聚醚醚酮基短筒谐波减速器

1.本发明涉及机器人关节传动用短简谐波精密传动技术领域，特别涉及一种聚醚醚酮基短筒谐波减速器。


背景技术：

2.谐波齿轮传动是一种十分理想的机器人关节用减速器，但受机器人外形结构的限制，其内部可供减速器安装使用的空间受到了极大的限制，因此对聚醚醚酮基短筒谐波减速器的需求也日益迫切。
3.现有技术中，聚醚醚酮基短筒谐波减速器一般采用金属材料制成，波发生器装入柔轮后，柔轮的开口张角变的更大，应力急剧上升，导致谐波减速器的使用寿命急剧减短。
4.此外，柔轮的张角变大使柔轮的轮齿偏斜更加严重，直接导致柔轮轮齿和钢轮轮齿的接触面积下降，使得柔轮和钢轮啮合情况变差，导致谐波减速器承载能力大幅下降。而且，传统金属制谐波减速器的加工成本高、加工工艺复杂、加工难度大。现有技术中，聚醚醚酮基短筒谐波减速器研究集中在通过优化柔轮结构参数和柔轮齿形参数，以达到降低柔轮应力，提高柔轮疲劳强度的目标，但是最终效果并不能满足市场需求。因此，亟需开发一种机械性能良好满足市场需求的聚醚醚酮基短筒谐波减速器。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种聚醚醚酮基短筒谐波减速器，以解决上述问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种聚醚醚酮基短筒谐波减速器，所述聚醚醚酮基短筒谐波减速器用于机器人关节模组，包括：
7.波发生器；
8.柔性轴承，所述柔性轴承套于所述波发生器外；
9.柔轮，所述柔轮采用聚醚醚酮基复合材质，且沿轴向具有内端和外端，所述内端环套所述柔性轴承外部且设有外齿，所述外端沿轴向延伸超出所述柔性轴承；所述波发生器与所述柔性轴承配合可驱动所述柔轮产生弹性变形波；
10.输出端法兰，所述输出端法兰采用聚醚醚酮基复合材质，所述输出端法兰与所述柔轮的所述外端连接；
11.交叉滚子轴承，所述交叉滚子轴承包括：
12.内圈，所述内圈包括：
13.钢轮，所述钢轮套设于所述柔轮的所述内端且设有内齿，所述钢轮采用聚醚醚酮基复合材质；以及
14.钢轮筒，所述钢轮筒为环状且套于所述柔轮的所述内端并与所述钢轮连接；以及
15.外圈，所述外圈套于所述内圈外并与所述内圈可转动连接，所述外圈与所述输出端法兰连接。
16.在一个实施例中，所述柔性轴承采用聚醚醚酮基复合材质。
17.在一个实施例中，所述外圈和所述钢轮筒采用聚醚醚酮基复合材质。
18.在一个实施例中，所述波发生器采用聚醚醚酮基复合材质。
19.在一个实施例中，还包括输入端法兰，所述输入端法兰包括：
20.外法兰，所述外法兰为环状且与所述钢轮连接；以及
21.内法兰，所述内法兰位于所述外法兰的环内且与所述波发生器连接；所述内法兰用于与所述机器人关节模组中的转动轴连接。
22.在一个实施例中，所述内法兰沿轴向包括：
23.第一环，所述第一环用于与所述机器人关节模组中的转动轴连接；以及
24.第二环，所述第二环与所述第一环远离所述转动轴的一面连接，并通过螺栓与所述波发生器连接，所述第二环的外径尺寸大于所述第二环的外径尺寸，所述第二环沿轴向的厚度尺寸小于所述第一环沿轴向的厚度尺寸。
25.在一个实施例中，所述外法兰包括：
26.外环，所述外环的外径与所述外圈的外圈相同；以及
27.内环，所述内环位于所述外环的环内，所述内环沿轴向的厚度小于所述外环沿轴向的厚度，并与所述钢轮连接。
28.在一个实施例中，所述聚醚醚酮基复合材质包括碳纤维。
29.在一个实施例中，所述聚醚醚酮基复合材质中碳纤维含量为30％。
30.在一个实施例中，所述聚醚醚酮基复合材质包括碳纤维、石墨和聚四氟乙烯。
31.本发明提供一种聚醚醚酮基短筒谐波减速器采用聚醚醚酮基复合材料，可增加聚醚醚酮基短筒谐波减速器的使用寿命和承载能力，降低成本低且加工更容易，适用于各种机器人关节中。
附图说明
32.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
33.图1和图2是本发明的一个实施例的聚醚醚酮基短筒谐波减速器的立体图。
34.图3和图4是图1所示实施例中聚醚醚酮基短筒谐波减速器的爆炸图。
35.图5是图1所示实施例中波发生器、柔性轴承、柔轮、输出端法兰和交叉滚子轴承的组装图。
