一种超薄型外转子谐波减速一体机的制作方法

本发明涉及机器人关节处用电机、减速器及驱动系统集成一体机驱动领域，尤其是应用于服务类机器人关节处驱动的超薄型外转子谐波减速一体机。

背景技术：

谐波减速一体机是机器人关节处用来驱动机器人连杆运动的驱动执行元件，它是将伺服电机、谐波减速器、驱动系统集成在一起的新型机器人专用型驱动执行器。目前，串联形式谐波减速一体机的组成结构主要有两种形式：

1、标准伺服电机与谐波减速器组合成谐波减速一体机，通过连接法兰和其他连接机构与谐波减速器结合在一起的这种结构往往长度做的很长，只能适用于工业机器人等对谐波减速一体机长度不敏感的领域。

2、无框电机模块与谐波减速器组合，这种结构在长度上可以比1方案缩短一个等级，但是对于一些对长度要求很严格的服务类机器人行业来说，以上两种方案仍不能满足要求。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种超薄型外转子谐波减速一体机，具有结构简单，设计合理，易于安装，稳定性好等优点。

为了实现本发明的目的和其它优点，提供了一种超薄型外转子谐波减速一体机，包括：

电机，其包括：

机壳，其为一多级式的中空桶状结构；

后端盖，其外周密封固定在所述机壳的尾部开口上，所述后端盖轴中心向所述机壳内延伸设置一中空定子轴；

转子，其包括转动设置在所述机壳中的转子轴和设置在所述转子轴外周的磁钢，且所述转子轴的轴向第一端从所述机壳的前端开口向外引出，所述转子轴的轴向第二端转动设置在所述中空定子轴中；

定子，其安装在所述中空定子轴外周，所述磁钢分布在所述定子外周；

谐波减速器，其包括：

波发器，其连接在所述转子轴轴向第一端上；

柔轮，其外周固定在所述机壳前端壁上，且所述柔轮套设在所述波发器外周；

刚轮，其套设在所述柔轮外周；以及

交叉滚子轴承，其轴向位于所述刚轮与所述机壳之间，且所述交叉滚子轴承套设在所述转子轴轴向第一端外周。

优选的，所述机壳的尾端敞开，所述后端盖内端面外周突出设置一第一凸台，且所述第一凸台的外径与所述机壳尾端开口的内径一致，所述机壳尾端开口贴合套设在所述第一凸台外周，所述第一凸台内侧外周开设一第一凹槽，所述第一凹槽内嵌设一第一密封圈，所述后端盖通过所述第一密封圈密封安装在所述机壳的尾端开口上。

优选的，所述机壳内依次设置有相互连通的第一圆柱形腔体、第二圆柱形腔体和第三圆柱形腔体，且内径依次增大，所述转子轴第一端转动设置在所述第一圆柱形腔体中，且所述转子轴与第一圆柱形腔体之间夹设一第一轴承；所述转子轴轴身上朝径向外侧延伸出一转动圆盘，所述转动圆盘转动设置在所述第三圆柱形腔体中，且所述转动圆盘的开口内周壁上开设一第一环形凹台，所述磁钢均匀贴合在所述第一环形凹台的内周壁上。

优选的，所述第一圆柱形腔体的开口内周凸出设置有一第一挡圈，所述第一挡圈与所述第一圆柱形腔体同轴配置，所述第二圆柱形腔体中安装有一限位块，所述第一轴承的外环被夹设在所述第一挡圈和所述限位块之间；所述转动圆盘前端壁内周的所述转子轴轴身上设置一限位台，且所述限位台间隔嵌设在所述限位块内周，所述波发器尾端抵触在所述第一轴承上，所述第一轴承的内环被夹设在所述波发器和所述限位台之间，所述第一轴承轴向位置被限定。

优选的，所述转子轴第二端轴身上依次设置有第一台阶和第二台阶，且所述第一台阶的外径大于所述第二台阶的外径，所述第一台阶转动设置在所述中空定子轴中，所述第一台阶与所述中空定子轴之间夹设一第二轴承，所述第二轴承的轴向位置被限定。

