专利名称：基于纳米表面工程的机电驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明属机械工程中的机械传动领域，特别是涉及一种基于纳米表面工程的机电驱动装置。
背景技术：
在航空、航天、电子工业、军事工业、机器人等机械设备中驱动电机和减速机构是分开设计，这样不可避免的需要考虑它们之间的联接设计，和轴系对中误差，并且传动机构出现磨损，机构运转容易存在卡涩。例如行星减少器、摆线针轮减少器和RV减速器结构复杂、工艺性差、当机构出现卡涩时，动态性能低劣和机械效率降低、附加动载荷大，特别是传递较大功率时，振动和噪声大。谐波传动的柔轮在长期的交变载荷下，容易疲劳磨损失效，出现机构卡涩。从而导致机械设备存在比较大的摩擦、磨损、振动、噪声、无功能耗等问题，及其机械传动系统所造成的传动精度、综合性能与可靠性差，装备的使用寿命缩短等问题。
发明内容
本发明的目的就是设计一种将减速器组件、输出传动装置与伺服电机集成，基于纳米表面工程的机电驱动装置。
本发明所涉及的一种基于纳米表面工程的机电驱动装置，包括具有纳米表面工程材料涂覆层的减速器组件、输出传动装置和伺服电动机。伺服电动机包括空心的转轴1。减速器组件包括偏心凸轮7、隔离套8、滚柱9、输入齿轮10、固定齿轮11、输出齿轮13。输出装置包括输出轴23。输入齿轮10和固定齿轮11的齿数存在少齿差。输入齿轮10和输出齿轮13的齿数相等或存在少齿差。
伺服电动机的转轴1直接与减速器组件偏心凸轮7相连，减速器组件的输出齿轮13的端面与联接板24通过激光焊工艺焊接为一体，联接板24通过周向均匀分布的一组螺钉15与输出轴23相连，输出轴23通过联接板24的内孔25定位。固定齿轮11通过周向均匀分别的一组螺钉14固定在外壳17和外壳5上，输出齿轮13可以相对固定齿轮11作周向转动。输出齿轮13和固定齿轮11的分度圆轴心线、偏心凸轮7的内孔轴心线、转轴1轴心线和输出轴23轴心线在同一个轴心线O上。固定齿轮11圆柱外表面的轴心线与轴心线O重合。偏心凸轮7外表面的轴心线、输入齿轮10的分度圆轴心线在同一个轴心线O1上。该轴心线O与轴心线O1存在偏心量为e的偏心。固定齿轮11圆柱外表面分别作为外壳5和外壳17安装的定位面。在外壳5和外壳17内安装轴承18、轴承6和轴承2处的内孔轴心线与轴心线O重合。转轴1和输出轴23之间通过轴承26相连。
基于纳米表面工程的机电驱动装置，为了防止和消除机构运转过程中存在的卡涩问题、降低摩擦系数、延长使用寿命和提高机构的可靠性。采用纳米固体润滑技术，在输入齿轮10、固定齿轮11和输出齿轮13的齿面涂覆0.1～30um的纳米固体润滑膜。该固体润滑膜通过非平衡磁控溅射技术或离子注入技术沉积的薄膜以MoS2为基体，添加金或金-钯合金、Ti或TiN等各种元素的薄膜。
本发明所涉及的一种基于纳米表面工程的机电驱动装置，将减速器组件、输出传动装置与伺服电机集成设计，从结构上确保其同心精度，通过偏心凸轮7带动输入齿轮10产生偏心转动，实现少齿差减速传动。传动副啮合面涂覆纳米固体润滑膜，使其摩擦系数极小，具有耐磨、可靠、减振、降噪等功效；当机构出现卡涩时，电机输出扭矩增大到一定的数值，纳米固体润滑膜产生超弹性模量效应，在啮合齿面形成适度的弹性变形，防止和消除机构卡涩。从而实现高精度、高可靠、长寿命、低能耗、小体积、轻量化的基于纳米表面工程的机电驱动装置，同时制造加工工艺简便，生产制造成本低，安装调试容易以及拆卸维修方便。
图1是基于纳米表面工程的机电驱动装置的结构示意图。
