标准旋转致动器的制作方法

专利名称：标准旋转致动器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及旋转动力装置，并且特别涉及用于自动机械的旋转致动器。
背景技术：
目前开发的大多数自动机械系统建立为采用极少或非标准架构的唯一定制一次性系统。这种一次性设计方法易于导致系统表现出相对较高的成本较低的新技术扩散和改变。
定制机械设计方法的另一不受欢迎的影响在于迅速的过时。通常，操作员界面很麻烦，维护培训很复杂，而用于维持的后勤线路是永久的且对用户造成昂贵的负担。
经常，自动机械系统的设计者首先面对的是机械接头的设计，其由于标准机械接头方式的相对缺失而导致必须从基本结构部件开始进行，诸如板、梁、以及轴承。
给出足够刚性的机械接头，机械设计者则着手主原动机、用于主原动机的功率源、用于接头的位置和速度反馈传感器、用于主原动机的控制系统、所有必要的引线、以及任何必要的中间齿轮系和功率传送元件的指定和选择。通常，这些部件将是分立的部件。尽管特定的部件可以设计与相关部件连接，但仍必须作用相对高度的工程师努力从而确保个部件将在各种操作条件下适当地一起工作。
其中集成已经某种程度成功的实现的领域为主原动机和齿轮系的集成。结合了主原动机和齿轮系两者的模块已知为“齿轮电机”或“减速电机”。尽管已取得一定成功，这种集成受到了来自不当齿轮系设计的困扰，由此限制了该模块的整体效力。
齿轮系的发展工作已经停滞多年，传统的知识认为所有可用的科学已提供了所有可行的结果。通常，系统设计者将优选完全排除齿轮系，包括其重量、间隙、噪声、成本和推测的复杂性。
内摆线齿轮系首先开发出来并于十九世纪后期取得专利。获得专利的另一波浪潮出现于二十世纪三十年代中期。几家工业制造商目前生产使用内摆线齿轮系的齿轮传动系统，但其设计模仿了旧设计，包括多个部件和轴承、迂回动力路线、以及两个相对的摆板齿轮装置，用于配平目的。配平在一定程度上限制了摆动齿轮设计的使用，但只要这些齿轮的驱动偏心相对较小，在3％或更小的量级，其可以使用精密配平的现代方法较好的平衡。
在目前生产的某些内摆线齿轮系中，仅使用一个摆板齿轮啮合。这些设计使用穿过板的销传输扭矩至输出板，增加了另一级复杂性和一些具有临界公差的尺寸。
约三十年的时间，较少的兴趣投给了具有在低速下产生高扭矩的要求的内摆线电机设计。人们在努力，但此前无人发现令人满意的方法为偏心旋转的输出轴获得如此高的扭矩。
目前存在至少三种摆线驱动齿轮系的主要变化。这其中包括由SUMITOMOTM(日本)、TEIJIN SEIKITM(日本)和ANDANTEXTM(法国)提出的设计。这些设计全部基于双摆板差分齿轮，设置180度相位偏差用于配平，由精密摆线表面或双套偏心轮驱动。用于这些装置的输入与输出之间的动力路线很长且迂回，需要庞大、非常沉重的环带结构保持所有包含的力。
这些设备使用曲面上的滚筒和悬臂销从而为其输出板提供最终的驱动。另外，这种类型的驱动连接至由额外的轴承支撑的小输出轴。所有这些明显增加了顺应性和齿轮系刚性的缺乏。由于其独特的几何形状、复杂性、体积和重量，这些齿轮系非常难以集成在机内致动器模块中。

发明内容
如上所述，自动机械系统通常为本质上从基础开始设计的定制、一次性系统。此处介绍的标准化旋转致动器模块的发明人相信运动控制系统实施所需的定制机械的水平可以通过开发和使用此出介绍的标准化模块而大幅降低。
作为用于自动机械的“定制设计”困难情况的解决方案，发明人提出采用使用标准化构造模块的开放式架构，包括标准化致动器、链接、末端作用器工具、控制器、以及相关部件，其可以按需要组装且通过标准化操作系统软件操作。
为此，本发明在于一种集成的标准化旋转致动器，采用单个封装中的主原动机、齿轮系、以及转动机械接头。这些元件集成在易缩放尺寸从而满足各种应用要求的单个机内模块中。旋转致动器可以采用以最小临界公差配合的少至五个的主部件，产生基本对于公差和温度变化不敏感的系统。
在特定实施例中，本发明的旋转致动器模块可以以标准化的几何形状和尺寸生产。标准化尺寸的适合系列便于因此标准化机械架构。这种标准化使得机械设计者能够按照于采用现有用于构造个人计算机相似的方式按要求组装或配置机械。使用标准化能够推广新技术，易于提高性能同时降低成本。
本发明的一个目的在于建立可以以低成本、低重量、低体积大量生产的标准化旋转致动器，且仍能保持高水平的性能。可以为各种应用开发各种水平的坚固度，例如轻度、中度和重度的。
在多个实施例中，本发明为一种共享特定特征的高性能旋转致动器。通常，可以保持高水平的性能即使对于本发明的低成本样式。根据应用，每个实施例采用产生一个或多个特定优点的特征。
本发明特定实施例的新颖设计提供了使用最小数量部件和最少参数的设计简化性，由此允许表现异常简洁、坚固和负载能力的相对小的形成因数，以及安静和有效的工作。其可以设计用于方便组装，便于以各种质量水平大量生产。
本发明的特定实施例可以特别有助于具有复杂工作循环的精密机械中所见类型的低速且高扭矩的应用。这种应用类型的示例包括机器人、制造单元和飞行器致动器中所见的。
此处介绍的旋转致动器具有比此前开发的任何旋转致动器更加紧凑、更加简单、更易安装且更加廉价的潜力。这些装置还可以构造表现出较低的惯性，从而提供比此前开发的任何旋转致动器更高的刚度。
