專利名稱：雙圓弧諧波機器人關節的制作方法
技術領域：
本發明涉及機器人制造技術領域，特別是機器人關節的設計技術領域。
背景技術：
目前以漸開線齒形為基礎的諧波機器人關節存在兩個問題漸開線柔輪齒根部應力較大，由此導致諧波機器人關節的承載能力和抗扭轉剛度不足的問題。柔輪齒根部應力 分布與齒形輪廓相關，因此，采用其它齒形輪廓，減少柔輪齒根部應力。在諧波傳動設計中，柔輪齒與剛輪齒嚙合基于大撓度力學基礎假定和幾何設計，柔輪中線的彈性變形曲線的曲率不是一個常數，對波發生器可能致使柔輪彈性變形而導致的柔輪輪齒和剛輪輪齒的嚙合干涉缺乏可視化檢驗。由于輪齒嚙合存在干涉現象，導致諧波傳動時齒變形大，嚙合發熱大。因此，諧波傳動設計方法中需引入可視化手段，在設計過程中檢驗和消除嚙合齒干涉現象。

發明內容
本發明目的在于提出一種能克服現有技術缺陷的雙圓弧諧波機器人關節。本發明在關節外殼內連接一個剛性雙圓弧齒輪，在所述剛性雙圓弧齒輪內嚙合一只柔性雙圓弧杯狀齒輪，在所述柔性雙圓弧杯狀齒輪內通過柔性軸承與雙圓弧諧波減速器的波發生器連接，所述雙圓弧諧波減速器的波發生器的控制端與一同步交流伺服電機的轉子連接；在所述柔性雙圓弧杯狀齒輪的中心連接輸出桿，所述輸出桿間隙式穿置于所述關節外殼的一通孔中。通過同步交流伺服電機控制其轉子發生轉動，從而帶動雙圓弧諧波減速器的波發生器，使柔性雙圓弧杯狀齒輪與剛性雙圓弧齒輪發生相對轉動。本發明在計算機控制下，同步交流伺服電機為動力控制輸入端，柔性雙圓弧杯狀齒輪為運動輸出端；本發明在工藝上易于實現，諧波齒輪傳動采用圓弧齒廓后，可以改善柔性雙圓弧杯狀齒輪齒根的應力狀況和傳動的嚙合質量，提高機器人關節承載能力和扭轉剛度。本發明具有平穩和準確執行運動的特點，在運動時具有低噪聲和低發熱的特點。本發明可通過ANSYS有限元軟件模擬空載情況下的柔性雙圓弧杯狀齒輪變形后齒的分布情況，得出柔性雙圓弧杯狀齒輪的輪齒頂段的工作圓弧圓心相對于剛性雙圓弧齒輪輪齒的圓心軌跡，從而得到剛性雙圓弧齒輪的相切雙圓弧齒廓；再通過剛性雙圓弧齒輪的齒頂段工作圓弧圓心相對于柔性雙圓弧杯狀齒輪的輪齒的圓心軌跡，從而得到柔性雙圓弧杯狀齒輪的相切雙圓弧齒廓，得出的柔性雙圓弧杯狀齒輪和剛性雙圓弧齒輪相切雙圓弧齒廓，可以保證單個柔性雙圓弧杯狀齒輪齒與剛性雙圓弧齒輪齒連續共軛嚙合，而且存在一段柔性雙圓弧杯狀齒輪凸齒廓和凹齒廓分別與剛性雙圓弧齒輪凹齒廓和凸齒廓同時處于共軛運動的“雙共軛”嚙合區間。


圖I為雙圓弧諧波機器人關節原理圖。圖2為柔性雙圓弧杯狀齒輪的雙圓弧齒廓曲線圖。圖3為剛性雙圓弧齒輪的雙圓弧齒廓曲線圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明在關節外殼8內連接一個剛性雙圓弧齒輪7，在剛性雙圓弧齒輪7內嚙合一只柔性雙圓弧杯狀齒輪6，在柔性雙圓弧杯狀齒輪6內通過柔性軸承4與雙圓弧諧波減速器的波發生器5連接，雙圓弧諧波減速器的波發生器5的控制端與一同步交流伺服電機的轉子I連接。在同步交流伺服電機的轉子I外還設有定子，同步交流伺服電機還設有編碼器2。在柔性雙圓弧杯狀齒輪6的中心連接輸出桿9,輸出桿間隙式9穿置于關節外殼8的一通孔8-1中。當柔性雙圓弧杯狀齒輪6的齒數為120，剛性雙圓弧齒輪7的齒數為122，模數為I。當同步交流伺服電機的轉子I旋轉一周時，柔性雙圓弧杯狀齒輪6向相反方向旋轉6度，實現轉速比1:60。如圖2、3所示，本發明的柔性雙圓弧杯狀齒輪6和剛性雙圓弧齒輪I設計中采用雙圓弧齒形。圖2為柔性雙圓弧杯狀齒輪6的雙圓弧齒廓曲線圖，其中柔性雙圓弧杯狀齒輪6齒頂段工作圓弧半徑為Ral，齒根段工作圓弧半徑為Rfl，齒根處倒角半徑為R1,為了防止柔性雙圓弧杯狀齒輪6的輪齒在嚙入過程中發生齒頂頂死現象，作倒角處理，倒角半徑為R2。圖3為剛性雙圓弧齒輪7的雙圓弧齒廓曲線圖，其中剛性雙圓弧齒輪7頂段工作圓弧半徑為Ra2，齒根段工作圓弧半徑為Rf2，齒根處倒角半徑為R3。設計的詳細過程如下所述
