CN103453078A - 一种新型波发生器的谐波减速机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型波发生器的谐波减速机，圆环形刚性轮的内表面设置刚性内齿，圆环形刚性轮内设置波发生器；所述波发生器由具有椭圆形轮廓的刚性凸轮和镶嵌在刚性凸轮外圈上的柔性轴承组成；在波发生器的轴承外圈上套装柔性轮，柔性轮外表面设置与圆环形刚性轮内齿配合的外齿；柔性轮与圆环形刚齿轮同轴配置；波发生器有电机带动作为旋转驱动源；波发生器凸轮形状曲线具有特定表达式。本发明中不仅给出了波发生器凸轮形状曲线的具体表达式，而且该波发生器使得柔轮和刚轮能够更好地啮合，改善了柔性轴承和齿轮啮合齿面的受力分布，降低了柔轮齿底受力。

Description

一种新型波发生器的谐波减速机

技术领域

本发明涉及一种谐波减速机。 

背景技术

谐波减速机具有精度高，体积小，承载扭矩高的特点，广泛用于工业机器人领域。 

波发生器是由刚体波发生器凸轮和镶嵌在它外圈上的波发生器轴承两个部件组成。波发生器凸轮形状对谐波减速机的性能影响很大，尤其是在额定转矩、效率和使用寿命上有着直接影响。 

关于谐波减速机波发生器凸轮形状设计中，世界上谐波减速机大多数采用的是椭圆曲线的波发生器凸轮，其优点是设计简单，制造也不复杂，缺点是该减速机中的柔性轮齿底受力较大，影响谐波减速机的柔性轮寿命，并且柔性轮与圆环形刚性轮啮合的齿数较少。其它的波发生器凸轮形状有混合圆弧曲线、四个轮廓曲线、双圆弧曲线、渐开线曲线、摆线曲线等。其中采用混合圆弧的波发生器凸轮，其目的是使得柔性轮和圆环形刚性轮啮合时受力分布良好；采用四个轮廓的波发生器凸轮，给出了形状表达式、参数等，但不能对其波发生器凸轮形状做出有效评价。 

综上所述，国内外虽然对谐波减速机波发生器凸轮形状已有一些研究与发明，但其存在不足之处有两点：其一、给出的波发生器凸轮形状曲线表达式不够详尽；其二、给出的波发生器凸轮形状，当柔性 轮和圆环形刚性轮啮合时，柔性轮齿底受力较大，啮合齿数不多。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，使用寿命长的新型波发生器的谐波减速机。 

本发明的技术解决方案是： 

一种新型波发生器的谐波减速机，其特征是：包括圆环形刚性轮，圆环形刚性轮的内表面设置刚性内齿，圆环形刚性轮内设置波发生器；所述波发生器由具有椭圆形轮廓的刚性凸轮和镶嵌在刚性凸轮外圈上的柔性轴承组成；在波发生器的轴承外圈上套装柔性轮，柔性轮外表面设置与圆环形刚性轮内齿配合的外齿；柔性轮与圆环形刚齿轮同轴配置；波发生器有电机带动作为旋转驱动源；波发生器凸轮形状曲线表达式： 

$R\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{(a+b)}{2}+\frac{(a-b)}{2\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)}+k_0\frac{L}{2\mathrm{\π}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\cos (\mathrm{i\θ}-{\mathrm{\ω}}_i)\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

其中， 

R(θ)表达式的前半部分表达式为椭圆形曲线： 

$\frac{(a+b)}{2}+\frac{(a-b)}{2\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

R(θ)表达式的后半部分表达式为向径修正项： 

$R\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{(a+b)}{2}+\frac{(a-b)}{2\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)}+k_0\frac{L}{2\mathrm{\π}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\cos (\mathrm{i\θ}-{\mathrm{\ω}}_i)\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

