专利名称：双圆弧谐波机器人关节的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机器人制造技术领域，特别是机器人关节的设计技术领域。
背景技术：
目前以渐开线齿形为基础的谐波机器人关节存在两个问题渐开线柔轮齿根部应力较大，由此导致谐波机器人关节的承载能力和抗扭转刚度不足的问题。柔轮齿根部应力分布与齿形轮廓相关，因此，采用其它齿形轮廓，减少柔轮齿根部应力。在谐波传动设计中，柔轮齿与刚轮齿啮合基于大挠度力学基础假定和几何设计，柔轮中线的弹性变形曲线的曲率不是一个常数，对波发生器可能致使柔轮弹性变形而导致的柔轮轮齿和刚轮轮齿的啮合干涉缺乏可视化检验。由于轮齿啮合存在干涉现象，导致谐波传动时齿变形大，啮合发热·大。因此，谐波传动设计方法中需引入可视化手段，在设计过程中检验和消除啮合齿干涉现象。
发明内容本实用新型目的在于提出一种能克服现有技术缺陷的双圆弧谐波机器人关节。本实用新型在关节外壳内连接一个刚性双圆弧齿轮，在所述刚性双圆弧齿轮内啮合一只柔性双圆弧杯状齿轮,在所述柔性双圆弧杯状齿轮内通过柔性轴承与双圆弧谐波减速器的波发生器连接，所述双圆弧谐波减速器的波发生器的控制端与一同步交流伺服电机的转子连接；在所述柔性双圆弧杯状齿轮的中心连接输出杆，所述输出杆间隙式穿置于所述关节外壳的一通孔中。通过同步交流伺服电机控制其转子发生转动，从而带动双圆弧谐波减速器的波发生器，使柔性双圆弧杯状齿轮与刚性双圆弧齿轮发生相对转动。本实用新型在计算机控制下，同步交流伺服电机为动力控制输入端，柔性双圆弧杯状齿轮为运动输出端；本实用新型在工艺上易于实现，谐波齿轮传动采用圆弧齿廓后，可以改善柔性双圆弧杯状齿轮齿根的应力状况和传动的啮合质量，提高机器人关节承载能力和扭转刚度。本实用新型具有平稳和准确执行运动的特点，在运动时具有低噪声和低发热的特点。本实用新型可通过ANSYS有限元软件模拟空载情况下的柔性双圆弧杯状齿轮变形后齿的分布情况，得出柔性双圆弧杯状齿轮的轮齿顶段的工作圆弧圆心相对于刚性双圆弧齿轮轮齿的圆心轨迹，从而得到刚性双圆弧齿轮的相切双圆弧齿廓；再通过刚性双圆弧齿轮的齿顶段工作圆弧圆心相对于柔性双圆弧杯状齿轮的轮齿的圆心轨迹，从而得到柔性双圆弧杯状齿轮的相切双圆弧齿廓，得出的柔性双圆弧杯状齿轮和刚性双圆弧齿轮相切双圆弧齿廓，可以保证单个柔性双圆弧杯状齿轮齿与刚性双圆弧齿轮齿连续共轭啮合，而且存在一段柔性双圆弧杯状齿轮凸齿廓和凹齿廓分别与刚性双圆弧齿轮凹齿廓和凸齿廓同时处于共轭运动的“双共轭”啮合区间。
[0007]图I为双圆弧谐波机器人关节原理图。图2为柔性双圆弧杯状齿轮的双圆弧齿廓曲线图。图3为刚性双圆弧齿轮的双圆弧齿廓曲线图。
具体实施方式
如图I所示，本实用新型在关节外壳8内连接一个刚性双圆弧齿轮7，在刚性双圆弧齿轮7内啮合一只柔性双圆弧杯状齿轮6，在柔性双圆弧杯状齿轮6内通过柔性轴承4与双圆弧谐波减速器的波发生器5连接，双圆弧谐波减速器的波发生器5的控制端与一同步交流伺服电机的转子I连接。在同步交流伺服电机的转子I外还设有定子，同步交流伺服电机还设有编码器2。在柔性双圆弧杯状齿轮6的中心连接输出杆9,输出杆间隙式9穿置于关节外壳8的一通孔8-1中。·当柔性双圆弧杯状齿轮6的齿数为120，刚性双圆弧齿轮7的齿数为122，模数为