在第一实施例中，本发明为一种旋转致动器，包括其中具有行星架的致动器外壳。主原动机刚性固定于行星齿轮架，其具有刚性固定于致动器外壳的第一主原动机部分和邻近且能够相对于第一主原动机部分活动的第二主原动机部分。十字交叉滚柱轴承将输出连接板定位于外壳内。外壳齿轮刚性固定于致动器外壳，而输出齿轮刚性固定与输出连接板。设置在行星架内的一个或多个行星齿轮，每个具有与外壳齿轮啮合的第一齿轮部分和邻近第一齿轮部分并与输出齿轮啮合的第二齿轮部分。
在第二实施例中，本发明为一种旋转致动器，包括具有设置于其中的偏心架和主原动机的致动器外壳。主原动机的一部分刚性固定于外壳，而第二部分刚性固定于偏心架。十字交叉滚柱轴承将输出连接板固定在外壳内。外壳齿轮刚性固定于致动器外壳，而输出齿轮刚性固定与输出连接板。设置在偏心架内的偏心轮具有与外壳齿轮啮合的第一齿轮部分和邻近第一齿轮部分并与输出齿轮啮合的第二齿轮部分。
在第三实施例中，本发明为一种旋转致动器，包括具有设置于其中的主原动机和两级行星齿轮组的致动器外壳。主原动机连接从而相对于致动器外壳旋转齿轮组的第一级行星齿轮架。具有刚性固定在其上的轴齿轮的轴设置在致动器外壳内。
另外在此第三实施例中，第二行星齿轮架能够相对于第一行星齿轮架和轴转动，具有刚性固定于其上的传动箱齿轮。一个或多个设置在第一行星齿轮架内的第一级行星齿轮，每个具有与轴齿轮啮合的第一齿轮部分和邻近第一齿轮部分并与传动箱齿轮啮合的第二齿轮部分。十字交叉滚柱轴承将输出连接板固定在外壳内。
为便于致动器外机械功率的连通，外壳齿轮刚性固定于致动器外壳而输出齿轮刚性固定于输出连接板。最后，一个或多个二级行星齿轮设置在第二行星齿轮架内，每个具有与外壳齿轮啮合的第一齿轮部分和邻近第一齿轮部分并与输出齿轮啮合的第二齿轮部分。


为了更加全面地理解本发明的特征和优点，现将连同附图一起对本发明进行详细地介绍，其中不同附图中对应的附图标记表示对应的部件，附图中图1为根据本发明一个实施例的旋转致动器的剖视轴测图；图2为根据本发明第二实施例的旋转致动器的剖视轴测图；
图3为根据本发明第三实施例的旋转致动器的剖视轴测图；图4为根据本发明第四实施例的旋转致动器的剖视轴测图；图5为根据本发明第五实施例的旋转致动器的剖视轴测图；图6为根据本发明第六实施例的旋转致动器的剖视轴测图；图7为根据本发明第七实施例的旋转致动器的剖视轴测图；图8为根据本发明特定实施例的旋转致动器的剖视轴测图；图9为根据本发明特定实施例的圆弧齿轮齿啮合的侧视图；图10为根据本发明特定实施例的单圆弧齿轮齿的侧视图；图11为根据本发明特定实施例的单圆弧齿轮齿的侧视图；以及图12为根据本发明特定实施例的单圆弧齿轮齿的侧视图。
具体实施例方式
虽然在下面详细介绍了本发明各种实施例的形成和使用，应理解，本发明提供了多种可应用的发明性概念，其可以在各种特定背景下实施。此处介绍的具体实施例仅说明了形成和使用本发明的具体方式，且不应限定本发明的范围。
本发明的特定实施例为可以在低成本下大量生产且仍能保持高水平性能的标准旋转致动器。可以对各种应用实施各级别的耐久度，例如轻度、中度和重度。实际上，将认识到此处介绍的特定致动器概念就其基础设计是足够耐用的，其中塑料和成型金属制成的部件可以降低成本而仍提供了在各种应用中有益的高度多用性的致动器。这些应用可以包括但不限于便携式工具、教学机器人、玩具、以及汽车。
本发明为一种新型的高性能旋转致动器，在各个实施例中享有特定的特征。根据应用，每个实施例结合有产生一个或多个特定优点的特征。
本发明特定实施例的新颖设计提供了使用相对小的部件数量和最小化的参数列表的设计简化，由此允许表现出异常的简洁、刚性和负载能力的相对小的形成因子，以及安静和有效的工作。其设计用于便于组装，理想地用于在各种质量水平下大批量生产。
通常，这些致动器是异常坚固的设计，表现出对于温度和公差影响的相对不敏感性。本发明的致动器采用了跨越高刚度十字交叉滚柱轴承的相对短的力路，由此最大化刚度和力度。在特定实施例中，本发明的致动器采用了标准的附加架构。
为促进标准化，本发明的旋转致动器可以构造为在系统内作为标准化的“积木”。这种积木例如可以是智能的和适应性的，提供最高性能的外壳，紧凑而坚固，优化其结构设计，为通过世界各地的技师快捷地替换提供标准化的接口，以及以足够大的量生产从而获得制造中规模经济的优点。
主原动机需求可以通过直流无电刷电动机或开关磁阻电动机以圆柱或扁平形式来满足。齿轮系可以形成为独特、紧凑、坚固且在大量生产时成本高效。
在特定实施例中，十字交叉滚柱轴承用于形成接头轴承本身。选择十字交叉滚柱轴承不仅是为了其刚度还是由于其适合的几何构造。在特定实施例中，十字交叉滚柱轴承同时起到了主要齿轮系轴承的作用。可以独立或组合地使用精密大小尺寸的致动器，从而满度所需的位置精度要求。
在制造单元中，本发明的旋转致动器模块可以直接作为简单传输装置、传动驱动器、或2自由度操作接头致动器使用。在复杂连续体的另一端，可以根据需要配合10自由度或以上的高度巧妙的控制器。上述系统的每一个可以根据需要以相同的接口且以相同的维护需求组装，可能在每个单元应用中来自仅仅五个基本尺寸，且都通过一个多用的软件包驱动从而降低成本，提高性能，并展开该系统的架构。