36.图6是图1所示实施例中交叉滚子轴承的立体图。
37.图7是图6所示实施例中沿a-a线的剖视图。
38.附图标记：100、聚醚醚酮基短筒谐波减速器；1、输入端法兰；11、外法兰；111、外环；112、内环；12、内法兰；121、第一环；122、第二环；2、波发生器；3、柔性轴承；4、柔轮；41、外齿；5、交叉滚子轴承；51、外圈；52、内圈；521、钢轮；5211、内齿；522、钢轮筒；6、输出端法兰。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明
的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了便于更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
40.在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本技术相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
41.除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。
42.以下将结合附图对本发明的各实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
43.在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
44.如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。
45.在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
46.本发明涉及一种聚醚醚酮基短筒谐波减速器100，该聚醚醚酮基短筒谐波减速器100长径比更小，结构紧凑，传动时齿面变形齿啮合接触更多，提高了聚醚醚酮基短筒谐波减速器100的承载能力，适用于各种机器人关节模组中。下面结合附图对本发明的一个实施例的聚醚醚酮基短筒谐波减速器进行详细描述。
47.机器人关节模组包括电机、阻尼器和上述的聚醚醚酮基短筒谐波减速器100。其中，该阻尼器位于电机和聚醚醚酮基短筒谐波减速器100之间，并分别与电机和聚醚醚酮基短筒谐波减速器100连接。阻尼器包括缸筒和位于缸筒内的转动轴。其中，缸筒的一端与电机连接，另一端与聚醚醚酮基短筒谐波减速器100连接。转动轴的输入端与电机的输出轴连接，并可随着输出轴转动而转动。传动轴的输出端与聚醚醚酮基短筒谐波减速器100的波发生器2连接。
48.具体来说，如图1-图4所示，该聚醚醚酮基短筒谐波减速器100包括输入端法兰1、波发生器2、柔性轴承3、柔轮4、输出端法兰6和交叉滚子轴承5。
49.其中，输入端法兰1用于连接阻尼器，波发生器2用于连接转动轴的输出端。柔性轴承3环套于波发生器2的径向外侧。柔轮4环套于柔性轴线的径向外部且设有外齿41。交叉滚子轴承5包括内圈52和外圈51，内圈52环套于柔轮4外部并设有内齿5211，输出端法兰6与柔轮4和交叉滚子轴承5的外圈51连接。转动轴带动波发生器2转动，波发生器2转动过程中可导致柔性轴承3的外圈51发生变形，同时迫使柔轮4在椭圆的长轴方向与固定的内圈52完全
啮合，在短轴方向完全分离，其余各处的齿视柔轮4回转位置的不同，处于啮入或啮出状态。柔轮4随着波发生器2转动过程中，其中一个外齿41从与钢轮521的一个内齿5211啮合到再一次与钢轮521上的这个内齿5211相啮合时，柔轮4恰好旋转一周，实现减速功能。交叉滚子轴承5的内圈52与阻尼器固定连接，波发生器2逆时针转动时，柔轮4可作顺时针转动，带动输出端法兰6做相对低速转动。
50.具体地，如图3和图4所示，输入端法兰1包括外法兰11和内法兰12。其中，外法兰11为整体为阶梯环状结构，用于与阻尼器的缸筒固定连接。外法兰11沿径向包括外环111和内环112，外环111和内环112为同轴的环状。外环111套于内环112的径向外侧并与内环112连接。外环111的内表面设有多个u型槽，多个u型槽位于外环111的边缘且沿外环111的周向间隔排列，每个u型槽内设有沿轴向延伸的通孔，u型槽和通孔用于通过螺栓与阻尼器的缸筒固定连接。应理解，也可以通过其他方式将外环111与缸筒连接，例如焊接或其他方式，不限制外环111与缸筒的具体连接方式。
