一种用于机器人关节的圆弧齿轮减速装置的制作方法

1.本发明涉及减速器技术领域，尤其涉及一种用于机器人关节的圆弧齿轮减速装置。


背景技术：

2.减速装置是机器人的核心零部件之一，其功能是传导伺服电机的动力，降低伺服电机速度并放大扭矩，以便精确地控制机器人的动作和承载相关负载。机器人用减速装置分为三大类：行星减速器、谐波减速器和rv减速器。其中，行星减速器多适用于小减速比工况(减速比i≤50)，谐波减速器和rv减速器多应用于大减速比工况(减速比i≥50)。
3.目前，传统小减速比行星减速器有以下局限：1)行星架左右两部分为分体结构，使得单位体积下的传动刚度较差，承载能力较低；2)行星齿轮轴承存在较多“挡肩”结构，使得轴向长度较长，体积和重量较大；3)齿廓为普通“渐开线”或“双圆弧”，齿向为普通“直线”，未考虑大负载工况下齿轮变形，齿廓和齿向未针对大负载工况进行修形，导致大负载下效率偏低，极端负载工况易产生失效。4)一般存在部分无法进行“渗碳+磨齿”的齿轮结构，如内齿圈或包含有无法磨齿的结构，其齿面硬度较低、齿面疲劳强度不高，大负载长时间工作易产生胶合失效，寿命和可靠性不高；5)其中外露零件材料多为非不锈钢(表面进行发黑处理)，只有一般的防尘设计，不防水，在盐雾、湿热恶劣环境下易生锈、腐蚀、卡死，不能长时间可靠工作。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种用于机器人关节的圆弧齿轮减速装置，能够解决现有技术中轴向长、体积和重量大、单位体积传动刚度差、承载能力低以及易生锈、腐蚀和卡死的技术问题。
5.根据本发明的一方面，提供了一种用于机器人关节的圆弧齿轮减速装置。减速装置包括：前端盖；一级传动单元，一级传动单元包括一级中心齿轮；一级行星组件，一级行星组件包括一级行星架和多个一级行星轮，多个一级行星轮可转动地均匀安装在一级行星架的周向上；二级行星组件，二级行星组件包括二级行星架和多个二级行星轮，多个二级行星轮可转动地均匀安装在二级行星架的周向上；内齿圈壳体，内齿圈壳体的内圈壁上具有与多个一级行星轮和多个二级行星轮相啮合的轮齿；后端盖；一级中心齿轮一端密封安装在前端盖内，另一端密封安装在一级行星架内，一级行星组件与二级行星组件密封连接后安装在内齿圈壳体内，二级行星架一端密封安装在后端盖内，内齿圈壳体两端分别与前端盖和后端盖密封连接。
6.进一步地，一级行星架包括第一圆盘、第二圆盘、多个一级连接结构和二级中心齿轮，第一圆盘与第二圆盘通过多个一级连接结构连接为一体，多个一级行星轮可转动地安装在第一圆盘和第二圆盘之间，二级中心齿轮固定在第二圆盘的中心位置，用于与二级行星架相连接以带动多个二级行星轮转动。
7.进一步地，二级行星架包括第三圆盘、第四圆盘和多个二级连接结构，第三圆盘与第四圆盘通过多个二级连接结构连接为一体，多个二级行星轮可转动地安装在第三圆盘和第四圆盘之间。
8.进一步地，一级行星组件还包括多个一级销轴和多个第ⅰ深沟球轴承，第二圆盘上均匀设置多个一级销孔和多个一级沉孔，第一圆盘上均匀设置多个一级内螺纹，多个第ⅰ深沟球轴承安装在多个一级销轴上，多个第ⅰ深沟球轴承轴向表面涂胶后过盈压入多个一级行星轮，一级销轴一端依次穿过一级沉孔和一级销孔旋入一级内螺纹内，另一端位于一级沉孔内。
9.进一步地，二级行星组件还包括多个二级销轴和多个第ⅱ深沟球轴承，第四圆盘上均匀设置多个二级销孔和多个二级沉孔，第三圆盘上均匀设置多个二级内螺纹，多个第ⅱ深沟球轴承安装在多个二级销轴上，多个第ⅱ深沟球轴承轴向表面涂胶后过盈压入多个二级行星轮，二级销轴一端依次穿过二级沉孔和二级销孔旋入二级内螺纹内，另一端位于二级沉孔内。
10.进一步地，二级行星架的第四圆盘上均匀设置有多个输出端螺纹。
11.进一步地，二级行星组件还包括第ⅲ深沟球轴承，二级行星架的第四圆盘上设置有凸台，第ⅲ深沟球轴承安装在后端盖内，且其内圈与凸台外表面相贴合。
12.进一步地，一级传动单元还包括第ⅳ深沟球轴承和第
ⅴ
