专利名称：一种用于短筒柔轮谐波减速器的刚轮与柔轮及其加工工艺的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及ー种短筒柔轮谐波減速器的刚轮与柔轮及其加工エ艺。
背景技术：
谐波齿轮传动是ー种依靠柔性齿轮的弹性变形来实现カ和运动传递的减速器。筒型谐波减速器由波发生器、刚轮和柔轮三个元件组成。通常情况下，刚轮固定，波发生器为椭圆构件，安装在柔轮内部，迫使柔轮按照一定规律在长轴端产生径向变形成为椭圆状。当波发生器在原动机驱动下旋转时，使得柔轮不断产生变形，柔轮轮齿也在变形过程中逐渐进入刚轮齿间，与刚轮轮齿发生啮合，然后逐渐退出，直至完全脱开。波发生器不断旋转，柔轮轮齿不断和刚轮轮齿重复进行啮入、啮合、啮出、脱开的循环相互错齿运动。这种错齿运动将波发生器的输入转化为柔轮的输出实现减速传动。在航空航天和机器人应用中，尤其是在仿人机器人中，受实际人体体型的限制，仿人机器人内部減速器可用安装空间大大受限，在满足传动性能的前提下，希望減速器的尺寸(主要是轴向尺寸，即对应于谐波元件中柔轮轴向长度)越小越好。例如日本本田技研生产的P3机器人，外形大小与人相仿，腿部膝关节宽度只有160_。如果使用普通的长度柔轮谐波减速器，刚轮外径为70_的谐波传动元件柔轮轴向长度大约为50_，此外轴向还需要配置电机、输入轴、联轴器、输出轴等元部件。为满足轴向尺寸要求，可以增加锥齿轮等换向装置使电机垂直放置或使用同步带使电机轴平行配置。但这两种方法都会使机器人腿部结构臃肿，质量増加，而且锥齿轮和同步带的存在会増大回差，降低传动精度，不利于机器人的控制。因此使用轴向尺寸更小的短筒柔轮谐波传动既可以满足仿人机器人仿形要求，又能减小质量，提高机器人控制性能。目前被广泛使用的是长径比(即柔轮轴向长度与其直径比的比值)为1/2和1/4比例的谐波减速器(短筒柔轮谐波減速器)。图I中展示的是普通谐波减速器(其长径比为I)与1/2和1/4比例的谐波减速器。但是，轴向尺寸减小会带来应力急剧增大和柔轮张角变大导致轮齿啮合区减小的问题。啮合区域减小，谐波齿轮传动的重合度随之降低，严重影响了谐波減速器的传动刚度。为了克服这种缺点，现在采用的方式有(I)对柔轮轮齿进行修形(一种渐开线齿廓三维修形的谐波传动装置，申请号200610127982. 6)。(2)从减速器整体结构上进行改进谐波减速器壳体中的轴承选用及其支撑方式(薄型谐波传动减速器，专利号ZL200520108605. 9)(谐波传动减速器，专利号ZL02261809. O);对谐波减速器三元件进行结构上的改进(一种短杯型谐波齿轮减速器，专利号ZL200820089409. 5)但是对柔轮进行修形的方法在エ艺上并不容易实现。对整体结构和三元件的结构改进具有局限性。另外，目前对于谐波齿轮的加工方法局限于对于刚轮轮齿使用插齿刀加工，对于柔轮轮齿采用滚齿刀加工，这样每对应ー对刚轮和柔轮的共轭齿廓，都需要制作一套相应的刀具，成本比较大。
发明内容