51.内环112位于外环111的环内且设有多个沉头孔，多个沉头孔沿内环112的周向均匀间隔排列，多个沉头孔配合多个螺栓可将内环112与交叉滚子轴承5的内圈52固定连接。内环112沿轴向的厚度小于外环111的厚度，内环112沿轴向的外表面和外环111沿轴向的外表面基本平齐，而内环112沿轴向的内表面相对于外环111沿轴向的内表面朝向外部偏离，即内环112由外法兰11的内表面凹陷形成，方便安装交叉滚子轴承5的内圈52，下文会详述。
52.内法兰12和外法兰11同轴设置，且位于外法兰11的内环112的环内，内法兰12用于与转动轴的输出端和波发生器2连接。具体来说，内法兰12沿轴向包括相互连接的第一环121和第二环122，第一环121和第二环122同轴设置。其中，第一环121设有多个螺纹孔，多个螺纹孔沿第一环121的轴向延伸，通过多个螺栓或圆柱销和多个螺纹孔配合可将第一环121与转动轴的输出端定位连接。第二环122与第一环121沿轴向的内侧连接，第二环122的外径大于第一环121的外径，第二环122沿轴向的厚度小于第一环121沿轴向的厚度。第二环122可通过螺栓与波发生器2连接，转动轴可通过内法兰12与波发生器2连接。
53.波发生器2沿径向的外轮廓为椭圆形，波发生器2通过螺栓连接至第二环122，转动轴可通过内法兰12带动波发生器2转动。内法兰12可作为波发生器2和柔性轴承3的安装定位器。
54.柔性轴承3具有一定的形变且环套于波发生器2的径向外侧，柔性轴承3可随着波发生器2转动而转动，波发生器2转动过程中可导致柔性轴承3的内外圈51发生变形，即柔性轴承3环套于波发生器2后，其形状变成与波发生器2类似。
55.柔轮4为环状且套于柔性轴承3的径向外侧，柔轮4沿轴向的两端分别为内端和外端。其中，内端环套于柔性轴承3的径向外侧且设有多个外齿41，多个外齿41沿柔轮4的周向排列。柔轮4的外端沿轴向延伸超出柔性轴承3，外端朝向远离输入端法兰1方向延伸。波发生器2与柔性轴承3转动时可驱动柔轮4产生弹性变形波。
56.此外，柔轮4的长径比较小，最大径向变形量大，轮齿面产生较大的变形，进而增加外齿41与钢轮521内齿5211的接触面积，从而使得柔轮4在运动过程中稳定减速。
57.输出端法兰6为与柔轮4同轴的环状且与柔轮4的外端连接，输出端法兰6和柔轮4组装形成礼帽型结构。实践中，输出端法兰6和柔轮4可以一体成型，也可以通过其他方式固定连接，不限制输出端法兰6与柔轮4的具体连接方式。输出端法兰6可作为输出端对外输出
低速转动。
58.交叉滚子轴承5包括内圈52、圆柱形滚子和外圈51。如图5、图6和图7所示，外圈51为环状且外径与输出端法兰6的外径、以及外法兰11的外径基本相同，即该聚醚醚酮基短筒谐波减速器组装后，整体上为一圆柱体。应理解，外圈51的径向尺寸、外法兰11的径向尺寸以及输出端法兰6的径向尺寸可以根据实践需求设置，不限制外圈51和输出端外兰的尺寸。
59.外圈51与输出端法兰6通过螺栓固定连接。应理解，在其他实施例中，外圈51也可以通过其他方式与输出端法兰6固定连接，不限制外圈51与输出端法兰6连接的具体方式。柔轮4作低速转动时，可带动输出端法兰6和外圈51作低速转动。
60.内圈52和外圈51通过圆柱形滚子可转动连接，内圈52位于外圈51的环内且包括钢轮521和钢轮筒522，钢轮521和钢轮筒522为同轴的环状且通过螺栓固定连接。此外，钢轮521和钢轮筒522套设于柔轮4的径向外侧且位于柔轮4的内端。钢轮521通过另外一组螺栓与外法兰11的内环112连接。钢轮521的外径小于或等于外法兰11的内环112，钢轮521的一端抵靠外法兰11的内环112并通过螺栓与内环112固定连接，外法兰11可作为钢轮521的安装定位圈。应理解，在其他实施例中，也可以根据需要将钢轮521直接与阻尼器的缸筒固定连接。
61.钢轮521的径向内表面设有多个内齿5211，多个内齿5211沿钢轮521的周向排列。内圈21和外法兰11固定连接至阻尼器并形成定子部分，波发生器2、柔轮4、输出端法兰6和外圈51为转子半部分。波发生器2转动时，柔轮4的外齿41与钢轮521的内齿5211在啮入、啮合、啮出和脱开四种运动不断改变各自原来的工作状态，产生错齿运动，继而减小柔轮4的运动速度。