图1图1示出了根据本发明一个实施例的旋转致动器100的剖视轴测图。图1中所示的旋转致动器100可以构造得非常坚固，具有高度的刚度和抗震性。
诸如旋转致动器100的旋转致动器可以具有多种几何构造。在一种这样的构造中，旋转致动器具有“扁圆形”几何形状，沿其中心线的厚度相对较窄而直径相对较大。图1中所示的旋转致动器100具有这样的几何形状。在另一实施例中，旋转致动器可以具有“咖啡罐形”几何形状，沿中心线相对较宽而直径相对较小。图2中所示的旋转致动器200具有这种类型的几何形状。
一般而言，扁圆形式的通过开关磁阻电动机(SRM)驱动，且优化为在低速下产生较高的扭矩。“咖啡罐”形式的通常优化用于纤细/灵敏的机器，诸如串行机器人控制器。这种类型的通常由无电刷直流电动机驱动，与SRM相比扭矩较低而速度范围较高。
通常，期望满足尽可能多的设计目标，同时使复杂度最小化。设计标准的这种组合表明了在可以时有利于组合功能。在特定实施例中，本发明的旋转致动器构造为不仅为接头提供转动功率，还起到了接头本身的作用，采用了充分的结构刚性从而使额外的转动轴承结构不再需要。
在特定实施例中，快速转变接口在旋转致动器输入/输出连接结构中的应用为设计者提供了按要求组装机械的能力。这种快速转变接口的一个实施例的几何形状在下面结合图8详细介绍。在特定实施例中，机内致动器吸收了80％或更多的机械复杂度，包括电子装置、制动器、总线、传感器、轴承、电机、齿轮系、以及所有必需的连接和接口。
旋转致动器100使用内部从动齿轮104和太阳齿轮106作为旋转致动器100的部分连接部件，通过主十字交叉滚柱轴承108分开。从动齿轮104和太阳齿轮106通过由穿过行星架118的压装轴116上的轴承114支撑的行星齿轮110和112驱动。
因为从动齿轮104和太阳齿轮106为旋转致动器100的部分结构，所需的重量减轻而刚度提高。另外，因为这种设计采用大直径的十字交叉滚柱轴承108，旋转致动器100的结构刚度也极大的提高。在特定实施例中，轴承座圈可以直接加工在从动齿轮104和/或太阳齿轮106中，从而改善设计的结构整体性。在要求较少的应用中可以将滚珠轴承用于十字交叉滚柱轴承108的位置。因此，通过减少零件数量和简化组装，旋转致动器100的结构可以形成得更小，重量更轻，且更加节约成本。行星齿轮110和112可以用于Ferguson佯谬齿轮系中从而进一步改善制造的简便性。
主原动机122的磁盘120刚性连接于行星架118从而形成主原动机122与齿轮系124之间可能的最简化的构造。行星架118和磁盘120由从动齿轮104中的轴承126和固定轴130上的滚针轴承128支撑。这种设计为旋转致动器100的活动结构提供了非常坚固的支撑，从而最好地抵抗震动。
行星架118可以形成的较轻，从而在期望额外的灵敏度时降低惯性。根据相对尺寸、速度、期望的刚度、惯性要求、负载所需的齿的尺寸、以及其它因素，行星齿轮110和112的数量可以少至2个或多达9个。
轴130上的轴承132用于为旋转致动器100的输出连接板134提供额外的支撑。在刚度为重要考虑因素的情况下，外壳102和板134上与邻近结构的连接可以设置的近似靠近轴承108从而最大化所产生的系统结构刚度。在旋转致动器100中，区域136比磁盘120更大。这种额外的尺寸容纳了区域136中的端部周边。
图2图1所示的开关磁阻电动机(SRM)几何结构设计为最大化扭矩，且这种设计对于其中高转速不是主要考虑因素的应用中可以是优选的。采用SRM和直流主原动机可以满足各种纵横比考虑。给定与开关磁阻电动机相比速度相对较高扭矩相对较低的直流无电刷电动机的圆柱形主原动机，可以调整致动器100的几何形状为咖啡罐形，同时具有扁圆形旋转致动器100的所有其它性质。这种致动器在图2中示出且通常表示为200。
在一个实施例中，与图1的旋转致动器100相比，旋转致动器200可以在高出10倍的速度下工作，但产生少10倍的扭矩。在旋转致动器200，对于活动结构中惯性的考虑较多，而对于齿轮齿的应力由于较低的期望扭矩能力而考虑的较少。
图2示出了旋转致动器200的剖视轴测图。旋转致动器200通常比旋转致动器100大，且更多地考虑的是行星架218的刚度。因此，由嵌在致动器200中刚性连接壳202中的轴承226提供额外的支撑。为简化旋转致动器200的设计，行星齿轮210和212由依靠在轴216上的轴承214支撑，其压配合在行星架218中从而进一步提高行星架218的刚度。
输出连接板234和中心固定轴230通过轴承232相互支撑。通常，因为直流电动机中较高的速度，行星架218的结构将得到减轻，从而降低惯性，且将为这种高速模式选择轴承208、214和226。
本领域技术人员将可理解，额外的行星齿轮易于提高刚度、降低间隙、和在增加复杂性和惯性的条件下改善位置精度。大齿轮系比需要使用多级或Ferguson佯谬型周转齿轮系。一般而言，行星齿轮架将表现为旋转致动器的最复杂零件，增加成本、复杂性、以及组装问题。
在另一实施例中，可以在特定情况下使用复式齿轮。然而，这齿轮系具有固有的限制。这种类型的齿轮系可以给出不大于10比1的实际减速比。另外，这种齿轮系易于表现出明显的间隙并具有高转动惯性。最后，其转动柔量的刚性不足，沉重且浪费空间。
