CN108006164B - 星轮减速器及具有该星轮减速器的机电一体化设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星轮减速器，包括用于与高速件连接的主轴、星轮、固定设置的固定内齿圈和用于与低速件连接的输出内齿圈，星轮的轴心线相对于主轴的轴心线偏心且平行设置，星轮内的中心轴连接于主轴，星轮能够绕自身内的中心轴自转，星轮包括用于与固定内齿圈啮合传动的第一级齿轮和用于与输出内齿圈啮合传动的第二级齿轮，各星轮中第一级齿轮同轴且固定设置于第二级齿轮的一侧。该星轮减速器中的星轮进行绕主轴的圆周运动和自转两种运动，此两种运动叠加传至输出内齿圈，从而可使该星轮减速器具有较大的传动比，该星轮减速器结构简单，便于加工。本发明还公开了一种包括上述星轮减速器的机电一体化设备，其星轮减速器能够保证传动比、结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及减速器技术领域，特别涉及一种星轮减速器。此外，本发明还涉及一种包括上述星轮减速器的机电一体化设备。
背景技术
差动式齿轮减速机构是当今最尖端的机器人减速器，主要包括RV减速器和谐波减速器，其原理是利用齿数差小的内外齿轮啮合，以特殊的非固定轴外齿轮运动方式来达到输入与输出极大的减速比。差动式齿轮减速机构往往能够在有限的空间和传动级数内达成很大的传动比，被广泛运用于医疗、数控机床、汽车制造、机器人、航天等高尖端领域。
RV减速器是以第一级行星轮系传动带动第二级的摆线针轮，以曲柄轴相连接。另外，在外壳内侧仅比RV齿轮数多一个的针齿，以同等的齿距排列。如果固定外壳转动输入轴，则摆线针由于曲柄轴的偏心运动也进行偏心运动。此时如果曲柄轴转动一周，则摆线针就会沿与曲柄轴相反的方向转动一个齿。谐波减速器是在刚轮和柔轮上切出模数相同的轮齿，但齿数不同，即柔轮的齿数比刚轮的齿数少两个；再以波发生器连接输入轴，使柔轮发生径向变形进而产生顺滑啮合，如果输入轴转动一周，那么输出端柔轮就会沿反方向转动两个齿。
然而，谐波减速器的柔轮因为要承受高频率的弹性变形，必须要由特殊材料制作以保证寿命，因此在这种材料上面加工小模数齿形也变得更加困难，而即便如此，谐波减速器的柔轮寿命依然有限，需要较频繁地进行替换，也就进一步增加了成本。RV减速器因为摆线针轮齿廓设计有局限性，无法在一级传动中达到谐波齿轮的高减速比，所以需要另加一级行星轮系传动，不仅增加了齿轮的个数，而且增加了结构的复杂程度，成本也大大提高。
可见，谐波星轮减速器以及RV减速器本身的构造较复杂，生产成本较高。
因此，如何提供一种能够保证传动比、且结构简单的减速器，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种星轮减速器，能够保证传动比、且结构简单。本发明的另一目的是提供一种包括上述星轮减速器的机电一体化设备，其星轮减速器能够保证传动比、且结构简单。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种星轮减速器，包括用于与高速件连接的主轴、星轮、固定设置的固定内齿圈和用于与低速件连接的输出内齿圈，所述星轮的轴心线相对于所述主轴的轴心线偏心且平行设置，所述星轮内的中心轴连接于所述主轴，所述星轮能够绕自身内的中心轴自转，所述星轮包括用于与所述固定内齿圈啮合传动的第一级齿轮和用于与所述输出内齿圈啮合传动的第二级齿轮，各所述星轮中所述第一级齿轮同轴且固定设置于所述第二级齿轮的一侧。
优选地，所述星轮为至少两个，且至少一对所述星轮的轴心线周向间隔180度。
优选地，所述星轮为两个。
