所述基部为材料相同的一体成型件，所述第一滚道的表面形成有硬度层，所述硬度层通过嵌入金属形成，所述硬度层的硬度大于所述基部的表面硬度。

5.根据权利要求1所述的波发生器，其特征在于，沿所述凸轮的径向，所述第一滚道的最大深度小于所述环形部的厚度。

6.根据权利要求5所述的波发生器，其特征在于，所述第一滚道的最大深度为H₁，所述环形部的厚度为H₂，满足H₂-H₁≥1mm。

7.根据权利要求1所述的波发生器，其特征在于，所述第一滚道的硬度为X，满足：56HRC≤X≤68HRC；和/或，所述第二滚道的硬度为Y，满足：56HRC≤Y≤68HRC。

8.根据权利要求1所述的波发生器，其特征在于，所述基部采用球墨铸铁、合金钢中的其中一种制成；和/或，所述环形部采用轴承钢、合金钢中的一种制成。

9.谐波减速器，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的波发生器。

10.工业机器人，其特征在于，包括如权利要求9中所述的谐波减速器。