深沟球轴承，前端盖上具有第一轴承室，第一圆盘上具有第二轴承室，一级中心齿轮一端通过第ⅳ深沟球轴承安装在第一轴承室内，另一端通过第
ⅴ
深沟球轴承安装在第二轴承室内，一级中心齿轮与多个一级行星轮相啮合。
13.进一步地，第三圆盘上具有第三轴承室，一级行星组件还包括第
ⅵ
深沟球轴承，二级中心齿轮一端通过第
ⅵ
深沟球轴承安装在第三轴承室内，二级中心齿轮与多个二级行星轮相啮合。
14.进一步地，一级中心齿轮、一级行星轮、二级行星轮、内齿圈壳体和二级中心齿轮的轮齿齿廓具有顶隙预留圆弧、啮合圆弧和过渡圆弧。
15.应用本发明的技术方案，提供了一种用于机器人关节的圆弧齿轮减速装置，该减速装置通过将一级行星架和二级行星架由传统的分体结构改进为一体式结构，两级行星组件设计为共用一个内齿圈壳体，能够实现两级行星组件的串联传动，可显著提高有限空间下减速装置的传动刚度和极限承载能力，具有结构简单装配方便的优点。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中轴向长、单位体积传动刚度差、承载能力低的技术问题。
附图说明
16.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1示出了根据本发明的具体实施例提供的减速装置输入端外形示意图；
18.图2示出了根据本发明的具体实施例提供的减速装置输出端外形示意图；
19.图3示出了根据本发明的具体实施例提供的减速装置爆炸图；
20.图4示出了根据本发明的具体实施例提供的减速装置剖视图；
21.图5示出了根据本发明的具体实施例提供的六段圆弧齿廓示意图；
22.图6示出了根据本发明的具体实施例提供的齿向修形示意图；
23.图7示出了根据本发明的具体实施例提供的一级行星组件剖视图；
24.图8示出了根据本发明的具体实施例提供的二级行星组件剖视图；
25.图9示出了根据本发明的具体实施例提供的一级行星架示意图；
26.图10示出了根据本发明的具体实施例提供的二级行星架示意图；
27.图11示出了根据本发明的具体实施例提供的一级销轴示意图；
28.图12示出了根据本发明的具体实施例提供的二级销轴示意图。
29.其中，上述附图包括以下附图标记：
30.10、前端盖；11、第一轴承室；20、一级传动单元；21、一级中心齿轮；21a、平键槽；22、第ⅳ深沟球轴承；23、第
ⅴ
深沟球轴承；30、一级行星组件；31、一级行星架；311、第一圆盘；311a、一级内螺纹；312、第二圆盘；312a、一级销孔；312b、一级沉孔；313、一级连接结构；314、二级中心齿轮；32、一级行星轮；33、一级销轴；33a、一级销轴螺纹；33b、一级销轴圆直段；33c、一级销轴螺帽；34、第ⅰ深沟球轴承；35、第
ⅵ
深沟球轴承；36、一级前垫片；37、一级后垫片；40、二级行星组件；41、二级行星架；411、第三圆盘；411a、二级内螺纹；412、第四圆盘；412a、二级销孔；412b、二级沉孔；412c、输出端螺纹；412d、凸台；413、二级连接结构；42、二级行星轮；43、二级销轴；43a、二级销轴螺纹；43b、二级销轴圆直段；43c、二级销轴螺帽；44、第ⅱ深沟球轴承；45、第ⅲ深沟球轴承；46、二级前垫片；47、二级后垫片；50、内齿圈壳体；60、后端盖；70、前端密封圈；80、后端密封圈；r1、圆弧一；r2、圆弧二；r3、圆弧三；r4、圆弧四；r5、圆弧五；r6、圆弧六。
具体实施方式
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
33.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而
不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