I。当同步交流伺服电机的转子I旋转一周时，柔性双圆弧杯状齿轮6向相反方向旋转6度，实现转速比1:60。如图2、3所示，本实用新型的柔性双圆弧杯状齿轮6和刚性双圆弧齿轮7设计中米用双圆弧齿形。图2为柔性双圆弧杯状齿轮6的双圆弧齿廓曲线图，其中柔性双圆弧杯状齿轮6齿顶段工作圆弧半径为Ral，齿根段工作圆弧半径为Rfl，齿根处倒角半径为R1,为了防止柔性双圆弧杯状齿轮6的轮齿在啮入过程中发生齿顶顶死现象，作倒角处理，倒角半径为R2。图3为刚性双圆弧齿轮7的双圆弧齿廓曲线图，其中刚性双圆弧齿轮7顶段工作圆弧半径为Ra2，齿根段工作圆弧半径为Rf2，齿根处倒角半径为R3。设计的详细过程如下所述I、根据谐波传动啮合基本理论，通过ANSYS有限元软件模拟空载情况下的柔性双圆弧杯状齿轮6变形后齿的分布情况，得出柔性双圆弧杯状齿轮6轮齿顶段的工作圆弧圆心相对于刚性双圆弧齿轮7轮齿的圆心轨迹，从而得到刚性双圆弧齿轮7的相切双圆弧齿廓；再通过刚性双圆弧齿轮7齿顶段工作圆弧圆心相对于柔性双圆弧杯状齿轮6的轮齿的圆心轨迹，从而得到柔性双圆弧杯状齿轮6的相切双圆弧齿廓，得出的柔性双圆弧杯状齿轮6和刚性双圆弧齿轮7相切双圆弧齿廓，可以保证单个柔性双圆弧杯状齿轮6的轮齿与刚性双圆弧齿轮7的轮齿连续共轭啮合，而且存在一段柔性双圆弧杯状齿轮6凸齿廓和凹齿廓分别与刚性双圆弧齿轮7凹齿廓和凸齿廓同时处于共轭运动的“双共轭”啮合区间。在完成谐波齿轮传动的双圆弧齿形设计后，在UG环境下，进行柔性双圆弧杯状齿轮6和刚性双圆弧齿轮7完整的几何造型及参数化设计。2、根据有限元理论计算，双圆弧齿形齿轮在机械强度上与渐开线齿形有着明显的优势，采用双圆弧齿形设计后，柔性双圆弧杯状齿轮6齿根部应力减小25%左右，扭转刚度提高40%左右。因此选择双圆弧齿形为柔性双圆弧杯状齿轮6和刚性双圆弧齿轮7的齿廊，以提闻机器人关节承载能力和扭转刚度。3、应用有限元ANSYS软件分析柔性双圆弧杯状齿轮6和刚性双圆弧齿轮7在组装以后的变形状态，可视化显示柔性双圆弧杯状齿轮6变形后柔性双圆弧杯状齿轮6的轮齿与刚性双圆弧齿轮7的轮齿的啮合位置，模拟柔性双圆弧杯状齿轮6与刚性双圆弧齿轮7 之间的接触问题，检验刚性双圆弧齿轮7的轮齿与柔性双圆弧杯状齿轮6的轮齿的干涉问题。通过计算机可视化设计、检验和再设计过程，通过参数化设计，修正双圆弧齿形，调整压力角，保证齿啮合传动中无干涉现象发生，优化谐波齿轮传动，使双圆弧谐波机器人关节运动平稳，降低机器人关节发热，同时减低机器人关节工作噪声。
权利要求1.双圆弧谐波机器人关节，包括关节外壳，其特征在于在所述关节外壳内连接一个刚性双圆弧齿轮，在所述刚性双圆弧齿轮内啮合一只柔性双圆弧杯状齿轮，在所述柔性双圆弧杯状齿轮内通过柔性轴承与双圆弧谐波减速器的波发生器连接，所述双圆弧谐波减速器的波发生器的控制端与一同步交流伺服电机的转子连接；在所述柔性双圆弧杯状齿轮的中心连接输出杆，所述输出杆间隙式穿置于所述关节外壳的一通孔中。
专利摘要双圆弧谐波机器人关节，涉及机器人制造技术领域，特别是机器人关节的设计技术领域。在关节外壳内连接一个刚性双圆弧齿轮，在所述刚性双圆弧齿轮内啮合一只柔性双圆弧杯状齿轮，在所述柔性双圆弧杯状齿轮内通过柔性轴承与双圆弧谐波减速器的波发生器连接，所述双圆弧谐波减速器的波发生器的控制端与一同步交流伺服电机的转子连接；在所述柔性双圆弧杯状齿轮的中心连接输出杆，所述输出杆间隙式穿置于所述关节外壳的一通孔中。本实用新型可以改善柔性双圆弧杯状齿轮齿根的应力状况和传动的啮合质量，提高机器人关节承载能力和扭转刚度。本实用新型具有平稳和准确执行运动的特点，在运动时具有低噪声和低发热的特点。
文档编号B25J17/00GK202702250SQ201220179699
公开日2013年1月30日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者黄迪山, 张加兵 申请人:扬州谐波传动科技有限公司