优选地，所述星轮为一个，所述输出内齿圈中设有能够与所述输出内齿圈相啮合传动的第一配合齿轮，所述第一配合齿轮内的中心轴连接于所述星轮内的中心轴，所述第一配合齿轮能够绕自身内的中心轴自转，所述第一配合齿轮的轴心线与所述第二级齿轮的轴心线周向间隔180度。
优选地，所述星轮内的中心轴与所述第一配合齿轮内的中心轴通过第一连杆相连，所述第一连杆连接有与所述主轴的轴心线共线的限位轴，所述限位轴插接于所述输出内齿圈。
优选地，所述第一连杆包括连接于所述星轮内的中心轴的第一杆部、连接于所述第一配合齿轮内的中心轴的第二杆部，所述第一杆部与所述第二杆部均可转动地连接于所述限位轴，且所述第一杆部与所述第二杆部之间连接有用于对所述第一杆部与所述第二杆部进行周向限位的第一簧片。
优选地，所述固定内齿圈中设有能够与所述固定内齿圈相啮合传动的第二配合齿轮，所述第二配合齿轮内的中心轴连接于所述主轴，所述第二配合齿轮能够绕自身内的中心轴自转，所述第二配合齿轮的轴心线与所述星轮的轴心线周向间隔180度。
优选地，所述第一级齿轮、所述第二级齿轮、所述固定内齿圈、所述输出内齿圈的模数相同。
优选地，所述固定内齿圈中各齿轮内的中心轴分别固定连接有第二连杆，各所述第二连杆可转动地连接于所述主轴，且相邻所述第二连杆之间连接有用于对各所述第二连杆进行周向限位的第二簧片。
一种机电一体化设备，包括如上述任意一项所述的星轮减速器。
本发明提供的星轮减速器包括用于与高速件连接的主轴、星轮、固定设置的固定内齿圈和用于与低速件连接的输出内齿圈，星轮的轴心线相对于主轴的轴心线偏心且平行设置，星轮内的中心轴连接于主轴，星轮能够绕自身内的中心轴自转，星轮包括用于与固定内齿圈啮合传动的第一级齿轮和用于与输出内齿圈啮合传动的第二级齿轮，各星轮中第一级齿轮同轴且固定设置于第二级齿轮的一侧。
通过主轴带动星轮转动以及星轮与固定内齿圈之间的配合，星轮进行绕主轴的圆周运动和自转两种运动，且此两种运动叠加传至输出内齿圈，从而可以使该星轮减速器具有较大的传动比，同时，该星轮减速器结构简单，便于加工，能够有效降低成本，相比于谐波减速器，该星轮减速器摒弃了容易给装置带来加工难度、刚度及寿命上问题的柔性结构，相比于RV减速器，该星轮减速器摒弃了加工难度大的摆线针轮，并且在同等空间和传动级数下能达到比RV减速器更高的减速比。另外，该星轮减速器具有结构紧凑、重量轻的优点，具有广阔的应用前景。
本发明提供的包括上述星轮减速器的机电一体化设备，其星轮减速器能够保证传动比、且结构简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供星轮减速器的具体实施例二的俯视图；
图2为本发明所提供星轮减速器的具体实施例二的轴向剖视图；
图3为本发明所提供星轮减速器的具体实施例二中主轴与星轮中心轴的连接主视图；
图4为本发明所提供星轮减速器的具体实施例二中主轴与星轮中心轴的连接俯视图；
图5为本发明所提供星轮减速器的具体实施例三的剖视图；
图6为本发明所提供星轮减速器的具体实施例四的剖视图；
图7为本发明所提供星轮减速器的具体实施例五的剖视图；
图8为本发明所提供星轮减速器的具体实施例六的剖视图。
图1至图8中：
1-主轴，2-星轮，201-第一级齿轮，202-第二级齿轮，3-第二连杆，4-第二簧片，5-输出内齿圈，6-固定内齿圈，7-第二配合齿轮，8-第一配合齿轮，9-第一连杆，10-第一簧片，11-第三连杆，12-限位轴。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的核心是提供一种星轮减速器，能够保证传动比、且结构简单。本发明的另一核心是提供一种包括上述星轮减速器的机电一体化设备，其星轮减速器能够保证传动比、且结构简单。