34.如图1、图2和图3所示，根据本发明的具体实施例提供了一种用于机器人关节的圆弧齿轮减速装置，减速装置包括：前端盖10、一级传动单元20、一级行星组件30、二级行星组件40、内齿圈壳体50和后端盖60。一级传动单元20包括一级中心齿轮21。一级行星组件30包括一级行星架31和多个一级行星轮32，多个一级行星轮32可转动地均匀安装在一级行星架31的周向上。二级行星组件40包括二级行星架41和多个二级行星轮42，多个二级行星轮42可转动地均匀安装在二级行星架41的周向上。内齿圈壳体50的内圈壁上具有与多个一级行星轮32和多个二级行星轮42相啮合的轮齿。一级中心齿轮21一端密封安装在前端盖10内，另一端密封安装在一级行星架31内，一级行星组件30与二级行星组件40密封连接后安装在内齿圈壳体50内，二级行星架41一端密封安装在后端盖60内，内齿圈壳体50两端分别与前端盖10和后端盖60密封连接。
35.应用此种配置方式，提供了一种用于机器人关节的圆弧齿轮减速装置，该减速装置通过将一级行星架31和二级行星架41由传统的分体结构改进为一体式结构，一级行星组件30和二级行星组件40设计为共用一个内齿圈壳体50，能够实现两级行星组件的串联传动，可显著提高有限空间下减速装置的传动刚度和极限承载能力，具有结构简单装配方便的优点。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中轴向长、单位体积传动刚度差、承载能力低的技术问题。
36.如图4所示，本发明中，一级行星组件30和二级行星组件40串联传动，共用一个内齿圈壳体50，应用此种配置方式，缩短了本发明减速装置的轴向长度，体积减小，重量减轻，便于应用于狭小工作空间。此外，如图1和图3所示，内齿圈壳体50一端通过前端盖密封圈70与前端盖10密封连接，另一端通过后端密封圈80与后端盖60密封连接，实现了外露零部件前端盖10、内齿圈壳体50和后端盖60之间的密封连接，提高了本发明所述的减速装置在沙尘、盐雾和湿热等恶劣工作环境下的适应性和可靠性。
37.为了进一步提高本发明减速装置单位体积下的传动刚度，同时优化整体结构，降低装配难度，一级行星架31配置为一体式结构，如图9所示，一级行星架31包括第一圆盘311、第二圆盘312、多个一级连接结构313和二级中心齿轮314，第一圆盘311与第二圆盘312通过多个一级连接结构313连接为一体，多个一级行星轮32可转动地安装在第一圆盘311和第二圆盘312之间，二级中心齿轮314固定在第二圆盘312的中心位置，用于与二级行星架41相连接以带动多个二级行星轮42转动。
38.同样地，二级行星架41也配置为一体式结构，如图10所示，二级行星架41包括第三圆盘411、第四圆盘412和多个二级连接结构413，第三圆盘411与第四圆盘412通过多个二级连接结构413连接为一体，多个二级行星轮42可转动地安装在第三圆盘411和第四圆盘412之间。
39.应用此种配置，将一级行星轮32和二级行星轮42左右两端的行星架由传统的分体结构优化为一体式结构，其承载能力和传动刚度得到提高，同时也便于装配。此外，将二级中心齿轮314作为一级行星架31一体式结构的一部分，省去了连接和支撑部件，使得减速装置轴向长度缩短，体积和重量减小，有利于在狭小空间应用。
40.作为本发明的一个具体实施例，本发明中一级行星轮32和一级行星架31的装配关系如图7所示，一级行星组件30配置为还包括多个一级销轴33和多个第ⅰ深沟球轴承34。如图9所示，第二圆盘312上均匀设置多个一级销孔312a和多个一级沉孔312b，第一圆盘311上均匀设置多个一级内螺纹311a，多个第ⅰ深沟球轴承34安装在多个一级销轴33上，多个第ⅰ深沟球轴承34轴向表面涂胶后过盈压入多个一级行星轮32，一级销轴33一端依次穿过一级沉孔312b和一级销孔312a旋入一级内螺纹311a内，另一端位于一级沉孔312b内。
41.进一步地，一级销轴33的结构如图11所示，包括一级销轴螺纹33a、一级销轴圆直段33b和一级销轴螺帽33c。装配时，将多个第ⅰ深沟球轴承34安装在多个一级销轴33的一级销轴圆直段33b上，多个第ⅰ深沟球轴承34轴向表面涂胶后过盈压入多个一级行星轮32，一级销轴33具有一级销轴螺纹33a的一端依次穿过一级沉孔312b和一级销孔312a旋入一级内螺纹311a内，一级销轴螺帽33c位于一级沉孔312b内。