图2是基于纳米表面工程的机电驱动装置A-A截面图。
图3是基于纳米表面工程的机电驱动装置B-B截面图。
图4是固定齿轮11结构图。
图5是输出齿轮13结构图。
图6是输入齿轮10结构图。
图7是偏心凸轮7结构图。
图中1.转轴，2.轴承，3.螺钉，4.端盖，5.外壳，6.轴承，7.偏心凸轮，8.隔离套，9.滚柱，10.输入齿轮，11.固定齿轮，12.外圆定位面，13.输出齿轮，14.螺钉，15.螺钉，16.密封盖，17.外壳，18.圆锥滚子轴承，19.调整螺母，20.螺钉，21.端盖，22.密封，23.输出轴，24.联接板，25.内孔，26.轴承。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明本发明所涉及的一种基于纳米表面工程的机电驱动装置，包括具有纳米表面工程材料涂覆层的减速器组件、输出传动装置和伺服电动机。伺服电动机包括空心的转轴1。减速器组件包括偏心凸轮7、隔离套8、滚柱9、输入齿轮10、固定齿轮11、输出齿轮13。输出装置包括输出轴23。
如图1所示，伺服电动机的转轴1直接与减速器组件偏心凸轮7相连，减速器组件的输出齿轮13的端面与联接板24通过激光焊工艺焊接为一体，联接板24通过周向均匀分布的一组螺钉15与输出轴23相连，输出轴23通过联接板24的内孔25定位。将电机与减速器直接联接组合成一个基于纳米表面工程的机电驱动装置，减少了很多传动联接的中间环节，优化了轴系结构，减少了轴系传动的复杂对中问题，提高了传动精度和效率，且制造加工简便。
如图1所示，基于纳米表面工程的机电驱动装置所采用的减速器传动原理，是基于少齿差行星齿轮传动原理。通过偏心凸轮7所存在的偏心带动输入齿轮10产生偏心转动，而输入齿轮10齿数又比固定齿轮11齿数少1～4个齿，当输入齿轮10与固定齿轮11啮合传动时，产生少齿差行星齿轮传动效果，最后再通过输出齿轮13齿数和输入齿轮10齿数相等，从而将速度输出。
另一方面，在电机和减速器集成的基于纳米表面工程的机电驱动装置中，要实现少齿差输出传动，必须考虑到电机、减速器和外壳组成的一个整体的输入和输出同心度及其偏心度的设计。如图1、图2和图3所示，输出齿轮13和固定齿轮11的分度圆锥面轴心线、偏心凸轮7的内孔轴心线、转轴1轴心线和输出轴23轴心线在同一个轴心线O上，同时，固定齿轮11圆柱外表面的轴心线与轴心线O重合。偏心凸轮7的圆锥外表面的轴心线、输入齿轮10的分度圆锥面的轴心线在同一个轴心线O1上，该轴心线O与轴心线O1存在偏心量为e的偏心；固定齿轮11圆柱外表面分别作为外壳5和外壳17安装的定位面，外壳5和外壳17安装轴承18、轴承6和轴承2处的内孔面轴心线与轴心线O重合。转轴1和输出轴23之间通过轴承26相连，保证了转轴1和输出轴23在运转过程中的同心度。
如图9所示，输入齿轮10、固定齿轮11和输出齿轮13的齿面涂覆0.1～30um的纳米固体润滑膜，使其摩擦系数极小，具有耐磨、可靠、减振、降噪等功效；当机构出现卡涩时，电机输出扭矩增大到一定的数值，纳米固体润滑膜产生超弹性模量效应，在啮合齿面可以形成适度的弹性变形，从而防止和消除机构卡涩。
该固体润滑膜通过非平衡磁控溅射技术或离子注入技术沉积的薄膜以80％～95％MoS2为基体，添加2％～9％金或金-钯合金、0.5％～6％Ti或TiN等多种合金元素的纳米复合多层薄膜。共溅射固体润滑膜成膜工艺参数需要严格控制镀膜室本底气压≤1×10-3Pa，工作气体氩或氙的纯度≥99％，预溅射和溅射工作气压为(0.02～6.0)Pa，预沉积前对工件偏压为(-1000～-2000)V，对新靶预溅射15小时以上，镀膜前工件表面被离子刻蚀的面功率密度为(0.2～10)W/cm2；MoS2靶功率1～4kW，Ti靶功率0～4 kW；工件偏压为(-50～-200)V，镀膜时间(10～120)分钟；镀膜结束后(1～10)分钟内充保护气体至(2～8)×104pa后自然冷却至室温。
