基于章动减速和摩擦传动的机器人关节减速器及设计方法与流程

本发明涉及机器人关节减速器技术领域，具体为基于章动减速和摩擦传动的机器人关节减速器及设计方法。

背景技术：

随着工业化进程和自动化、无人化工厂的逐步发展，工业机器人在各领域应用日渐扩大，但我国机器人关键零部件产业尚与世界发达国家有一定差距。在工业机器人各零部件中，关节减速器为关节型工业机器人本体中最关键的部件，具有保证工业机器人定位精度、使用寿命等关键性能的作用。

而现有的关节减速器，存在整体结构复杂、装配维护困难、使用寿命受到材料限制等缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于章动减速和摩擦传动的机器人关节减速器及设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于章动减速和摩擦传动的机器人关节减速器及设计方法，包括：

外壳，所述外壳由轴承基座、上定位环、下定位环共同组成，所述外壳用于减速器的安装基准，用以定位安装减速器本体，所述轴承基座上安装有定位针和小夹板，

章动轮座，所述章动轮座安装于下定位环上，所述章动轮座上安装有章动轮；

还包括安装于上定位环输出法兰。

优选的，所述外壳内安装一对薄壁四点接触球轴承或交叉滚子轴承，用以作为章动轮座和输出法兰的回转基准，使输入回转运动和输出回转运动同轴。

优选的，所述章动轮座内安装有一同减速器输入、输出轴线成一角度的轴承座，所述的轴承座通过薄壁四点接触球轴承或交叉滚子轴承安装有章动轮，章动轮座内章动轮安装轴线与减速器输入、输出轴线所成夹角即为减速器章动角。

优选的，所述章动轮为一带轴颈的外球面光轮，其工作面为外锥面。

优选的，所述章动轮外球面上有一道滑槽。

优选的，所述定位针为一具有光滑球头的陶瓷针，通过小夹板安固定于轴承基座上；所述定位针的球头表面为工作面，定位针球头在滑槽内滑动，用于抑制章动轮旋转。

优选的，所述输出法兰的工作面一端为内锥面，与所述章动轮外锥面接触并压紧，输出法兰另一端为一平法兰面。

在本发明所述基于章动减速的机器人关节减速器中，为减小减速器体积，将一般机器人关节减速器中高速输入端上的动力输入零件和联轴器做一体化设计，为章动轮座；将一般机器人关节减速器中低速输出端上的动力输出零件和章动减速机构中的内锥轮做一体化设计，为输出法兰。又由章动减速原理：将章动减速机构中的销轴设计为定位针，固定安装在减速器外壳上；将章动减速机构中的外锥轮设计为章动轮，安装在章动轮座上。由于章动轮相对于减速器本体不发生转动，故而其与章动轮座之间需要有回转支承以保证相对转动灵活。

进一步的，由于章动减速传动中，内、外锥轮上接触母线间无相对滑动，为减小工艺难度，避免内锥轮锥面上齿形加工困难，故而采取摩擦传动，即所述章动轮和输出法兰的传动工作面都为光面。

进一步的，由于本发明中章动减速传动采用摩擦传动，同时输出法兰末端所连接的执行部件也应考虑其有多种受力方向问题，故而所述减速器中各处回转支承均应能够同时承受径向载荷和各方向上的轴向载荷。为保证所述减速器结构紧凑性，在额定载荷较低的型号中选用四点接触球轴承；在额定载荷较高的型号中选用交叉滚子轴承作为所述减速器中各处的回转支承。

进一步的，所述减速器中各输入、输出、传动零部件应安装在一个能够准确定位安装在其他外部结构上的壳体中，为保证制造和装配性能，故将该壳体设计为三段、分别为下定位环、轴承基座、上定位环。

一种基于摩擦传动的章动减速器设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定工作条件与减速比；

(2)依据减速器所需扭矩载荷、减速比确定减速器中章动轮大端直径和输出法兰内锥面大端直径；

(3)选取适当的章动角，一般为2°～5°之间，采用图解法确定章动轮锥面锥角和输出法兰内锥面锥角；

(4)确定减速器核心零件具体尺寸；

(5)依据所需扭矩载荷和章动轮锥面锥角、输出法兰内锥面锥角，计算减速器内部轴向压力，进一步选定减速器中各位置回转支承型号；依据各回转支承型号，确定章动轮、章动轮座具体尺寸，确定转动输入的连接方式；依据各回转支承型号，确定输出法兰具体尺寸，确定转动输出的连接方式；依据减速器中各核心部件具体尺寸，设计下定位环、轴承基座、上定位环具体尺寸，确定减速器定位安装方式