62.此外，在本发明中，钢轮521、柔轮4和输出端法兰6均采用聚醚醚酮基复合材质。聚醚醚酮为芳香族结晶型热塑性高分子材料，具有机械强度高、耐高温、耐冲击、阻燃、耐酸碱、耐水解、耐磨、耐疲劳、耐辐照及良好的电性能。
63.机器人在工作状态下，其关节处的需要不断的运动以及减速，而聚醚醚酮基短筒谐波减速器中的柔轮4和钢轮521也处于不断摩擦和变形中，所以需具有较大的耐磨性和强度。本发明将聚醚醚酮基复合材质应用于聚醚醚酮基短筒谐波减速器中的钢轮521、柔轮4和输出端法兰6中，采用可增加柔轮4、钢轮521和输出端法兰6的使用寿命，增加机器人的承载力。此外，聚醚醚酮基复合材质可通过注塑形成钢轮521、柔轮4或输出端法兰6，加工方便且成本低。
64.作为优选方案，柔性轴承3、交叉滚子轴承5的外圈51以及波发生器2可分别采用聚醚醚酮基复合材质，也可以其中一个或两个搭配采用聚醚醚酮基复合材质，以进一步提高聚醚醚酮基短筒谐波减速器的使用寿命。
65.优选地，聚醚醚酮基复合材质包括碳纤维。碳纤维优选含量范围为5％-30％。最优选地，碳纤维含量30％。
66.以聚醚醚酮溶脂550g为例，聚醚醚酮纯树脂的弯曲强度170mpa，拉伸强度100mpa，热导率0.29w/m-1
·
k-1
，弹性模量为4.2gpa。其中，加入碳纤维含量5％后，聚醚醚酮基复合材质的弯曲强度可达到190mpa，拉伸强度可达到140mpa、弹性模量达到可达到5gpa。加入碳纤维含量10％后，聚醚醚酮基复合材质的弯曲强度可达到250mpa，拉伸强度可达到180mpa，热导率可达到0.95w/m-1
·
k-1
、弹性模量达到9gpa。加入碳纤维含量20％后，聚醚醚酮基复
合材质的弯曲强度可达到310mpa，拉伸强度可达到205mpa，热导率可达到0.95w/m-1
·
k-1
，弹性模量达到16gpa。加入碳纤维含量30％后，聚醚醚酮基复合材质的弯曲强度可达到370mpa，拉伸强度可达到250mpa，热导率可达到0.95w/m-1
·
k-1
，弹性模量达到22gpa。
67.聚醚醚酮填充碳纤维的增强级塑料具有较高的弹性模量、机械强度、抗蠕变性、耐磨性和抗动态疲劳性，使得聚醚醚酮基短筒谐波减速器100具有较好的使用寿命和负载能力，提高聚醚醚酮基短筒谐波减速器100的传动精度。同时，碳纤维的加入显著的提升了材料的耐磨性、高温下的机械强度和热导率，具有较高的热变形温度，高温下也能保持一定的强度，增加机器人聚醚醚酮基短筒谐波减速器100的适应性。另外，聚醚醚酮填充碳纤维密度小、材质轻，还可抗辐射和腐蚀，可适应各种真空、高辐射、腐蚀等恶劣环境。
68.作为另一种优选方案，聚醚醚酮基复合材质包括碳纤维、石墨和聚四氟乙烯。
69.以聚醚醚酮溶脂770g为例，聚醚醚酮纯树脂的弯曲强度165mpa，拉伸强度100mpa，热导率0.29w/m-1
·
k-1
，弹性模量为4.1gpa。加入10％碳纤维、10％石墨和10％聚四氟乙烯后，聚醚醚酮基复合材质的弯曲强度可达到230mpa，拉伸强度可达到140mpa，热导率可达到0.87w/m-1
·
k-1
，弹性模量达到11.5gpa。
70.由此可见，聚醚醚酮与10％碳纤维、10％石墨和10％聚四氟乙烯复合，比单纯的聚醚醚酮纯树脂具有更好的机械性能，更低的摩擦系数，在高速低载和无油润滑的情况下，也能保持良好的自润滑性能。
71.本发明提供一种聚醚醚酮基短筒谐波减速器100采用聚醚醚酮基复合材料，打破传统金属制减速器在聚醚醚酮基短筒谐波减速器领域上的局限性，可增加聚醚醚酮基短筒谐波减速器100的使用寿命和承载能力，降低成本低且加工更容易，适用于各种机器人关节中。
72.本发明提供一种聚醚醚酮基短筒谐波减速器中使用聚醚醚酮基复合材料，打破传统金属制减速器在聚醚醚酮基短筒谐波减速器领域上的局限性，可增加聚醚醚酮基短筒谐波减速器的使用寿命和承载能力，降低成本低且加工更容易，适用于各种机器人关节中。
73.考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。
74.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。