本发明目的在于提出一种用于短筒柔轮谐波減速器的刚轮与柔轮及其加工エ艺，、以解决短筒柔轮谐波減速器因轴向尺寸减小而导致的柔轮轮齿的偏斜从而引起的柔轮轮齿和刚轮轮齿啮合区域面积减小，导致重合度下降、传动刚度降低的问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是短筒柔轮谐波减速器的刚轮的内齿为具有倾斜角α的轮齿,倾斜角α倾斜方向与柔轮在长轴处的张角方向θ2—致，倾斜角α为0.1° 2°。短筒柔轮谐波減速器的 柔轮外齿齿廓由两段齿廓曲线段和齿顶直线段Id构成，两段齿廓曲线段的顶端通过齿顶直线段Id连接在一起，每个齿廓曲线段由上圆弧半径P a和下圆弧半径Pf平滑过渡连接而成。种短筒柔轮谐波減速器包含上述刚轮、上述柔轮和波发生器，波发生器安装在柔轮内部，刚轮套在柔轮上，刚轮上的内齿与柔轮上的外齿相啮合；柔轮的长度与其内径之比小于I。上述短筒柔轮谐波減速器的加工エ艺为步骤A、短筒柔轮谐波減速器的刚轮的加工过程为将刚轮毛坯放在慢走丝线切割机床的工作台上并利用夹具刚轮毛坯固定在工作台上，利用慢走丝线切割机床的加工锥角的功能使电极丝与刚轮毛坯的轴向形成傾斜角α ,依次整周加工出具有倾斜角α的刚轮轮齿,从而完成刚轮轮齿的加工；步骤B、短筒柔轮谐波減速器的柔轮的加工过程为利用柔轮轮齿加工卡具短筒柔轮谐波減速器的柔轮轮齿，将柔轮毛坯装在柔轮轮齿加工卡具的心轴上，并通过压板将柔轮毛坯固定在心轴上，通过慢走丝线切割机床来加エ柔轮轮齿，保持慢走丝线切割机床上的电极丝与柔轮轴线平行，当加工完柔轮上的一半轮齿时，将心轴转动180°，然后通过基准片找正柔轮毛坯轮齿加工位置，继续切割下一部分轮齿，至此柔轮轮齿加工完毕。本发明的有益效果是因为短筒柔轮谐波減速器轴向长度上较普通的谐波减速器减小很多，如图2所示。导致在波发生器装入柔轮中后，柔轮在波发生器长轴方向上张角变的更大，柔轮所受应カ也剧烈增加，如图2所示。同时张角的增大导致了柔轮和刚轮啮合区域相对减小这个问题更加突出，如图3所示。这种情况严重影响了谐波減速器的传动性能。本发明通过相对简单的加工方法——慢走丝线切割，采用有效的加工方式可以解决由轮齿偏斜而引起的柔轮轮齿和刚轮轮齿啮合区域减小的问题。本发明根据计算公式与有限元结果可有效的使柔轮所受应カ减小。不采用刀具而是在慢走丝线切割机床上通过夹具加工柔轮外齿廓并采用一定的倾斜角来加工刚轮内齿廓。本发明使用慢走丝线切割，使柔轮与刚轮结构紧凑，不需要普通谐波齿轮减速器轮齿加エ所用的专用刀具，不用设计专用刀具，加工简单，容易加工，其中柔轮各參数经过优化后选取可以有效降低其所受的最大应力。本发明所述加工方法比使用刀具加工简便，比采用柔轮修形的方式在エ艺上更易于实现。采用这种加工方法的谐波减速器比未使用按斜角切割的谐波减速器通过数值计算接触面积提高15% (即本发明中的柔轮轮齿与刚轮轮齿成一定倾斜角啮合，较为没有倾斜角时相比，所有啮合齿对总接触面积提高15% )，谐波减速器轮齿啮合重合度、传动刚度都得到提高。本发明所述的使用线切割的加工方式来加工柔轮轮齿和刚轮轮齿的方法不仅适用与短筒谐波减速器同样适用于其他形式的谐波减速器。