本发明所提供星轮减速器的具体实施例一中，包括主轴1、星轮2、固定内齿圈6和输出内齿圈5。主轴1用于与高速件相连，输出内齿圈5用于连接低速件。固定内齿圈6固定设置，在使用过程中，固定内齿圈6是固定不动的。星轮2的轴心线相对于主轴1的轴心线偏心且平行设置，星轮2内的中心轴连接于主轴1，本申请中，星轮2和其他各齿轮内的中心轴均为实体结构，齿轮套设于自身内的中心轴上，优选通过轴承连接齿轮及自身内的中心轴，齿轮的轴心线与自身内中心轴的轴心线应重合。星轮2能够绕自身内的中心轴自转。星轮2包括用于与固定内齿圈6啮合传动的第一级齿轮201和用于与输出内齿圈5啮合传动的第二级齿轮202。各星轮2中，第一级齿轮201同轴且固定设置于第二级齿轮202的一侧，具体可以一体成型。
其中，高速件设于输入端，主轴1具体可以连接高速件的转子上，固定内齿圈6具体可以固定连接于高速件的定子上，低速件设于输出端。主轴1转动的角速度与输入端转子的角速度相同。星轮2相对于固定坐标系做两种运动，第一种为星轮2绕主轴1的轴心线做角速度等于主轴1角速度的圆周运动，该运动通过星轮2内的中心轴连接于主轴1并随主轴1运动实现；第二种是星轮2绕自身内中心轴进行的自转，该自转是星轮2通过与固定内齿圈6的啮合传动实现的。在第二级齿轮202与输出内齿圈5啮合传动过程中，星轮2的两种运动叠加作用于输出内齿圈5，输出内齿圈5作用于低速件，从而实现输入端与输出端之间的传动。
本实施例提供的星轮减速器中，通过主轴1带动星轮2转动以及星轮2与固定内齿圈6之间的配合，可以使该星轮减速器具有较大的传动比，同时，该星轮减速器结构简单，便于加工，能够有效降低成本，相比于谐波减速器，该星轮减速器摒弃了容易给装置带来加工难度、刚度及寿命上问题的柔性结构，相比于RV减速器，该星轮减速器摒弃了加工难度大的摆线针轮，并且在同等空间和传动级数下能达到比RV减速器更高的减速比。另外，该星轮减速器具有结构紧凑、重量轻的优点，具有广阔的应用前景。
本发明所提供星轮减速器的具体实施二中，请参考图1至图3，星轮2为至少两个，例如，两个、三个或者其他数量。至少一对星轮2的轴心线周向间隔180度，此对星轮2可以对输出内齿圈5起到径向限位作用，无需在输出内齿圈5外设置轴承来进行限位，且该成对设置的星轮2之间可以平衡星轮2绕主轴1运动产生的离心力。本实施例中，星轮2优选设置为两个，有利于节约成本，减少星轮减速器的占用空间。优选地，此两个星轮2可以设置为相同的。
进一步地，请参考图3和图4，固定内齿圈6中各齿轮内的中心轴可以分别固定连接有第二连杆3，由于每个星轮2的第一级齿轮201设于固定内齿圈6中，第一级齿轮201内的中心轴与该第一级齿轮201所属星轮2内的中心轴为同一个轴，则每个星轮2内的中心轴分别对应固定连接有第二连杆3，当然，星轮2内的中心轴与第二连杆3也可以一体成型。各第二连杆3可转动地连接于主轴1，且相邻第二连杆3之间连接有用于对各第二连杆3进行周向限位的第二簧片4，第二簧片4的弹性形变范围可以设置为较小值。第二连杆3可转动地连接于主轴1可以使第二转轴相对于主轴1在周向上具有一定的自由度，而第二簧片4的设置可以将第二连杆3在周向上的可活动范围进行约束，从而可以使两个星轮2的齿廓在顺时针与逆时针方向均能保证与固定内齿圈6接触，从而达到无缝隙啮合，消除回差，可实现零回差，从而使该星轮减速器能够应用在需要精密控制的机电装置及场合中，如：机器人、医疗器械、数控机床、航天、电子线路生产线、汽车及飞机工业等。
在使用时，主轴1绕自身轴心线转动时，两个星轮2在绕主轴1转动的同时和固定内齿圈6作无缝隙的啮合运动，与此同时，两个星轮2的第二级齿轮202与输出内齿圈5啮合，第二级齿轮202带动输出内齿圈5转动以完成传动。
优选地，第一级齿轮201、第二级齿轮202、固定内齿圈6、输出内齿圈5的模数可以设置为相同的，此时，设固定内齿圈6的齿数为NH、输出内齿圈5的齿数为NO、两个星轮2相同且第一级齿轮201的齿数为N1、第二级齿轮202的齿数为N2，则根据几何法则：