因此，周转齿轮系对于旋转致动器更佳，因为其对于转动主原动机的兼容性几何形状。不幸的是，这种齿轮系也表现出限制。这种机构的最大实际齿轮减速比在100∶1的量级。当然，复合周转齿轮系通过使用多级提供高于100∶1的减速比。然而，复合齿轮系具有上述限制。通常，周转齿轮系表现出程度明显的间隙、需要较高的公差、以及对温度敏感。实际上，间隙通常必须结合与温度相关的尺寸变化来设计。最后，用于周转齿轮系的渐开线齿轮齿经常设计为相对较高，从而保持一至两个齿在啮合。这种几何形状提高了根部负载以及滑动速度，降低了强度和机械效率。
为克服周转齿轮系的上述限制，下面将介绍采用由偏心轮驱动的单行星齿轮从而形成“摆动”板设计，同时满足名义上与周转齿轮系相关联的所有运动学要求。
图3本发明的一个目的在于在开关磁阻或无电刷直流电动机和多行星齿轮或偏心单行星齿轮内摆齿轮系中为标准化机电致动器提供简单连续的设计选择。理想地，每种选择可以视作另一个的插入替代，而没有其他的主要设计变化。
因此，本发明的特定实施例可以采用单偏心行星齿轮系取代图1和2中使用的多行星齿轮系。偏心内摆齿轮系具有如下所述的多个优点。
在多个实施例中，本发明的致动器采用内摆齿轮系，其可以具有高达5000∶1的齿轮减速比。这种内摆齿轮系组件可以采用相对短的圆弧齿轮齿，一次接触多达15或更多的齿。
内摆齿轮系的独特设计特征提供减小的接触应力、降低的弯曲应力、降低的滑动速度、降低的能量损耗、以及在齿到达其中心位置时潜在的啮合部分上的预载。
每个齿轮齿可以成形为在其到达其中心位置时有轻微的预载，从而降低低阶谐振的产生和控制间隙和损失运动。这种预载可以通过在齿到达其中心位置时在齿之间引入轻微的干涉而完成。在特定实施例中，可以在每个齿内引入空腔从而调整齿的刚度和降低闭合噪音。
圆形齿外形的齿轮系表现出较低程度的磨损和噪音，齿之中平滑且逐渐的负载传输，以及降低或消除对于临界公差的必要性，因为圆弧齿无需通常与渐开线齿相关的临界公差。圆形齿外形还可以表现出提高的强度，因为外渐开线齿所需的间隙是不需要的。最后，在特定实施例中，配合的齿轮齿之间的滑动速度的降低了机构内的摩擦损失。
图3示出了采用偏心内摆齿轮系的旋转致动器300的剖视轴测图。旋转致动器300采用了保持支撑着驱动偏心轴218的旋转电动机电枢320的支撑轴承328的中心固定轴330。偏心轴218上的支撑轴承314驱动摆动筒，其包括与由主十字交叉滚柱轴承308分开的从动齿轮304和太阳齿轮306啮合的行星齿轮310和312。
从动齿轮304直接连接于旋转致动器300的外壳302，而太阳齿轮306直接连接于输出连接板334。电动机电枢336也通过致动器外壳302保持固定。端板螺杆(未示出)帮助使组装直接，保持用于支撑轴承328的固定轴330。
输出连接板334中的轴承332支撑固定轴330的端部。密封338分开从外壳302上分开输出连接板334并从元件中保护出十字交叉滚柱轴承308。这种设计采用额外的轴承326支撑偏心轴318上运动和力的变化。
旋转致动器300以其固有的简化性而值得注意。电动机区域336和电枢320、偏心轴318、行星齿轮310和312、从动和太阳齿轮304和306、以及主辊轴承308为旋转致动器300的主要部件。次要部件包括轴承328、332和326。其余为固定、机械部件。
尽管旋转致动器300能够在非常小的包装下提供非常高的功率密度，其可以通过较小的设计改变适用于大范围应用需要，诸如举例而言齿轮齿数、电动机线圈特性和电流及电压水平。旋转致动器300固有的简化性和多用性使得能够大量生产大多数子部件，由此提供规模效益和相关的成本降低。旋转致动器300特定实施例的特性可以缩放至多个预先选定的标准尺寸中之一，从而为系统设计者提供“现货”方案。标准套的这种致动器的一个示例中，可以提供16种独立的标准化规格的致动器，从而满足大范围的设计应用。图3所示类型的一套致动器可以根据标准尺寸构造。作为一个示例，跨越从0.25”直径到45”直径范围的一套16种致动器尺寸可以支持大量机械的构造，迅速组装和根据需要操作。
简化性不仅带给其较低的成本，其还导致了设计、制造和操作宽松的部件。特别地，旋转致动器300应对于相当大的温度变化相对不敏感。
使用可以在给定时间接触达到15或更多齿轮齿的内摆齿轮系使其能够以相对适度水平的齿轮齿应力承载非常重的负载，消除间隙，最小化损失运动和抵抗高水平的震动，由此提供了高耐用性和降低磨损。
设计参数的数量相当的低。其在很大范围上独立的选择，且每个对于设计者而言具有清晰和直接的含义。因此，不仅旋转致动器300在重量、体积、耐久性、输出惯性、以及功率密度上性能出众，其可以由大多数设计者轻易理解，有助于确保其在设计团体中的接受。
如上所述，内摆齿轮系内的偏心偏离e由电动原动机驱动并由固定轴上的轴承支撑。给定N1、N2分别为从动和太阳齿轮的齿轮齿数，而N11、N21为摆动行星齿轮上相关联啮合的齿，则总齿轮系比简单地通过r＝(N11N2)/(N11N2-N1N21)给出。
该比例的范围可以是从10比1至5000比1，较高的比例依赖于可以根据应用设计用于高负载能力、低噪声、高精度或低成本的齿轮齿几何形状选择。在特定实施例中，适合的比例可以使用两个之间的齿的数量其中以单个齿变化的啮合齿轮获得。