实施例如图1所示，基于固体润滑的高性能机电驱动机构的安装固定齿轮11通过周向均匀分别的一组螺钉14固定在外壳17和外壳5上，输出齿轮13可以相对固定齿轮11作周向转动。转轴1左边通过轴承6支持在外壳5的内壁上，右边通过轴承2支持在右端盖4的内壁上。输出轴23通过两个圆锥滚子轴承18支持在外壳17内，通过端盖21和螺母18来定位调节。
如图1所示，基于固体润滑的高性能机电驱动机构为保证偏心度e和同心度进行了机构设计。固定齿轮11外圆面作为安装的定位面，首先通过周向均匀分布的一组螺钉14将外壳17和外壳5实现固位安装，外壳17和外壳5的轴承孔的同心度和两个外壳固位安装孔的同心度一致，转轴1左边通过轴承6支持在外壳5的内壁上，右边通过轴承2支持在右端盖4的内壁上。输出轴23通过两个圆锥滚子轴承18支持在外壳17内，通过端盖21和螺母18来定位调节。转轴1和输出轴23之间通过轴承26相连，更好的保证了转轴1和输出轴23在运转过程中的同心度。
伺服电动机的转轴1带动减速器组件偏心凸轮7，偏心凸轮7再通过圆锥滚柱9带动输出齿轮13做偏心转动，输出齿轮13在与固定齿轮11作啮合运动中产生绕自己的轴心线转动，同时，通过与齿数相等的输出齿轮13啮合运动将旋转运动输出，输出齿轮13的端面与联接板24通过激光焊工艺焊接为一体，联接板24通过周向均匀分布的一组螺钉15与输出轴23相连，输出轴23通过联接板24的内孔25定位。
纳米表面薄膜的制备情况在输入齿轮10、固定齿轮11和输出齿轮13的齿面上涂覆一层纳米表面薄膜，采用具有非平衡磁控溅射功能的PVD镀膜机.镀膜机沉积室中央为工件台，周围内壁上布置4个溅射靶，其中2个为磁控溅射MoS2靶相对布置，另2个磁控溅射靶分别是Ti靶和金或金-钯合金的合金元素靶相对布置.4个靶形成非平衡磁控溅射封闭场。
输入齿轮10、固定齿轮11和输出齿轮13的材料为45钢，硬度大于45HRc，表面粗糙度Ra小于0.16um，先将镀膜样品放入丙酮中用超声波清洗5min除去样品表面油污，然后装入真空室内工件台上，工件偏压为-1300V，利用辉光放电效应对样品表面进行刻蚀清洗。真空室工作压力为0.5Pa，清洗时间10min，之后开启Ti靶工作，在样品表面沉积厚约100nm的Ti中间层来提高膜层与基底问的结合力。Ti过渡层沉积结束后，充入反应气体N2，其他参数保持不变，负偏压压降至-800V，气体压力为0.55Pa。沉积TiN支撑层，时间为20min。此时真空室平衡温度为200℃。沉积结束后，关掉弧源、负高偏压、N2截止阀。抽出真空室内残余气体至极限真空度，真空室温度降到100℃。沉积TiN中间层的目的在于TiN膜具有很高的硬度(HV2100以上)，耐磨性和耐蚀性很好，可以作为MoS2基润滑层的有力的支撑。
再Ar+离子轰击，沉积一层Ti过渡层。开启MoS2靶和Au靶电源，关闭Ti靶电源。MoS2靶弧电流120A，负偏压-200V，充入氩气至0.15Pa，保持真空室压力为3.0Pa，偏压降至120v沉积MoS2/Au复合涂层。每沉积10min，采用2.5Pa氩气，偏压-800V进行离子轰击，时间为5min。沉积时间达到20min后，真空室平衡温度为280℃，沉积结束。关掉负偏压、所有弧源、反应气体，抽真空室真空至极限真空度。