对于短筒柔轮谐波減速器来说，利用本发明可实现柔轮的轴向尺寸L2可达到普通谐波减速器柔轮轴向尺寸的25%，如图14(1/4比例)、图15(1/2比例)所示。本发明在加工方法上选用慢走丝线切割。而不是根据柔轮和刚轮齿廓设计加工刀具。慢走丝线切割在加工形状复杂的齿轮时很有优势，首先它的加工精度很高，至少可以达到±0. 002mm,表面的粗糙度可以达到O. 2 μ m到1.6μηι。另外还具有锥度加工的功能,这在加工刚轮时很有用处。首先根据传动比等实际工作參数要求，确定柔轮外齿廓和柔轮的结构參数。其中柔轮轮齿齿廓如图4所示上圆弧齿廓-.R1= (p., cosior, )-/., )/■ + (/ , sin( ,)) /
下圆弧齿廓'R1 = (/. - pr cosia,))/ + (p, sin(^) + b, ) j 将装卡在卡具上的柔轮毛坯件通过慢走丝线切割机床割出其齿廓。然后根据已确定的柔轮齿廓和波发生器的原始曲线，采用包络法计算并拟合出刚轮的共轭齿廓。计算并应用有限元分析确定短筒柔轮谐波減速器在长轴附近的张角。利用慢走丝线切割的锥度加エ的功能，以ー确定的倾斜角来切割刚轮轮齿，以使短筒柔轮谐波減速器在波发生器长轴附近的柔轮轮齿和刚轮轮齿啮合处啮合面积増大。从而提高了谐波齿轮的重合度，进而提高了谐波传动的刚度。
图I是普通谐波减速器与1/2短筒柔轮谐波減速器与1/4比例谐波减速器的对比；图Ia是普通谐波减速器的结构图，图Ib是1/2短筒柔轮谐波減速器的结构图(柔轮的长度与其内径之比为1/2)，图Ic是1/4比例谐波减速器的结构图(柔轮的长度与其内径之比为1/4);图I中普通谐波减速器波发生器I，普通谐波减速器柔轮2，普通谐波减速器刚轮3 ；1/2比例谐波减速器波发生器4，1/2比例谐波减速器柔轮5，1/2比例谐波减速器刚轮6，1/4比例谐波减速器波发生器7，1/4比例谐波减速器柔轮8，1/4比例谐波减速器刚轮9 ；图2是普通谐波减速和短筒谐波减速器长轴处张角大小示意图，图2中角Q1.普通的柔轮谐波減速器的张角，角Θ 2是短筒柔轮谐波減速器的张角；图3是柔轮不同张角对柔轮和刚轮啮合区域大小的影响对比图；图3a中角Q1.普通的谐波减速器的小张角，图3b中角Θ 2是短筒柔轮谐波減速器的大张角，小倾角状态的刚轮3、小倾角状态的柔轮2，大倾角状态的刚轮6或9、大倾角状态的柔轮5或8 ;图4是柔轮齿廓曲线图；图4中齿顶高ha，齿根高hf，上圆弧中心距y轴距离la，下圆弧中心距X轴距离bf，下圆弧中心距y轴距离lf，上圆弧半径P a，下圆弧半径P f，圆弧AB段高度Ii1,齿根圆弧半径Pf',上圆弧轮齿极半径R1,下圆弧轮齿极半径R2 ;图5是柔轮生成刚轮共轭齿廓的包络图；图6是柔轮毛坯结构图；图6中も分度圆直径、齿顶圆直径dM、齿根圆直径drt、轮齿底部壁厚S、壳体壁厚S1、筒底壁厚δ2、轮齿前端过渡圆角半径ri、轮齿后端过渡圆角半径r2、筒底过渡圆角半径r3、筒底凸缘过渡圆角半径r4、筒底凸缘壁厚t、筒底凸缘外径Cl1、筒底凸缘内径d2、柔轮内径dm、柔轮长度L、轮齿宽度L2、轮齿前端长度L1 ；图7是利用慢走丝线切割机床进行慢走丝线切割加工柔轮轮齿时的柔轮毛坯装卡结构图，图7a是柔轮轮齿加工卡具的主视图，图7b是图7a的A-A剖面图；图7中卡具底座7-1、基准片7-2、柔轮毛坯7-3、压板7-4、内六角螺钉7_5、弹簧垫片7_6、心轴7_7、紧定螺钉7-8、沉头螺钉7-9 ；图8是线切割加工エ件前电极丝倾角调整机构及调速过程示意图；图8a是慢走丝线切割机床的结结不意图，图8b是图8a的U方向电极丝位置调整不意图，图8c是图8a的V方向电极丝位置调整示意图；图8中下导轮8-1、电极丝8-2、刚轮毛坯8-3、上导轮8-4、上丝臂8-5、上转杆8_6、上丝筒8_7、伸缩杆8_8、下丝筒8_9、下转杆8-10、下丝臂8-11、エ作台8-12 ；图9是利用慢走丝线切割机床线切割加工坐标变换示意图；图9中电极丝8-2、下导轮8-1、上导轮8-4、エ件底面(即工作台8-12的上表面)8-12-1 ；图10是刚轮结构图；图IOa刚轮的主视图，图IOb是图IOa的A-A剖面图(图中标有倾斜角α)；图11是柔轮轮齿和按一定倾斜角切割的刚轮轮齿的啮合示意图；图中，4-1或7-1为波发生器上的柔性轴轴。图12是柔轮长轴处沿柔轮轴线方向上的柔轮截面变形图；图12a是柔轮的主视图，图12b是图12a的A、B和C三个截面变形图；图12中A、在端ロ截面处的柔轮形状，B、按原始曲线变化的中间某截面的柔轮形状(此处即为与假设柔轮不张成喇叭ロ情况下的柔轮变形形状)，C、柔轮筒底处截面的柔轮形状；图13是以一定倾斜角切割刚轮轮齿时，刚轮的齿廓，同时也是工作台运动的轨迹；图13a是刚轮的齿廓图，图13b是图13a局部放大图。图14是用慢走丝线切割エ艺实施加工得到的1/4比例谐波减速器照片截图；图15是用慢走丝线切割エ艺实施加工得到的1/2比例谐波减速器照片截图；图16是用慢走丝线切割エ艺实施加工得到的1/2、1/4比例谐波减速器柔轮零件对比照片截图。
具体实施例方式具体实施方式
一如图10和图11所示，本实施方式所述的短筒柔轮谐波減速器的刚轮6，9的内齿为具有倾斜角α的轮齿，倾斜角α倾斜方向与柔轮在长轴处的张角方向θ2—致，倾斜角α为O. 1° 2°。
具体实施方式
ニ 本实施方式所述的短筒柔轮谐波減速器的刚轮，其内齿倾斜角
α的计算公式为
权利要求
1.一种短筒柔轮谐波减速器的刚轮，其特征在于所述刚轮出，9)的内齿为具有倾斜角a的轮齿，倾斜角a倾斜方向与柔轮在长轴处的张角方向02—致，倾斜角a为.0. I。 2。。
2.根据权利要求I所述的短筒柔轮谐波减速器的刚轮，其特征在于所述倾斜角a的 计算公式
3.一种短筒柔轮谐波减速器的柔轮，其特征在于所述柔轮(5，8)外齿齿廓由两段齿廓曲线段和齿顶直线段Id构成，两段齿廓曲线段的顶端通过齿顶直线段Id连接在一起，每个齿廓曲线段由上圆弧半径Pa和下圆弧半径Pf平滑过渡连接而成。
4.根据权利要求3所述的短筒柔轮谐波减速器的柔轮，其特征在于所述柔轮(5，8)的具体结构参数为Zr = iudr — mZrdra = m(Zr+2xr-2ha*_2c*)drf — dra+3. 5m.6 = (0. 01 0. 015) drS 丄=(0. 5 0. 7) SS 2 = (0. 5 0. 7) ST1 = (10 20)mr2 = (10 20)mr3 = (4-10) 6t = (3-4) 6 xCi1 = (0. 5-0. 6) drd2 = 0. Sd1drn = drf-2 8L2 = (0. 2-0. 