结合图3所示的内摆齿轮系，摆动齿轮310和312并排设置。此构造易于改善刚性。对于较低的齿轮传动比，齿轮310的直径可以与齿轮312的相差30％或更多。在这种情况下，齿轮310和312可以将一个设置在另一个中，使得所有的齿轮在单个平面上啮合。
不仅内摆齿轮系可以直接插入任何外摆设计，其关键设计参数对于设计者也总是显见的，由此消除了这区域设计的邪法气氛。由于行星齿轮摆动，其必须通过平衡物平衡。在多个实施例中，所需平衡物的质量相对小于行星齿轮本身的质量。在一个实施例中，行星齿轮通过在行星齿轮本体内钻取小孔来平衡。
图4图4所示的旋转致动器400采用保持支撑驱动偏心轴418的旋转电动机电枢420的支撑轴承428的中心固定轴430。偏心轴418上的支撑轴承414驱动摆动筒，其包括与通过主十字交叉滚柱轴承408分开的从动齿轮404和太阳齿轮406啮合的行星齿轮410和412。
旋转致动器400采用扁圆形构造，其结合了SRM主原动机422产生高扭矩/低速旋转致动器400。
输出连接板434中的轴承432支撑固定轴430的端部。密封438从外壳402处分开输出连接板434并从其它元件中保护十字交叉滚柱轴承408。
图5图5示出了根据本发明特定实施例的旋转致动器500的第五实施例。
这种对于内摆致动器概念的几何形状不同形式在图5中示出并由附图标记500表示。由图5可见，从动齿轮504和致动器500的定子536刚性连接于外壳502并在端部通过端板514封闭。
电枢520包括摆板齿轮510和512，其与从动齿轮504和太阳齿轮506啮合。太阳齿轮506通过还作为用于其中结合旋转装置500的机械的接头的主轴承的主十字交叉滚柱轴承508与从动齿轮504分开。
由图5可见，从动齿轮504和致动器500的定子536刚性连接于外壳502并在端部通过端板514封闭。
旋转致动器500还采用轴承542和544来预载摆板齿轮510和512的啮合，从而确保其不会分开和降低震动和磨损效果。
轴承542和544以第二偏心偏离e定中心，与摆动电枢偏心轴518相位差180°。轴承542和544在加工于端板514和输出板534中的圆筒表面上滚动，两者都与旋转致动器500的中心线一致。
图5所示的高扭矩、低输出速度旋转致动器500为可以产生比标准开关磁阻电动机高五倍扭矩的内摆开关磁阻电动机和可以具有比类似的周转齿轮系高五倍的负载能力的内摆齿轮系的组合。因此，旋转致动器500可说在特定实施例中具有比先前设计高出25倍的增强性能。
此25的总体性能提高因数利用五个基本零件、消除五个额外的副轴承、以及若有则还包括采用具有任何临界公差尺寸的少数部件而在旋转致动器500中实现。
在旋转致动器500中，摆动电动机电枢520结合在与摆板齿轮对相同零件中。旋转致动器500结合了优于现有设计的多个不同优点，包括仅需要一个主十字交叉滚柱轴承508和两个副轴承542和544；以及由于在每个电周期期间随着电枢520通过360度×e(其中e为摆动构造的偏心率)的角度每个定子极在波中仅开关一次而简化控制器技术。
上述的结果在于电周期在相对于电枢520的旋转速度1/e的角速度发生的磁传动装置的形式。例如，给出电场的角速度而摆动速度wf＝we＝6667，其中e＝0.015，输出连接板534将在100RPM下旋转，输出速度wo将等于1RMP，给出100的齿轮减速比。因为此电波，扭矩波纹实际上不存在。另外，给出e＝0.015的值，r＝30e处的平衡质量表示仅需要去除电枢520质量的1/900，即0.111％，从而完全平衡电枢520。致动器500的属性为使得这种设计的特定变化可以作为可背后驱动的发电机有效利用从而从机械能源产生能量，诸如风轮机。
至少对于图3至5所示的实施例，每个齿轮齿可以构造为在其到达其中心位置时稍微受预载，从而降低低阶谐波的产生和控制间隙和损失运动。此预载可以通过在齿到达其中心位置时在齿与配合的齿之间引入轻微干涉而实现。在特定实施例中，可以在每个摆动齿轮齿内引入空腔从而调整齿的刚度和降低闭合噪音。
图9示出了太阳/从动齿轮机构900内，随着其进入和离开静止从动齿轮902体内的其中心位置，太阳齿轮齿的运动的顺序。
在与从动齿轮902啮合前，太阳齿轮齿在时间T0的初始位置由904表示。T0后的某个时间周期，时间T1时太阳齿轮齿的中心位置标示为904’。
在特定实施例中，机构900的几何形状可以为使得随着太阳齿轮齿移动到中心位置904’而遇到轻微的干涉。在此实施例中，齿轮齿刚度和中心位置904’的干涉水平将确定由从动齿轮902和太阳齿轮齿顶部的弹性形变产生的力。此干涉将易于降低或消除支撑太阳齿轮的任何轴承的任何自由运动。由图9可见，所示的太阳齿轮齿包括空腔从而降低其刚度，如将在下面结合图10至12更加详细介绍的。
在可能存在的最大干涉和形变发生的时间T1后，太阳齿轮齿将移动而不再与从动齿轮902啮合。太阳齿轮齿在时间T1后的时间T2点处由904”表示。
结合齿轮机构900有益的齿轮齿几何形状的示例和类似的齿轮机构在图10至12示出。图10示出了具有主体1002、第一齿侧1004、第二齿侧1006、以及设置在主体1002顶部的圆腔1008的圆弧齿轮齿1000的侧视图。腔1008的位置和直径将通过特定应用的要求确定。一般而言，齿轮齿1000顶处的刚度将随着腔1008直径增大或其中心轴移动靠近齿轮齿1000的顶部而降低。腔1008直径的减小或其进一步向下移动到主体1002内将具有相反的效果，导致齿轮齿1002的顶部硬化。