42.应用此种装配方式，省去了传统行星轮轴承的“挡肩”结构，进一步缩短了减速装置的轴向长度，减小了减速装置整体的体积和重量。
43.在本实施例中，一级行星轮32的数量可根据实际需要选择，例如如图3所示，一级行星轮32的数量为四个。
44.进一步地，一级行星组件30还包括一级前垫片36和一级后垫片37，一级前垫片36穿过一级销轴33安装在一级行星轮32与第一圆盘311之间，一级后垫片36穿过一级销轴33安装在一级行星轮32和第二圆盘312之间，以作为一级行星轮32的轴向定位，从而保证一级行星轮32的两端不刮蹭到一级行星架31的内壁面。
45.作为本发明的一个具体实施例，二级行星轮42和二级行星架41的装配关系如图8所示，二级行星组件40配置为还包括多个二级销轴43和多个第ⅱ深沟球轴承44。如图10所示，第四圆盘412上均匀设置多个二级销孔412a和多个二级沉孔412b，第三圆盘411上均匀设置多个二级内螺纹411a，多个第ⅱ深沟球轴承44安装在多个二级销轴43上，多个第ⅱ深沟球轴承44轴向表面涂胶后过盈压入多个二级行星轮42，二级销轴43一端依次穿过二级沉孔412b和二级销孔412a旋入二级内螺纹411a内，另一端位于二级沉孔412b内。
46.进一步地，二级销轴43的结构如图12所示，包括二级销轴螺纹43a、二级销轴圆直段43b和二级销轴螺帽43c。装配时，将多个第ⅱ深沟球轴承44安装在多个二级销轴43的二级销轴圆直段43b上，多个第ⅱ深沟球轴承44轴向表面涂胶后过盈压入多个二级行星轮42，二级销轴43具有二级销轴螺纹43a的一端依次穿过二级沉孔412b和二级销孔412a旋入二级内螺纹411a内，二级销轴螺帽43c位于二级沉孔412b内。
47.应用这种装配方式，同样省去了传统行星轮轴承的“挡肩”结构，进一步缩短了减速装置的轴向长度，减小了减速装置整体的体积和重量。
48.在本实施例中，二级行星轮42的数量可根据实际需要选择，例如如图3所示，二级行星轮42的数量为四个。
49.进一步地，二级行星组件40还包括二级前垫片46和二级后垫片47，二级前垫片46穿过二级销轴43安装在二级行星轮42与第三圆盘411之间，二级后垫片47穿过二级销轴43安装在二级行星轮42和第四圆盘412之间，以作为二级行星轮42的轴向定位，从而保证二级行星轮42的两端不刮蹭到二级行星架41的内壁面。
50.此外，如图2和图10所示，二级行星架41的第四圆盘412上均匀设置有多个输出端
螺纹412c，用于与负载连接。
51.进一步地，为了将二级行星架41和后端盖60连接起来，如图3和图4所示，二级行星组件40配置为还包括第ⅲ深沟球轴承45，二级行星架41的第四圆盘412上配置为具有凸台412d，第ⅲ深沟球轴承45安装在后端盖60内，且其内圈与凸台412d外表面相贴合。为了实现第ⅲ深沟球轴承45与后端盖60的连接，后端盖60内设置内孔，第ⅲ深沟球轴承45安装在后端盖60的内孔里。
52.此外，为了实现一级中心齿轮21与一级行星组件30的传动串联，如图3和图7所示，一级传动单元20还包括第ⅳ深沟球轴承22和第
ⅴ
深沟球轴承23，前端盖10上具有第一轴承室11，第一圆盘311上具有第二轴承室，一级中心齿轮21一端通过第ⅳ深沟球轴承22安装在第一轴承室11内，另一端通过第
ⅴ
深沟球轴承23安装在第二轴承室内，一级中心齿轮21与多个一级行星轮32相啮合。
53.进一步地，为了实现一级行星组件30和二级行星组件40的传动串联，如图3和图8所示，第三圆盘411上具有第三轴承室，一级行星组件30还包括第
ⅵ
深沟球轴承35，二级中心齿轮314一端通过第
ⅵ
深沟球轴承35安装在第三轴承室内，二级中心齿轮314与多个二级行星轮42相啮合。
54.本发明中，第ⅲ深沟球轴承45、第ⅳ深沟球轴承22、第
ⅴ
深沟球轴承23和第
ⅵ
深沟球轴承35的组合安装形式实现了本发明减速装置的径向支撑和轴向定位。优选地，在实际应用中，以上四种轴承均可采用密封轴承，从而提高本发明减速装置的密封性，以更好地适应沙尘等恶劣工作环境。