优选的，所述定子轴中心贯穿开设一通孔，所述中空定子轴的前端外周壁上开设一安装台，所述通孔的内径与所述安装台的外径一致，所述定子贴合固定在所述安装台上，且所述转动圆盘间隔包络在所述定子外周，各个所述磁钢间隔分布在所述定子外周空间。

优选的，所述转子轴第二端从所述中空定子轴的尾端开口向外引出，所述第二台阶轴端安装有一编码器码盘，所述编码器码盘外周的所述后端盖外端面上安装一编码器，所述编码器与所述编码器码盘间隔对准，所述编码器外侧套设有一编码器罩，所述编码器罩安装固定在所述后端盖外端面外周。

优选的，所述机壳前端壁外周开设一第一凹台，所述柔轮外周固定在所述第一凹台上，所述柔轮内周向前延伸直至被夹设在所述波发器和所述刚轮之间；所述交叉滚子轴承的外圈固定在所述第一凹台上，所述交叉滚子轴承的内圈前端壁与所述刚轮尾端壁固定，且所述交叉滚子轴承的内圈位于所述柔轮外周。

优选的，所述柔轮外周被夹设在所述交叉滚子轴承的外圈和所述机壳前端壁之间，所述第一凹台轴向外壁内周上开设一第二凹槽，所述第二凹槽中安装一第二密封圈；所述交叉滚子轴承的外圈尾端壁上开设一第三凹槽，所述第三凹槽中安装一第三密封圈。

优选的，所述交叉滚子轴承的外圈与所述刚轮之间用一油封密封；所述交叉滚子轴承的内圈前端壁上开设一第四凹槽，所述第四凹槽中安装一第四密封圈，所述第四密封圈被夹设在所述刚轮尾端壁与所述交叉滚子轴承的内圈之间。

本发明的有益效果如下：

1、本发明结构简单紧凑，设计合理，由定制外转子电机，谐波减速器，编码器等组成，具有结构扁平，安装简单，输出稳定，结构兼容性高等优点。

2、本发明的结构在无框电机的基础上使用外转子结构，从而扩大了转子的直径提高了电机的磁通，使在同等功率密度情况下电机可以设计的更薄。

3、本发明的外转子与减速机直连，省去了中间的过渡结构，使结构更加紧凑。

4、本发明运动过程由编码器完成全闭环控制，由于谐波减速器极低的齿背隙和极高的重复定位精度，从而保证了超薄型外转子谐波减速一体机高精度对外输出。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的侧向剖视图；

图2为本发明的爆炸图；

图3为本发明机壳的第一种侧视图；

图4为本发明机壳的第二种侧视图；

图5为本发明外转子的第一种侧视图；

图6为本发明外转子的第二种侧视图；

图7为本发明编码器的侧视图；

图8为本发明后端盖的第一种侧视图；

图9为本发明后端盖的第二种侧视图；

图10为本发明编码器罩的侧视图；

图11为本发明编码器码盘的剖视图。

图中：1、谐波减速器；2、机壳；3、转子；4、磁钢；5、定子；6、编码器；7、后端盖；8、编码器罩；9、编码器码盘；10、第一轴承；11、限位块；12、第二轴承；13、弹性挡圈；14、孔用挡圈；21、第一圆柱形腔体；22、第二圆柱形腔体；23、第三圆柱形腔体；24、第一凹台；25、第一螺孔；31、转子轴；32、转动圆盘；33、限位台；34、第一台阶；35、第二台阶；36、第四螺孔；61、圆柱形凹台；71、中空定子轴；72、第二环形凹台；73、第一凸台；74、第二凹台；75、环形凹槽；76、挡圈凹槽；81、环形凸起；91、中空套筒；101、波发器；102、柔轮；103、钢轮；104、交叉滚子轴承；211、第一挡圈；221、第二螺孔；241、第二凹槽；242、第五螺孔；321、第一环形凹台；711、安装台；712、第二挡圈；721、第三环形凹台；722、第三螺孔；731、第一凹槽；811、第五凹槽；911、第三挡圈；1041、第四凹槽；1042、第三凹槽；1043、油封。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