图11示出了具有主体1102、第一齿侧1104、第二齿侧1106、以及设置在主体1102顶部的圆腔1108的圆弧齿轮齿1100的侧视图。齿轮齿1100在圆腔1108的顶部还具有缝隙1110，从而减小齿轮齿1100主体1102顶部的刚性。
图12示出了具有主体1202、第一齿侧1204、第二齿侧1206、以及设置在主体1202顶部的圆腔1208的圆弧齿轮齿1200的侧视图。腔1208包括两个圆形腔1110和1112，其在齿轮齿1200的中心交叠。这种设计保持了齿轮齿1200顶部的局部刚度。
在上述实施例中，齿端可能需要比其余的齿表面更大的延展性，其通常应该是硬化。在特定实施例中，该腔或该些腔可以在硬化前钻孔和/或开槽。随后可以硬化齿表面。齿尖可以局部退火从而改善齿的形变部分处的抗疲劳性。在特定实施例中，此退火可以通过激光器执行。
至少对于图3至5所示的实施例，以下额外的具体评论是适应的(a)在特定实施例中，齿轮齿为圆形齿轮齿从而提高平滑度，降低来自齿轮齿碰撞的噪声，以及降低接触Hertzian应力。在其它实施例中，三角形齿轮齿可以更好地满足应用的要求。在其它实施例中，在独特的应用需求必须满足时，可以包括专用的齿轮齿形状；(b)引线可以完全设置在作为外壳和从动齿轮的一部分固定定子中；(c)通过致动器的力路缩短；(d)电枢可以是实心或叠层金属的；(e)若存在的话，需要很少的临界尺寸，由此降低了制造公差和温度变化对性能的影响；(f)端齿轮齿的使用降低了弯曲应力并降低了摩擦损耗；以及(g)多达30个齿的啮合缓慢地结合和松开负荷从而降低噪声。
图6特定实施例可以要求坚固的旋转致动器，在紧凑的构造中具有高减速比刚性的输出齿轮系。根据具体情况，这种致动器可以通过扁圆形开关磁阻电动机(SRM)主原动机或圆筒形无电刷直流电动机(DCM)驱动。图6和7为这种替代实施例的剖视轴测图。
图6的旋转致动器600具有“咖啡罐”形状，而图7的旋转致动器700具有扁圆盘的形状。旋转致动器600设计用于机器人技术，而旋转致动器700用于两墙之间的有限空间。旋转致动器600和700能够在相对低的速度下产生相对高的扭矩。所有其它的情况都相同，旋转致动器600一般将具有比旋转致动器700更高的最大速度，以及较低的最大扭矩。
图6为旋转致动器600的剖视轴测图，示出了相对高速度直流电动机区域636的磁滚620内周转齿轮系650的第一级。行星齿轮652和654支持在连接于磁滚620的行星架658内的轴承656上，其由此依靠在轴承660上。此实施例对于用于灵巧机械是理想的。
行星齿轮652和654可以形成驱动活动外太阳齿轮664和连接于旋转致动器600的中心轴630的固定外从动齿轮662的Fergeson佯谬构造。中心轴630使用机械拴连接于外壳602。
在特定实施例中，由于其速度较高且扭矩较低，第一级可以设计为减小其惯性。行星齿轮652和654可以制造得相对窄，但仍承载必要的负载。这些行星齿轮652和654的具体设计参数由应用规定。
电动机部件620和636的尺寸与第一级齿轮系650的外径之间将存在折中。磁筒620和区域636的内径越小，产生的扭矩越大。固定轴630在此设计中较长且经过弯曲。由此，其通过轴承640支撑。
太阳齿轮664刚性连接于支持在大滚针轴承628上的第二级周转齿轮系666的驱动箱618，轴承628载有支持于轴承614的行星齿轮610和612。这些行星齿轮610和612与连接于外壳602的固定内从动齿轮604和直接连接于输出连接板634的内太阳齿轮606啮合。
密封668从板634分开连接壳602。太阳齿轮664及其行星架658支撑了通过外壳602固定在位的轴承670。支撑轴承670的外壳602的形状不仅加强了外壳602，还改善了中心固定轴630的刚性。
内太阳齿轮606刚性连接于包括轴承632的输出连接板634，从而进一步加强旋转致动器600的输出结构。
周转齿轮系的第二级666使用内从动齿轮604和太阳齿轮606。这种设置符合该结构的基本构造，最小化重量同时使旋转致动器600特别坚固且坚硬。
在第二级666中，速度较低，使得对于惯性的关注因此降低，但对于刚度和负载能力的关注提高。因此，第二级666中齿轮齿的尺寸作为第一要务必须满足要求，而刚度作为第二要务。在特定实施例中，这可以要求使用几何形状允许的尽可能多的行星齿轮610和612。
此构造中的主轴承为十字交叉滚柱轴承608。其从太阳齿轮606和输出连接板634分开从动齿轮604和外壳602。对于使用此致动器的机械，轴承608还执行了负载任务。由于轴承608的位置，从动齿轮604可以形成得非常刚性，太阳齿轮606也一样。为了获得最大刚度和负载下的最小偏离，与相邻链接的连接应形成得靠近轴承608。
图7图7以剖视轴测图示出了构造用于产生相对高扭矩的相对低速扁圆SRM的本发明的旋转致动器700的实施例。从动齿轮704形成得特别坚固，且刚性连接到连接壳702和支撑轴承732至主固定轴730，从而为此设计进一步加强输出连接板734。