I、根據諧波傳動嚙合基本理論，通過ANSYS有限元軟件模擬空載情況下的柔性雙圓弧杯狀齒輪6變形后齒的分布情況，得出柔性雙圓弧杯狀齒輪6輪齒頂段的工作圓弧圓心相對于剛性雙圓弧齒輪7輪齒的圓心軌跡，從而得到剛性雙圓弧齒輪7的相切雙圓弧齒廓；再通過剛性雙圓弧齒輪7齒頂段工作圓弧圓心相對于柔性雙圓弧杯狀齒輪6的輪齒的圓心軌跡，從而得到柔性雙圓弧杯狀齒輪6的相切雙圓弧齒廓，得出的柔性雙圓弧杯狀齒輪6和剛性雙圓弧齒輪7相切雙圓弧齒廓，可以保證單個柔性雙圓弧杯狀齒輪6的輪齒與剛性雙圓弧齒輪7的輪齒連續共軛嚙合，而且存在一段柔性雙圓弧杯狀齒輪6凸齒廓和凹齒廓分別與剛性雙圓弧齒輪7凹齒廓和凸齒廓同時處于共軛運動的“雙共軛”嚙合區間。在完成諧波齒輪傳動的雙圓弧齒形設計后，在UG環境下，進行柔性雙圓弧杯狀齒輪6和剛性雙圓弧齒輪7完整的幾何造型及參數化設計。2、根據有限元理論計算，雙圓弧齒形齒輪在機械強度上與漸開線齒形有著明顯的優勢，采用雙圓弧齒形設計后，柔性雙圓弧杯狀齒輪6齒根部應力減小25%左右，扭轉剛度提高40%左右。因此選擇雙圓弧齒形為柔性雙圓弧杯狀齒輪6和剛性雙圓弧齒輪7的齒廊，以提聞機器人關節承載能力和扭轉剛度。
3、應用有限元ANSYS軟件分析柔性雙圓弧杯狀齒輪6和剛性雙圓弧齒輪7在組裝以后的變形狀態，可視化顯示柔性雙圓弧杯狀齒輪6變形后柔性雙圓弧杯狀齒輪6的輪齒與剛性雙圓弧齒輪7的輪齒的嚙合位置，模擬柔性雙圓弧杯狀齒輪6與剛性雙圓弧齒輪7之間的接觸問題，檢驗剛性雙圓弧齒輪7的輪齒與柔性雙圓弧杯狀齒輪6的輪齒的干涉問題。通過計算機可視化設計、檢驗和再設計過程，通過參數化設計，修正雙圓弧齒形，調整壓力角，保證齒嚙合傳動中無干涉現象發生，優化諧波齒輪傳動，使雙圓弧諧波機器人關節運動平穩，降低機器人關節發熱，同時減低機器人關節工作噪聲
權利要求
1.雙圓弧諧波機器人關節，包括關節外殼，其特征在于在所述關節外殼內連接一個剛性雙圓弧齒輪，在所述剛性雙圓弧齒輪內嚙合一只柔性雙圓弧杯狀齒輪，在所述柔性雙圓弧杯狀齒輪內通過柔性軸承與雙圓弧諧波減速器的波發生器連接，所述雙圓弧諧波減速器的波發生器的控制端與一同步交流伺服電機的轉子連接；在所述柔性雙圓弧杯狀齒輪的中心連接輸出桿，所述輸出桿間隙式穿置于所述關節外殼的一通孔中。
全文摘要
雙圓弧諧波機器人關節，涉及機器人制造技術領域，特別是機器人關節的設計技術領域。在關節外殼內連接一個剛性雙圓弧齒輪，在所述剛性雙圓弧齒輪內嚙合一只柔性雙圓弧杯狀齒輪，在所述柔性雙圓弧杯狀齒輪內通過柔性軸承與雙圓弧諧波減速器的波發生器連接，所述雙圓弧諧波減速器的波發生器的控制端與一同步交流伺服電機的轉子連接；在所述柔性雙圓弧杯狀齒輪的中心連接輸出桿，所述輸出桿間隙式穿置于所述關節外殼的一通孔中。本發明可以改善柔性雙圓弧杯狀齒輪齒根的應力狀況和傳動的嚙合質量，提高機器人關節承載能力和扭轉剛度。本發明具有平穩和準確執行運動的特點，在運動時具有低噪聲和低發熱的特點。
文檔編號B25J17/00GK102615653SQ201210123710
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月25日 優先權日2012年4月25日
發明者張加兵, 黃迪山 申請人:揚州諧波傳動科技有限公司