25) drL1 = (0. 2-0. 3) L2式中 i——减速器的减速比； u——波发生器的波数； Zr-齿数； Xr——变位系数； dr—分度圆直径； dra-齿顶圆直径； drf-齿根圆直径；.6——轮齿底部壁厚；、6 !—壳体壁厚； 、 6 2—筒底壁厚； r:-轮齿前端过渡圆角半径； r2-轮齿后端过渡圆角半径； r3——筒底过渡圆角半径； r4——筒底凸缘过渡圆角半径； t——筒底凸缘壁厚； Cl1—筒底凸缘外径； d2——筒底凸缘内径； drn——柔轮内径； L——柔轮长度； L2——轮齿宽度； L1-轮齿前端长度； m-模数； ha*-齿顶高系数，ha = mha*, ha-齿顶高； c*—顶隙系数； Xr、r4、L、m分别为给定值。
5.一种短筒柔轮谐波减速器，其特征在于所述谐波减速器包含权利要求I所述刚轮(6，9)、权利要求3所述柔轮(5，8)和波发生器(4，7)，波发生器(4，7)安装在柔轮(5，8)内部，刚轮(6，9)套在柔轮(5，8)上，刚轮(6，9)上的内齿与柔轮(5，8)上的外齿相啮合；柔轮(5，8)的长度与其内径之比小于I。
6.一种权利要求5所述的短筒柔轮谐波减速器的加工工艺，其特征在于所述加工工艺的具体过程为 步骤A、短筒柔轮谐波减速器的刚轮的加工过程为 将刚轮毛坯(8-3)放在慢走丝线切割机床的工作台(8-12)上并利用夹具刚轮毛坯(8-3)固定在工作台(8-12)上，利用慢走丝线切割机床的加工锥角的功能使电极丝(8-2)与刚轮毛坯(8-3)的轴向形成倾斜角a，依次整周加工出具有倾斜角a的刚轮轮齿，从而完成刚轮轮齿的加工； 步骤B、短筒柔轮谐波减速器的柔轮的加工过程为 利用柔轮轮齿加工卡具短筒柔轮谐波减速器的柔轮轮齿，将柔轮毛坯(7-3)装在柔轮轮齿加工卡具的心轴(7-7)上，并通过压板(7-4)将柔轮毛坯(7-3)固定在心轴(7-7)上，通过慢走丝线切割机床来加工柔轮轮齿，保持慢走丝线切割机床上的电极丝(8-2)与柔轮轴线平行，当加工完柔轮上的一半轮齿时，将心轴(7-7)转动180°，然后通过基准片(7-2)找正柔轮毛坯(7-3)轮齿加工位置，继续切割下一部分轮齿，至此柔轮轮齿加工完毕。
全文摘要
一种用于短筒柔轮谐波减速器的刚轮与柔轮及其加工工艺，它涉及一种短筒柔轮谐波减速器的刚轮与柔轮及其加工工艺。刚轮的内齿为具有倾斜角α的轮齿，倾斜角α倾斜方向与柔轮在长轴处的张角方向θ2一致，倾斜角α为0.1°～2°。柔轮外齿齿廓的两段齿廓曲线段的顶端通过齿顶直线段连接在一起，每个齿廓曲线段由上圆弧半径和下圆弧半径平滑过渡连接而成。谐波减速器包含刚轮、柔轮和波发生器；柔轮的长度与其内径之比小于1。短筒柔轮谐波减速器中的柔轮与刚轮均由慢走丝线切割机床加工而得到的。本发明中的柔轮轮齿与刚轮轮齿成一定倾斜角啮合，较为没有倾斜角时相比，所有啮合齿对总接触面积提高15％，从而提高了谐波齿轮的重合度，进而提高了谐波传动的刚度。
文档编号B23H9/00GK102678881SQ201210176679
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者于鹏飞, 吴伟国 申请人:哈尔滨工业大学