与区域736相呼应，磁盘720直接驱动用于行星齿轮710和712的第一级行星架718，其支撑在轴承714中。行星架718必须仔细设计从而容纳行星齿轮710和712，同时保持足够的结构一体性。
第二级行星架740由太阳齿轮764驱动并刚性连接于太阳齿轮764，其通过三个轴承742、744和746支撑，从而最大化其支撑。采用此支撑从而抵抗由支撑在轴承752中的第二级行星齿轮748和750产生的扭转动量。第一级太阳齿轮764和从动齿轮762为外齿轮。轴承732支撑第一行星齿轮架718驱动第二行星齿轮架740的活动太阳齿轮764。
第二级太阳齿轮706和从动齿轮704为内齿轮。此设置起到了匹配旋转致动器700的结构几何形状的作用，从而强化该结构。太阳齿轮706和从动齿轮704通过作为齿轮系中的主轴承同时还作为其中采用该旋转致动器700的接头的主轴承作用的主十字交叉滚柱轴承708分开。为最大化刚性，与外连接壳702和与输出连接板734的连接应设置得靠近十字交叉滚柱轴承708。
由于第二级中的从动齿轮704和太阳齿轮706直径相对较大，其能够容纳更多的行星齿轮748和750和更大的齿轮齿。因此，行星齿轮748和750示出的与图7中的行星齿轮710和712相比相对较大。
因为第二级齿轮系中遇到了较低的速度，对于惯性的关注由对于齿轮齿负载能力的关注而抑制。在较低的程度上，在齿轮系的第一级中这也是成立的。第一级的外封装直径比第二级的外封装小，这是因为其负担较小的负载但以较大的角度工作。
图8图8示出了根据本发明特定实施例采用快速更换连接架构的旋转致动器800。旋转致动器800采用包括由十字交叉滚柱轴承808分开的从动齿轮804和太阳齿轮806的致动器壳802。行星齿轮810和812分别与从动齿轮804和太阳齿轮806啮合。
由图8可见，致动器800刚性连接第一机械链接820至第二机械链接822。第一机械链接820通过第一楔形压板824刚性连接于致动器外壳802，而第二机械链接822通过第二楔形压板826刚性连接于输出连接板834。在一个实施例中，每个楔形压板824和826采用通过外带夹紧固于致动器800的一对半圆形楔形压板半的形式。显然，可以采用其它等效的结构，而不脱离本发明的实质和范围。
在图8所示的实施例中，楔形压板824和826通过一对张力机构828和830紧固。根据特定的应用，张力机构828和839可以集成于楔形压板824和826，或其可以集成从而分开设置在楔形压板824和826上的带夹。
每个楔形压板824和826采用一对大体圆锥形内表面，一同形成关于楔形压板824和826内表面的凹槽。这些内表面每个的内部轮廓与致动器800或机械链接820或822中之一上的匹配外表面相符。随着紧固张力机构828和830，大体圆锥内表面与匹配外表面之间的法向力将拖着匹配部件一起形成紧密且刚性的机械连接。在特定实施例中，楔形压板824和826的设计将与标准齿轮系列中之一相符合。在每个标准尺寸中，可以由两个或更多个刚度等级，与用于标准化螺纹固定件的分类类型类似。
机械链接820和822彼此靠近设置，且靠近主十字交叉滚柱轴承808。通过按此方式连接机械链接820和822，彼此靠近且靠近主十字交叉滚柱轴承808，可见接头刚性抵抗了六个自由度中的约五个的运动，而其余的自由度由主原动机和齿轮系组合控制。
可见，通过旋转致动器800的力路极短，且通过高度刚性机械结构与连结和相关刚性结构的组合。这样短的力路和相关的刚性结构使得旋转致动器800能够作为用于机械本身的转动接头，而非如现有技术中仅作为扭矩输入装置。
本领域技术人员将可以理解，尽管旋转致动器800的快速更换连接结构示出为与本发明的特定实施例相连，但图8所示的连接结构可以用于与此处介绍的任何实施例相连，而不脱离本发明的实质和范围。在期望简化时，简单螺栓圆周可以证实是足够的，只要接口的精度和可重复性不处于高优先权，或系统外的致动器的快速更换对于应用不视作十分重要。
结合图8所示和所介绍的结构应用于此处介绍的所有旋转致动器。由此处介绍的旋转致动器构造的机械的几何外形将主要依赖于连接于该致动器的部件而非致动器本身。根据应用，链接可以彼此平行，彼此垂直，或彼此设置在任何一般空间取向。链接的几何形状提供给机械设计者极大的自由度来设计系统而没有对于定制部件的必要性。在多种情况下，使用标准化的部件由于可以大规模生产致动器和连接其的链接而可以降低成本。同时，可以为设计者保留高度的通用性和灵活性，即使是使用标准化的部件。
虽然已经详细介绍了本发明的优选实施例，本领域技术人员将可理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的实质和范围的基础上对其进行各种改动。
权利要求
1.一种旋转致动器，包括致动器外壳；行星架，设置在致动器外壳内；主原动机，具有刚性固定于致动器外壳的第一主原动机部分和靠近第一主原动机部分并可相对于其活动的第二主原动机部分，刚性固定于行星齿轮架且能够在第一原动机部分上作用扭矩；十字交叉滚柱轴承，具有刚性连接于致动器外壳的第一轴承部分和可以相对于第一轴承部分活动的第二轴承部分；输出连接板，刚性固定于第二轴承部分；外壳齿轮，刚性固定于致动器外壳；输出齿轮，刚性固定与输出连接板；以及一个或多个行星齿轮，设置在行星架内，每个行星齿轮具有于外壳齿轮啮合的第一齿轮部分和靠近第一齿轮部分、与输出齿轮啮合的第二齿轮部分。