式中， 

R(θ)——波发生器凸轮曲线的向径 

a——波发生器凸轮椭圆形状时的长半轴 

b——波发生器凸轮椭圆形状时的短半轴 

θ——波发生器凸轮曲线的长轴和向径R的夹角（0°≤θ≤90°） 

k₀——常数 

L——波发生器凸轮的周长 

n——整数 

A_i——常数（i=0，1，2……n） 

ω_i——常数（i=0，1，2……n） 

向径R(θ)修正项式（2）中的k₀常数一般取值在[0.05，0.1]范围内。 

圆环形刚性轮的刚性内齿数与柔性轮的外齿数的差为2n个齿，n为正整数。 

本发明结构合理，不仅给出了波发生器凸轮形状曲线的具体表达式，而且该波发生器使得柔性轮和圆环形刚性轮能够更好地啮合，改善了柔性轴承和齿轮啮合齿面的受力分布，降低了柔性轮齿底受力。 

两台同一型号的具有相同减速比的谐波减速机A和B。在运行条件相同的情况下，谐波减速机A中更换为椭圆形曲线波发生器凸轮；谐波减速机B中更换为本发明形状曲线波发生器凸轮。测试这两台谐波减速机的传动精度误差、额定转矩、效率等，对比如下： 

（1）谐波减速机A与谐波减速机B传动精度误差均在0.5arcmin以内； 

（2）谐波减速机B的额定转矩比谐波减速机A的额定转矩大16%； 

（3）额定条件下，谐波减速机B的效率比谐波减速机A的效率高8%左右； 

（4）谐波减速机B中的柔性轮和圆环形刚性轮啮合齿数比谐波 减速机A中的柔性轮和圆环形刚性轮啮合齿数多15%。 

由测试结果可得，采用本发明形状曲线波发生器的谐波减速机，在保证传动精度的情况下，额定转矩和效率均有增加，且其柔性轮和圆环形刚性轮啮合齿数增多，寿命提高。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

图1是本发明的截面图。 

图2是齿轮啮合状态示意图。 

图3是波发生器凸轮曲线示意图。 

图3中：8-标准椭圆曲线；9-本发明的形状曲线；10-长轴部位；11-短轴部位；a-标准椭圆长轴半径；b-标准椭圆短轴半径。 

具体实施方式

一种新型波发生器的谐波减速机，包括圆环形刚性轮1，圆环形刚性轮的内表面设置刚性内齿7，圆环形刚性轮内设置波发生器3；所述波发生器由具有椭圆形轮廓的刚性凸轮4和镶嵌在刚性凸轮外圈上的柔性轴承5组成；在波发生器的轴承外圈上套装柔性轮2，柔性轮外表面设置与圆环形刚性轮内齿配合的外齿5；柔性轮与圆环形刚齿轮同轴配置；波发生器有电机带动作为旋转驱动源；波发生器凸轮形状曲线表达式： 

$R\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{(a+b)}{2}+\frac{(a-b)}{2\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)}+k_0\frac{L}{2\mathrm{\π}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\cos (\mathrm{i\θ}-{\mathrm{\ω}}_i)\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

其中， 

R(θ)表达式的前半部分表达式为椭圆形曲线： 

$\frac{(a+b)}{2}+\frac{(a-b)}{2\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

R(θ)表达式的后半部分表达式为向径修正项： 

$R\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{(a+b)}{2}+\frac{(a-b)}{2\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)}+k_0\frac{L}{2\mathrm{\π}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\cos (\mathrm{i\θ}-{\mathrm{\ω}}_i)\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

式中， 

R(θ)——波发生器凸轮曲线的向径 

a——波发生器凸轮椭圆形状时的长半轴 

b——波发生器凸轮椭圆形状时的短半轴 

θ——波发生器凸轮曲线的长轴和向径R的夹角(0°≤θ≤90°) 

k₀——常数 

L——波发生器凸轮的周长 

n——整数 

A_i——常数(i=0，1，2……n) 

ω_i——常数(i=0，1，2……n) 

向径R(θ)修正项式(2)中的k₀常数一般取值在[0.05，0.1]范围内。 

圆环形刚性轮的刚性内齿数与柔性轮的外齿数的差为2n个齿，n为正整数。 

向径R(θ)修正项式(2)中的常数A_i、ω_i的值见下表1。 

表1向径修正项常数A_i、ω_i

常数Ai	数值	常数ωi	数值
				A0	一4.0653×10-3	ω0	0.0000
A1	2.2330×10-10	ω1	4.2569
				A2	4.3398×10-2	ω2	3.7700×10-7
A3	7.5600×10-8	ω3	2.8233×10-1
				A4	6.2544×10-3	ω4	3.1416×102