(6)依据输入端转速，计算章动轮、章动轮座转动惯量，依据该转动惯量及定位针材料力学性能和安装空间，设计定位针具体尺寸、安装方式。

本发明提供了基于章动减速和摩擦传动的机器人关节减速器及设计方法，具备以下有益效果：

该种类机器人关节减速器结构简单紧凑；在有限空间下能达到极高的传动速比；在中低功率的扭矩载荷下定位精度高、传动平稳；且由于章动传动结构特点，输出法兰对章动轮的正压力作用在该结构死点位置，在不破坏摩擦传动条件的情况下可实现方向自锁。同时利用该设计方法，结合摩擦传动结构简单、制造方便的特点，可以随时对具体案例做出具体方案调整，不局限于固定传动比和尺寸系列，能够实现快速、个性化方案实施，且具备扭矩载荷合理、传动速比大、传动精度高、传动平稳、反向自锁、结构简单紧凑等优点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为设计章动传动机构时，图解法设计内、外锥轮锥角的示意图。

图中：301章动轮座，303章动轮，304四点接触球轴承，306四点接触球轴承，307下定位环，309轴承基座，310定位针，311小夹板，313输出法兰，314四点接触球轴承，315上定位环。

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。

实施例1

如图1所示，本发明提供技术方案：基于章动减速和摩擦传动的机器人关节减速器，其特征是，包括：

外壳，所述外壳由轴承基座309、上定位环315、下定位环307共同组成，所述外壳用于减速器的安装基准，用以定位安装减速器本体，所述轴承基座309上安装有定位针310和小夹板311，

章动轮座301，所述章动轮座301安装于下定位环307上，所述章动轮座301上安装有章动轮303；

还包括安装于上定位环315输出法兰313。

所述外壳内安装一对薄壁四点接触球轴承或交叉滚子轴承，用以作为章动轮座301和输出法兰313的回转基准，使输入回转运动和输出回转运动同轴。

所述章动轮座301内安装有一同减速器输入、输出轴线成一角度的轴承座，所述的轴承座通过薄壁四点接触球轴承或交叉滚子轴承安装有章动轮303，章动轮座301内章动轮303安装轴线与减速器输入、输出轴线所成夹角即为减速器章动角。

所述章动轮303为一带轴颈的外球面光轮，其工作面为外锥面。

所述章动轮303外球面上有一道滑槽。

所述定位针310为一具有光滑球头的陶瓷针，通过小夹板311安固定于轴承基座309上；所述定位针310的球头表面为工作面，定位针310球头在所述滑槽内滑动，用于抑制章动轮旋转。

所述输出法兰313的工作面一端为内锥面，与所述章动轮303外锥面接触并压紧，输出法兰313另一端为一平法兰面。

实施例2

在图1所示的具体实施例中，是一种用于小型6关节机械手末端关节的扁圆柱形精密减速器，其设计减速比为40∶1，设计功率容量100w，设计最高输出扭矩20n·m。

由于减速器传动零件间依靠滚动摩擦力作为驱动力，为保证减速器核心零件寿命和使用性能，一般选用轴承钢或高锰弹簧钢作为零件材料。在无润滑静摩擦工况下，钢与钢之间摩擦系数取0.15计算，初选输出法兰内锥面大端直径41mm，所需静摩擦力大小为1kn，则依据减速比，章动轮锥面大端直径为40mm。

初选章动角θ＝3°，由图解法确定章动轮锥面锥角和输出法兰内锥面锥角。如图2，平面上即为任取一圆心o，作一水平射线为章动减速器本体轴线记为线i，由圆心作另一射线与章动减速器本体轴线成章动角记为线ii。作线段iii垂直于线ii，其长为章动轮锥面大端半径，即20mm；作线段iv垂直于线i，其长为章动轮锥面大端半径，即20.5mm。且有线段iii、线段iv交于a点。连接oa，记oa为线v。则线i与线v夹角φ1即为输出法兰内锥面的半锥角；线ii与线v夹角φ2即为章动轮锥面的半锥角。

依据所需扭矩载荷和章动轮锥面锥角、输出法兰内锥面锥角，计算得减速器内部轴向压力为6.1kn。验算后知章动运动所需零件各尺寸参数符合载荷需求。由此选定章动轮与章动轮座间回转支承型号为k02508x型四点接触球轴承，选定章动轮座、输出法兰与减速器本体间回转支承型号为k05008x型四点接触球轴承。

依据章动运动所需零件各尺寸参数和各处回转支承安装标准，设计得到章动轮、章动轮座和输出法兰具体尺寸。其中章动轮座上动力输入方式为键连接；输出法兰上动力输出方式为圆柱销与螺钉连接。各零件具体形式如图1所示。

进一步的，依据减速器中各核心部件具体尺寸，设计下定位环、轴承基座、上定位环具体尺寸，确定减速器定位安装方式为直口定位、螺钉紧固连接。各零件具体形式如图1所示。

最后，由于本实施例中减速器体积较小，各零部件偏心量和转动惯量均不大，定位针采用普通材料均可满足要求；但考虑到定位针需要具有精确的尺寸精度和尺寸稳定型，并需要具有自润滑性，以及其安装空间狭小，故采用氧化锆陶瓷材料制作，采用小夹板及螺钉安装固定于轴承基座的内凸缘上，具体形式如图1所示。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。