NO＝NH+N2-N1
星轮2相对于固定坐标系做两种运动，第一种为星轮2绕主轴1做角速度等于主轴1角速度ωi的圆周运动；第二种是星轮2的自转，该自转的角速度为：
在第二级齿轮202与输出内齿圈5啮合过程中，星轮2的两种运动叠加作用于输出内齿圈5，则
则该星轮减速器的减速比为：
其中，ωi为输入端角速度，ωo为输出端角速度。
例如，在NH＝100、N1＝40、N2＝39时NO＝99，减速比为66:1；又如，在NH＝120、N1＝55、N2＝54时NO＝119，减速比为6545:65，约为100.7:1，在齿廓模数与同尺寸RV及谐波减速器相当的情况下，该星轮减速器可以达到更高的减速比。
本发明所提供星轮减速器的具体实施例三中，请参考图5，星轮2可以设置为一个，输出内齿圈5中设有能够与输出内齿圈5相啮合传动的第一配合齿轮8，第一配合齿轮8内的中心轴连接于星轮2内的中心轴，第一配合齿轮8能够绕自身内的中心轴自转，第一配合齿轮8的轴心线与第二级齿轮202的轴心线周向间隔180度。其中，在第一配合齿轮8与输出内齿圈5之间，输出内齿圈5为主动齿轮，第一配合齿轮8为从动齿轮，第一配合齿轮8起到消除回差以及平衡一部分离心力的作用。
由于在具体实施例二中，星轮2为至少两个，为避免干涉，星轮2的最大半径通常不能超过固定内齿圈6的半径的一半。而本实施例中，星轮2只设置一个，星轮2的半径可以大于固定内齿圈6的半径的一半，可以进一步提高减速比，同时采用第二配合齿轮7与输出内齿圈5相配合可以消除回差。若第一级齿轮201、第二级齿轮202、固定内齿圈6、输出内齿圈5的模数设置为相同的，则根据具体实施例二中的公式，具体地，在NH＝100、N1＝75、N2＝74时NO＝99，减速比为297:1，在NH＝120、N1＝90、N2＝89时NO＝119，减速比为357:1。
其中，星轮2内的中心轴与第一配合齿轮8内的中心轴可以通过第一连杆9相连，第一连杆9连接有与主轴1的轴心线共线的限位轴12，限位轴12插接于输出内齿圈5，从而可以进一步提高第一配合齿轮8运动的稳定性。其中，限位轴12可以通过轴承连接于输出内齿圈5。
本发明所提供星轮减速器的具体实施例四中，请参考图6，可以在具体实施例三的基础上将第一连杆9设置为包括连接于星轮2内的中心轴的第一杆部、连接于第一配合齿轮8内的中心轴的第二杆部，第一杆部与第二杆部均可转动地连接于限位轴12，且第一杆部与第二杆部之间连接有用于对第一杆部与第二杆部进行周向限位的第一簧片10。第一杆部、第二杆部可转动地连接于限位轴12可以使第一杆部、第二杆部相对于限位轴12在周向上具有一定的自由度，而第一簧片10的设置可以将第一杆部、第二杆部在周向上的自由度进行约束，从而可以使星轮2、第一配合齿轮8与输出内齿圈5无缝隙啮合，消除回差。
本发明所提供星轮减速器的具体实施例五中，请参考图7，可以在具体实施例四的基础上，在固定内齿圈6中设置能够与固定内齿圈6相啮合传动的第二配合齿轮7，第二配合齿轮7内的中心轴连接于主轴1，第二配合齿轮7能够绕自身内的中心轴自转，第二配合齿轮7的轴心线与星轮2的轴心线周向间隔180度。第二配合齿轮7的设置可以起到平衡星轮2的第一级齿轮201的离心力的作用。
进一步地，固定内齿圈6中的各齿轮内的中心轴分别固定连接有第二连杆3，即，第二配合齿轮7内的中心轴与星轮2内的中心轴分别固定连接有第二连杆3，第二连杆3可转动地连接于主轴1，此两个第二连杆3之间设有第二簧片4，第二簧片4可以对第二连杆3进行周向限位，第二簧片4与第二连杆3的配合能够使星轮2、第一配合齿轮8与输出内齿圈5无缝隙啮合，消除回差。
本发明所提供星轮减速器的具体实施例六中，请参考图8，可以将具体实施例五中的第二连杆3更换为中部固定连接于主轴1的第三连杆11，该第三连杆11的两端分别连接第二配合齿轮7内的中心轴与星轮2内的中心轴，便于安装。