2.如权利要求1所述的旋转致动器，还包括刚性连接于致动器外壳的第一结构链接和刚性连接于输出连接板的第二结构链接。
3.如权利要求2所述的旋转致动器，其中第一链接和第二链接通过快速更换连接结构分别连接于致动器外壳和输出连接板。
4.如权利要求3所述的旋转致动器，其中每个快速更换连接结构包括结构链接中的第一径向槽，在该旋转致动器的匹配部分中邻近第一径向槽的第二径向槽，以及延伸于第一和第二径向槽圆周附近的径向夹。
5.如权利要求2所述的旋转致动器，其中第一结构链接紧靠十字交叉滚柱轴承地连接于致动器外壳，而第二结构链接紧靠十字交叉滚柱轴承地连接于输出连接板。
6.一种旋转致动器，包括致动器外壳；偏心架，设置在致动器外壳内；主原动机，具有刚性固定于致动器外壳的第一主原动机部分，以及能够相对于第一主原动机旋转的第二主原动机部分，刚性固定于偏心架且能够在第一原动机部分上作用扭矩；十字交叉滚柱轴承，具有刚性连接于致动器外壳的第一轴承部分和可以相对于第一轴承部分转动的第二轴承部分；输出连接板，刚性固定于第二轴承部分；外壳齿轮，刚性固定于致动器外壳；输出齿轮，刚性固定与输出连接板；以及偏心轮，设置在偏心架周围，具有与外壳齿轮啮合的第一齿轮部分和靠近第一齿轮部分、与输出齿轮啮合的第二齿轮部分。
7.如权利要求6所述的旋转致动器，还包括刚性连接于致动器外壳的第一结构链接和刚性连接于输出连接板的第二结构链接。
8.如权利要求7所述的旋转致动器，其中第一链接和第二链接通过快速更换连接结构分别连接于致动器外壳和输出连接板。
9.如权利要求8所述的旋转致动器，其中每个快速更换连接结构包括在该旋转致动器的匹配部分中结构链接中的第一径向槽，邻近第一径向槽的第二径向槽，以及延伸于第一和第二径向槽圆周附近的径向夹。
10.如权利要求7所述的旋转致动器，其中第一结构链接紧靠十字交叉滚柱轴承地连接于致动器外壳，而第二结构链接紧靠十字交叉滚柱轴承地连接于输出连接板。
11.如权利要求6所述的旋转致动器，其中一个或多个第一和第二齿轮部分采用具有圆形外形的齿轮齿。
12.如权利要求11所述的旋转致动器，其中具有圆形外形的齿轮齿尺寸形成的具有少量干涉。
13.如权利要求12所述的旋转致动器，其中一个或多个具有圆形外形的齿轮齿具有设置于其中的空腔以便降低齿轮齿的刚度。
14.如权利要求6所述的旋转致动器，其中在任何时间点，一个或更多个第一和第二齿轮部分中的10个或更多个齿轮齿接触。
15.一种旋转致动器，包括致动器外壳；第一行星架，设置在致动器外壳内；主原动机，具有刚性固定于致动器外壳的第一主原动机部分，以及能够相对于第一主原动机部分转动、刚性固定于第一行星齿轮架且能够向第一原动机部分上作用扭矩的第二原动机部分；轴，具有与其刚性固定的轴齿轮；第二行星齿轮架，能够相对于第一行星齿轮架和轴转动，具有与其刚性固定的架齿轮；一个或多个第一级行星齿轮，设置在第一行星齿轮架内，每个具有与轴齿轮啮合的第一齿轮部分和靠近第一齿轮部分并与传动箱齿轮啮合的第二齿轮部分；十字交叉滚柱轴承，具有刚性连接于致动器外壳的第一轴承部分和可以相对于第一轴承部分活动的第二轴承部分；输出连接板，刚性固定于第二轴承部分；外壳齿轮，刚性固定于致动器外壳；输出齿轮，刚性固定与输出连接板；以及一个或多个第二级行星齿轮，设置在第二行星齿轮架内，每个具有于外壳齿轮啮合的第一齿轮部分和靠近第一齿轮部分、与输出齿轮啮合的第二齿轮部分。
16.如权利要求15所述的旋转致动器，还包括刚性连接于致动器外壳的第一结构链接和刚性连接于输出连接板的第二结构链接。
17.如权利要求16所述的旋转致动器，其中第一链接和第二链接通过快速更换连接结构分别连接于致动器外壳和输出连接板。
18.如权利要求17所述的旋转致动器，其中每个快速更换连接结构包括结构链接中的第一径向槽，在该旋转致动器的匹配部分中邻近第一径向槽的第二径向槽，以及延伸于第一和第二径向槽圆周附近的径向夹。
19.如权利要求16所述的旋转致动器，其中第一结构链接紧靠十字交叉滚柱轴承地连接于致动器外壳，而第二结构链接紧靠十字交叉滚柱轴承地连接于输出连接板。
20.如权利要求15所述的旋转致动器，其中一个或或多个第一和第二齿轮部分采用具有圆形外形的齿轮齿。
21.如权利要求20所述的旋转致动器，其中具有圆形外形的齿轮齿尺寸形成的具有少量干涉。
22.如权利要求21所述的旋转致动器，其中一个或多个具有圆形外形的齿轮齿具有设置于其中的空腔以便降低齿轮齿的刚度。
23.如权利要求15所述的旋转致动器，其中在任何时点，一个或更多个第一和第二齿轮部分中的10个或更多个齿轮齿接触。
全文摘要
一种旋转致动器，包括外壳、输出板、以及将输出板保持在外壳内的十字交叉滚柱轴承。设置在外壳内的主原动机在外壳内的齿轮系上作用扭矩。设置在十字交叉滚柱轴承任意一侧的一对齿轮与齿轮系中的一个或更多个齿轮啮合。根据应用，齿轮系可以为行星外摆或偏心内摆型。
文档编号F16H59/08GK1742175SQ200380109203
公开日2006年3月1日 申请日期2003年11月21日 优先权日2002年11月25日
发明者德尔伯特·特萨 申请人:德尔伯特·特萨