所制备的MoS2/Au/Ti薄膜厚度4um，摩擦系数0.02，驱动电机的输出扭矩为3Nm时，电机的输出功率随转速的增加，波动不大，可见摩擦系数较小。在输出扭矩增大时，电机的输出功率几乎成线性增大，机构运行平稳，摩擦力矩小、润滑状态良好，没有出现卡死。实现高精度、高可靠、长寿命、大扭矩、低能耗、小体积、轻量化的基于固体润滑的高性能机电驱动机构。
权利要求
1.一种基于纳米表面工程的机电驱动装置，包括具有纳米表面工程材料涂覆层的减速器组件、输出传动装置和伺服电动机；其特征为伺服电动机包括空心的转轴(1)；减速器组件包括偏心凸轮(7)、隔离套(8)、滚柱(9)、输入齿轮(10)、固定齿轮(11)、输出齿轮(13)；输出装置包括输出轴(23)；伺服电动机的转轴(1)直接与减速器组件偏心凸轮(7)相连；输入齿轮(10)和固定齿轮(11)的齿数存在少齿差，输入齿轮(10)和输出齿轮(13)的齿数相等或齿数存在少齿差。
2.根据权利要求1所述的基于纳米表面工程的机电驱动装置，其特征是减速器组件的输出齿轮(13)的端面与联接板(24)通过激光焊工艺焊接为一体，联接板(24)通过周向均匀分布的一组螺钉(15)与输出轴(23)相连，输出轴(23)通过联接板(24)的内孔(25)定位；固定齿轮(11)通过周向均匀分别的一组螺钉(14)固定在外壳(17)和外壳(5)上，输出齿轮(13)可以相对固定齿轮(11)作周向转动。
3.根据权利要求1所述的基于纳米表面工程的机电驱动装置，其特征是输出齿轮(13)和固定齿轮(11)的分度圆轴心线、偏心凸轮(7)的内孔轴心线、转轴(1)轴心线和输出轴(23)轴心线在同一个轴心线O上，固定齿轮(11)圆柱外表面的轴心线与轴心线O重合，偏心凸轮(7)外表面的轴心线、输入齿轮(10)的分度圆轴心线在同一个轴心线O1上，该轴心线O与轴心线O1存在偏心量为e的偏心；固定齿轮(11)圆柱外表面分别作为外壳(5)和外壳(17)安装的定位面，在外壳(5)和外壳(17)内安装轴承(18)、轴承(6)和轴承(2)处的内孔轴心线与轴心线O重合；转轴(1)和输出轴(23)之间通过轴承(26)相连。
4.根据权利要求1所述的基于纳米表面工程的机电驱动装置，其特征是输入齿轮(10)、固定齿轮(11)和输出齿轮(13)的齿面涂覆0.1～30um的纳米固体润滑膜。该固体润滑膜通过非平衡磁控溅射技术或离子注入技术沉积的薄膜以MoS2为基体，添加金或金-钯合金、Ti或TiN等各种元素的薄膜。
全文摘要
一种基于纳米表面工程的机电驱动装置，包括具有纳米表面工程材料涂覆层的减速器组件、输出传动机构和伺服电动机。本驱动机构将减速器组件、输出传动机构与伺服电机集成设计，从结构上确保其同心精度，通过偏心凸轮(7)带动输入齿轮(10)产生适度的偏心转动，实现少齿差减速精密传动，使其传动比大、回差小、效率高。传动副啮合面涂覆有纳米固体润滑膜，使其摩擦系数极小，具有耐磨、可靠、减振、降噪等功效；当驱动装置出现卡涩时，纳米固体润滑膜产生超弹性模量效应，形成适度的弹性变形，消除机构卡涩。本驱动装置具有高精度、高可靠、长寿命、大转矩、低能耗等优点，适用于特殊与极端环境下的航空、航天、机器人、自动化等领域工程装备。
文档编号F16H37/00GK101056019SQ20071007904
公开日2007年10月17日 申请日期2007年2月9日 优先权日2006年10月20日
发明者王家序, 肖科, 田凡 申请人:重庆大学