除了上述星轮减速器，本发明还提供了一种包括上述各实施例公开的星轮减速器的机电一体化设备，该机电一体化设备由于采用了上述星轮减速器，其星轮减速器能够保证传动比、且结构简单。机电一体化设备具体可以为机器人、机械臂等。
具体地，星轮减速器可以设置于机器人关节处。模块化的机器人关节由电机、减速器、传感器以及控制电路组成。其中，在传感器以及控制电路的辅助下，电机可以实现速度以及扭矩控制。然而，通常电机的特点是转速快，可达到10000rpm，而输出扭矩有限，通常为数Ncm，而工业用机械臂对关节的要求正好相反，需要速度慢而精密的控制以及高负载和强大的扭矩输出。于是，减速器的减速比就是整个关节性能的关键：减速比越大，输出速度越慢，控制越精密，输出扭矩也越强，负载越大。应用该星轮减速器，因其减速比高，可以替代RV减速器和谐波减速器用于工业机器人关节。该机器人的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的星轮减速器及具有该星轮减速器的机电一体化设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (2)
1.一种星轮减速器，其特征在于，包括用于与高速件连接的主轴(1)、星轮(2)、固定设置的固定内齿圈(6)和用于与低速件连接的输出内齿圈(5)，所述星轮(2)的轴心线相对于所述主轴(1)的轴心线偏心且平行设置，所述星轮(2)内的中心轴连接于所述主轴(1)，所述星轮(2)能够绕自身内的中心轴自转，所述星轮(2)包括用于与所述固定内齿圈(6)啮合传动的第一级齿轮(201)和用于与所述输出内齿圈(5)啮合传动的第二级齿轮(202)，各所述星轮(2)中所述第一级齿轮(201)同轴且固定设置于所述第二级齿轮(202)的一侧；
所述星轮(2)为一个，所述输出内齿圈(5)中设有能够与所述输出内齿圈(5)相啮合传动的第一配合齿轮(8)，所述第一配合齿轮(8)内的中心轴连接于所述星轮(2)内的中心轴，所述第一配合齿轮(8)能够绕自身内的中心轴自转，所述第一配合齿轮(8)的轴心线与所述第二级齿轮(202)的轴心线周向间隔180度；
所述星轮(2)内的中心轴与所述第一配合齿轮(8)内的中心轴通过第一连杆(9)相连，所述第一连杆(9)连接有与所述主轴(1)的轴心线共线的限位轴(12)，所述限位轴(12)插接于所述输出内齿圈(5)；
所述第一连杆(9)包括连接于所述星轮(2)内的中心轴的第一杆部、连接于所述第一配合齿轮(8)内的中心轴的第二杆部，所述第一杆部与所述第二杆部均可转动地连接于所述限位轴(12)，且所述第一杆部与所述第二杆部之间连接有用于对所述第一杆部与所述第二杆部进行周向限位的第一簧片(10)；
所述固定内齿圈(6)中设有能够与所述固定内齿圈(6)相啮合传动的第二配合齿轮(7)，所述第二配合齿轮(7)内的中心轴连接于所述主轴(1)，所述第二配合齿轮(7)能够绕自身内的中心轴自转，所述第二配合齿轮(7)的轴心线与所述星轮(2)的轴心线周向间隔180度；
所述第二配合齿轮(7)与所述第一级齿轮(201)的中心轴分别固定连接有第二连杆(3)，所述第二连杆(3)可转动地连接于所述主轴(1)，且相邻所述第二连杆(3)之间连接有用于对各所述第二连杆(3)进行周向限位的第二簧片(4)；
所述星轮(2)的半径大于所述固定内齿圈(6)的半径的一半；
所述第一级齿轮(201)、所述第二级齿轮(202)、所述固定内齿圈(6)、所述输出内齿圈(5)的模数相同。
2.一种机电一体化设备，其特征在于，包括如权利要求1所述的星轮减速器。
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