请参阅图1和图2，本发明提供一种技术方案：一种超薄型外转子谐波减速一体机，包括电机和谐波减速器1。

具体的，电机包括：机壳2、转子3和定子5。本实施例中，机壳2为多级式的中空桶状结构，后端盖7外周密封固定在机壳2的尾部开口上，后端盖7轴中心向机壳2内延伸设置中空定子轴71，转子3包括转动设置在机壳2中的转子轴31和设置在转子轴31外周的磁钢4，中空定子轴71外周用于安装定子5，将定子5安装在中空定子轴71外周，磁钢4分布在定子5外周。转子轴31的轴向第一端从机壳2的前端开口向外引出，中空定子轴71内侧用于安装定位转子轴31，转子轴31的轴向第二端转动设置在中空定子轴71中。

机壳2的尾端敞开，后端盖7内端面外周突出设置第一凸台73，且第一凸台73的外径与机壳2尾端开口的内径一致，机壳2的尾端开口贴合套设在第一凸台73外周，第一凸台73内侧外周开设第一凹槽731，第一凹槽731内嵌设第一密封圈，后端盖7通过第一密封圈密封安装在机壳2的尾端开口上，更进一步的，机壳2的尾端外周壁上间隔开设有若干第一螺孔25，机壳2的尾端和后端盖7通过穿过第一螺孔25的螺栓进行固定。

机壳2内依次设置有相互连通的第一圆柱形腔体21、第二圆柱形腔体22和第三圆柱形腔体23，且内径依次增大，机壳2中转动设置有转子3，具体的，转子轴31第一端转动设置在第一圆柱形腔体21中，且转子轴31与第一圆柱形腔体21之间夹设有第一轴承10，从而实现转子3与机壳2之间的相对运动。

转子轴31轴身上朝径向外侧延伸出转动圆盘32，转动圆盘32与转子轴31同轴转动，且转动圆盘32转动设置在第三圆柱形腔体23中；转动圆盘32的开口朝向尾端，转动圆盘32的开口内周壁上开设有第一环形凹台321，磁钢4均匀贴合在第一环形凹台321的内周壁上，转动圆盘32间隔包络在定子5外周，也就是将磁钢4间隔包络在定子5外周，从而形成一完整的外转子电机，通过对定子5励磁，即可驱动磁钢4及整个转子3转动，带动谐波减速器转动输出。

本实施例中，第一轴承10的轴向位置被限定。

具体的，第一圆柱形腔体21的开口内周凸出设置有第一挡圈211，第一挡圈211与第一圆柱形腔体21同轴配置，从而使得开口内径小于第一圆柱形腔体21的内径，第一挡圈211抵触在第一轴承10外环的前端；第二圆柱形腔体22中安装有一限位块11，第二圆柱形腔体22的前端壁上开设有第二螺孔221，限位块11通过穿过第二螺孔221的螺栓进行固定，限位块11抵触在第一轴承10外环的尾端，即第一轴承10的外环轴向限定在第一挡圈211和限位块11之间。

转动圆盘32前端壁内周的转子轴31轴身上凸出设置有限位台33，且限位台33间隔嵌设在限位块11内周，限位台33抵触在第一轴承10内环的尾端；转子轴31的轴向第一端延伸出第一圆柱形腔体21，且转子轴31的轴向第一端上套设有波发器101，波发器101的尾端抵触在第一轴承10内环的前端，第一轴承10的内环被夹设在波发器101和限位台33之间，从而将第一轴承10的轴向位置限定。

定子5轴中心贯穿开设有通孔，中空定子轴71的前端外周壁上开设有安装台711，通孔的内径与安装台711的外径一致，定子5贴合固定在安装台711上，且定子5嵌设在转动圆盘32内周，磁钢4间隔分布在定子5的外周。