[0061] 

A5	1.2000×10-9	ω5	1.7926
				A6	3.7800×10-3	ω6	5.2324

向径R(θ)修正项式(2)中的整数n的值见下表2。 

表2向径修正项整数n 

减速比j	整数n
		j≤80	4
80＜j≤160	5
		j＞160	6

图2是谐波减速机齿轮啮合状态的示意图。波发生器3将柔性轮2弯曲成椭圆形，使柔性轮2中处于椭圆形长轴方向两端位置上的部分外齿6与圆环形刚性轮1的部分内齿7啮合。一般情况下，圆环形刚性轮1被固定在一个固定本体上，波发生器3由电机带动作为旋转驱动源。波发生器3转动，使得两个齿轮1、2的啮合位置在圆周方向上移动。两个齿轮1、2的齿数差为2n个齿(n为正整数)，由于齿数差使得两个齿轮1、2之间相对波发生器3的旋转产生大幅度减速的相对旋转运动。因为圆环形刚性轮1是被固定的，所以柔性轮2的旋转带动与它连接的部件也产生旋转，以此方式传递旋转减速运动。 

图3是谐波减速机波发生器凸轮曲线示意图。椭圆形曲线8为标准椭圆曲线，长轴半径为a，短轴半径为b。在曲线周长不变的情况下，保持长轴半径a不变，短轴半径减小，从而变形为本发明设计的波发生器凸轮形状曲线9。形状曲线9和椭圆形曲线8相比，在长轴部位10，形状曲线9的向径比椭圆形曲线8大；在短轴部位11，形状曲线9的向径比椭圆形曲线8小。由于长轴部位10为圆环形刚性轮1和柔性轮2啮合部位，形状曲线9的向径比椭圆形曲线8大，使 得柔性轮2齿底弯曲量减小，进而柔性轮2齿底受力减小，并且啮合齿数增加，提高柔性轮使用寿命。 

Claims (3)

1.一种新型波发生器的谐波减速机，其特征是：包括圆环形刚性轮，圆环形刚性轮的内表面设置刚性内齿，圆环形刚性轮内设置波发生器；所述波发生器由具有椭圆形轮廓的刚性凸轮和镶嵌在刚性凸轮外圈上的柔性轴承组成；在波发生器的轴承外圈上套装柔性轮，柔性轮外表面设置与圆环形刚性轮内齿配合的外齿；柔性轮与圆环形刚齿轮同轴配置；波发生器有电机带动作为旋转驱动源；波发生器凸轮形状曲线表达式：

$R\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{(a+b)}{2}+\frac{(a-b)}{2\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)}+k_0\frac{L}{2\mathrm{\π}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\cos (\mathrm{i\θ}-{\mathrm{\ω}}_i)\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

其中，

R(θ)表达式的前半部分表达式为椭圆形曲线：

$\frac{(a+b)}{2}+\frac{(a-b)}{2\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

R(θ)表达式的后半部分表达式为向径修正项：

$R\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{(a+b)}{2}+\frac{(a-b)}{2\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)}+k_0\frac{L}{2\mathrm{\π}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\cos (\mathrm{i\θ}-{\mathrm{\ω}}_i)\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

式中，

R(θ)——波发生器凸轮曲线的向径

a——波发生器凸轮椭圆形状时的长半轴

b——波发生器凸轮椭圆形状时的短半轴

θ——波发生器凸轮曲线的长轴和向径R的夹角（0°≤θ≤90°）

k₀——常数

L——波发生器凸轮的周长

n——整数

A_i——常数（i=0，1，2……n）

ω_i——常数（i=0，1，2……n）

向径R(θ)修正项式（2）中的k₀常数一般取值在[0.05，0.1]范围内。

2.根据权利要求1所述的一种新型波发生器的谐波减速机，其特征是：圆环形刚性轮的刚性内齿数与柔性轮的外齿数的差为2n个齿，n为正整数。

3.根据权利要求1所述的一种新型波发生器的谐波减速机，其特征是：向径R(θ)修正项式（2）中的k₀常数取值在[0.05，0.1]范围内。

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