55.为了提高本发明减速装置相关部件的硬度，增强接触疲劳强度和耐腐蚀能力，利用相关工艺对本发明减速装置的有关部件进行处理。具体包括：对一级中心齿轮21、一级行星轮32、二级行星轮42的表面进行“渗碳+磨齿”或“插齿+低温离子氮化”处理。对无法进行“渗碳+磨齿”处理的部件，如一级行星架31和内齿圈壳体50，采用“低温离子氮化”的工艺进行处理。其中，氮化温度为300℃至500℃，低温离子氮化变性较小，不影响齿轮形状的精度。前端盖10、一级中心齿轮21、一级行星架31、内齿圈壳体50、二级行星架41、二级销轴43和后端盖60均采用不锈钢，并对其进行酸洗钝化处理，以抵抗盐雾、湿热等恶劣工作环境。
56.此外，在本发明中，一级中心齿轮21、一级行星轮32、二级行星轮42、内齿圈壳体50和二级中心齿轮314的轮齿齿廓具有顶隙预留圆弧、啮合圆弧和过渡圆弧。举例来讲，如图5所示，轮齿齿廓可以为“六段圆弧齿廓”，包括圆弧一r1、圆弧二r2、圆弧三r3、圆弧四r4、圆弧五r5和圆弧六r6六段圆弧，其中圆弧一r1和圆弧三r3为啮合圆弧，圆弧四r4为顶隙预留圆弧，圆弧二r2、圆弧五r5和圆弧六r6为考虑大负载变形后的过渡圆弧。本发明中采用的“六段圆弧齿廓”相比传统的双圆弧圆柱齿轮的“四段圆弧基本齿廓”，在齿顶及凹凸交界处分别增加了圆弧二r2、圆弧五r5和圆弧六r6三段过渡圆弧，可有效避免高温、重载工况下齿轮变形所导致的齿顶与齿面划伤和卡死。此外，本发明中采用的“六段圆弧齿廓”相比传统的“渐开线”齿廓，承载能力更强，是“渐开线”齿廓承载能力的2倍以上。
57.进一步地，一级中心齿轮21、一级行星轮32、二级行星轮42、内齿圈壳体50和二级中心齿轮314的轮齿齿向如图6所示，均为斜齿。考虑到大负载变形，本发明对一级行星轮32和二级行星轮42的轮齿进行齿向修形，修形后轮齿齿向形状为中间高两端低的圆弧面，圆弧面半径r的取值范围为齿轮模数m的3000
‑
8000倍。应用此种齿向，可提高齿轮的极限承载
能力和疲劳寿命。
58.此外，如图1和图3所示，一级中心齿轮21一端还配置有平键槽21a，用于与输入电机连接，为减速装置输入动力。本发明减速装置的传动关系为：输入电机为一级中心齿轮21输入动力，一级行星轮32的齿轮传动输入端为一级中心齿轮21，输出端为一级行星架31，二级行星轮42齿轮传动的输入端为一级行星架31上的二级中心齿轮314，输出端为二级行星架41。其中，一级中心齿轮21和二级中心齿轮314为外齿轮，齿数均为z1，一级行星轮32和二级行星轮42为外齿轮，齿数均为z2，内齿圈壳体50为内齿轮，齿数为z3，本发明减速装置的总传动比为(z3/z1+1)2。二级中心齿轮314除齿宽大于一级中心齿轮21以外，其余齿轮参数与一级中心齿轮21完全一致。二级行星轮42除齿宽大于一级行星轮32以外，其余齿轮参数与一级行星轮32完全一致。
59.综上所述，本发明提供了一种用于机器人关节的圆弧齿轮减速装置，该减速装置通过将一级行星架和二级行星架由传统的分体结构改进为一体式结构，两级行星组件设计为共用一个内齿圈壳体，同时，在轮齿齿廓中增加过渡圆弧，能够实现两级行星组件的串联传动，可显著提高有限空间下减速装置的传动刚度和极限承载能力，能够在及沙尘、盐雾和湿热等恶劣环境下长期可靠工作，并且具有结构简单装配方便的优点。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中轴向长、单位体积传动刚度差、承载能力低以及易生锈、腐蚀和卡死，不适用于恶劣环境的技术问题。
60.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
61.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
62.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。