由上可知，转动圆盘32间隔包络在定子5的外周，且各个磁钢4贴合设置在转子轴31外周的同时还间隔分布在定子5的外周空间，从而形成外转子结构，磁场密度更高，扭矩更大。随着给定子5励磁信号，即可驱动磁钢4及转动圆盘32转动，从而带动转子轴31同步转动。也就是说，本发明的结构在无框电机的基础上使用外转子结构，从而扩大了转子的直径，提高了电机的磁通，使在同等功率密度情况下将电机设计的更薄，有利于整体的尺寸减小。

转子轴31第二端的轴身上依次设置有第一台阶34和第二台阶35，且第一台阶34的外径大于第二台阶35的外径，第一台阶34转动设置在中空定子轴71中，第一台阶34与中空定子轴71之间夹设有第二轴承12，从而实现转子3与后端盖7之间的相对运动。

本实施例中，第二轴承12的轴向位置被限定。

具体的，中空定子轴71的开口内周凸出设置有第二挡圈712，第二挡圈712与中空定子轴71同轴配置，从而使得开口内径小于中空定子轴71的腔体内径，第二挡圈712抵触在第二轴承12外环的前端；第二轴承12内环的前端贴合在第一台阶34的前端侧壁上；第二轴承12的尾端设有弹性档圈13，弹性档圈13外侧用弹簧进行抵触，从而将第二轴承12的轴向位置限定。其中，本实施例采用弹性档圈13这种定位方法，所占的轴向位置小，安装拆卸方便，制造简单，使电机的结构更加紧凑。

转子轴31第二端从中空定子轴71的尾端开口向外引出，中空定子轴71的尾端内周壁上开设有挡圈凹槽76，挡圈凹槽76内嵌设有孔用挡圈14，孔用挡圈14套设在第二台阶35外周，使转子轴31第二端径向位置被限定。

本实施例中，第二台阶35轴端安装有编码器码盘9，编码器码盘9随转子轴31同步转动，编码器码盘9外周的后端盖7外端面上安装有编码器6，编码器6与编码器码盘9间隔对准，对着编码器码盘9的转动，编码器6采集编码器码盘9上的转动信号，得到转子轴31的转速信号。

具体的，编码器码盘9轴中心贯穿设置有中空套筒91，中空套筒91的内径与第二台阶35的外径一致，中空套筒91内周壁上凸出设置有第三挡圈911，第三挡圈911与中空套筒91同轴设置，第三挡圈911的前端壁与第二台阶35的轴端抵触，使第二台阶35轴端贴合嵌设在中空套筒91内且轴向位置被限定，进而实现转子轴31带动编码器码盘9进行同步转动。

后端盖7外端面内周开设有第二环形凹台72，第二环形凹台72的内侧壁上开设有第三环形凹台721，第二环形凹台72、第三环形凹台721和后端盖7同轴设置。其中，第二环形凹台72的内径与编码器6的外径一致，第二环形凹台72的内侧壁上间隔开设有第三螺孔722，编码器6前端内周编码器6通过穿过第三螺孔722的螺栓固定在后端盖7上；第三环形凹台721的内侧壁与中空定子轴71的尾端开口连通，且第三环形凹台721的外径大于编码器码盘9的外径，编码器6前端面内周开设有圆柱形凹台61，圆柱形凹台61与编码器6同轴设置，编码器码盘9间隔转动在第三环形凹台721和圆柱形凹台61之间。

本实施例中，编码器6外侧套设有编码器罩8，编码器罩8安装固定在后端盖7外端面外周。具体的，后端盖7外端壁外周开设有第二凹台74，编码器罩8前端贴合套设在第二凹台74的外周壁上；后端盖7外端壁开设有环形凹槽75，编码器罩8前端内周凸出设置有环形凸起81，环形凸起81前端壁外周开设有第五凹槽811，第五凹槽811中安装有第五密封圈，其中，第二凹台74的外周壁到环形凹槽75外周壁的距离与编码器罩8内周壁到第五凹槽811内周壁的距离相等，第五凹槽811内周壁到环形凸起81内周壁的距离与环形凹槽75的宽度一致，环形凹槽75与环形凸起81对应安装，使得编码器罩8密封安装在后端盖7外端面上。

谐波减速器1安装在电机的第一轴端上。

具体的，谐波减速器1包括：波发器101、柔轮102、刚轮103和交叉滚子轴承104。本实施例中，波发器101连接在转子轴31的轴向第一端上，柔轮102外周固定在机壳2前端壁上，且柔轮102套设在波发器101的外周，刚轮103套设在柔轮102的外周，交叉滚子轴承104轴向位于刚轮103与机壳2之间，且交叉滚子轴承104套设在转子轴31的轴向第一端外周。

转子轴31轴向第一端壁上间隔开设有第四螺孔36，波发器101和转子轴31的轴向第一端通过穿过第四螺孔36的螺栓进行固定，由上可知，谐波减速器1的输入端与电机的输出端同轴连接，即通过将转子3与谐波减速器1直连，省去了中间的过度结构，起到了缩短谐波减速一体机的长度的目的，从而形成更加紧凑和扁平的一体机。当伺服电机启动后，定子5产生旋转磁场带动转子3旋转，转子轴31带动波发器101运转，进而使谐波减速器1运转并驱动机器人进行连杆运动。

具体的，机壳2的前端壁外周开设有第一凹台24，第一凹台24侧壁外周间隔开设有若干第五螺孔242，柔轮102外周固定在第一凹台24上，柔轮102内周向前延伸直至被夹设在波发器101和刚轮103之间。

交叉滚子轴承104的外圈通过安装在第五螺孔242上的螺栓固定在第一凹台24上，柔轮102外周被夹设在交叉滚子轴承104的外圈和第一凹台24之间，交叉滚子轴承104的内圈位于柔轮102的外周，且交叉滚子轴承104的内圈前端壁与刚轮103尾端壁固定。通过交叉滚子轴承104来安装刚轮103，以保持刚轮103的转动稳定性。

本发明为了提高机体的密封性，在谐波减速器1内和谐波减速器1与电机的接触面间设置有多道密封，以提高整个机体的防护等级。

具体的，柔轮102被夹设在交叉滚子轴承104的外圈和机壳2前端壁之间，第一凹台24轴向外壁内周上开设有第二凹槽241，第二凹槽241中安装有第二密封圈；交叉滚子轴承104的外圈尾端壁上开设有第三凹槽1042，第三凹槽1042中安装一第三密封圈。

交叉滚子轴承104的外圈与钢轮103之间用油封1043密封；交叉滚子轴承104的内圈前端壁上开设有第四凹槽1041，第四凹槽1041中安装有第四密封圈，第四密封圈被夹设在刚轮103尾端壁与交叉滚子轴承104的内圈之间。

通过增设上述三个密封圈和一个油封1043，实现对谐波减速器1轴向两端的密封，提高机体的防护等级。

综上，转子3的内周壁上嵌设有若干磁钢4，当伺服电机启动后，随着给定子5励磁信号，定子5产生旋转磁场驱动磁钢4及其外周的转动圆盘32转动，从而带动转子3同步转动，转子轴31带动谐波减速器1运转，进而驱动机器人进行连杆运动。本发明在无框电机的基础上使用外转子结构，从而扩大了转子的直径提高了电机的磁通，并在同等功率密度的情况下将电机设计的更薄；本发明通过将转子与减速机进行直连，省去了中间的过度结构，进一步缩短了谐波减速一体机的长度；本发明的电机运动过程由编码器6完成全闭环控制，由于谐波减速器1极低的齿背隙和极高的重复定位精度，从而保证了该超薄型外转子谐波减速一体机高精度对外输出。总之，本超薄型外转子谐波减速一体机结构简单紧凑，设计合理，安装简单，输出稳定，结构兼容性高，适用于一些对长度要求很严格的服务类机器人行业。

尽管已经出于说明性目的对本发明的优选实施例进行了公开，但是本领域技术人员将认识的是：在不偏离如所附权利要求公开的本发明的范围和精神的情况下，能够进行各种修改、添加和替换。