閆劍，張勇，劉雪垠，費(fèi)宇

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推桿活齒減速器虛擬樣機(jī)試制

閆劍，張勇，劉雪垠，費(fèi)宇

（1.四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610063；2.中國(guó)航天科技集團(tuán) 烽火機(jī)械廠，四川 成都 611130）

關(guān)節(jié)減速器是機(jī)器人最關(guān)鍵的核心零部件之一，其中RV減速器具有精度高、回差小及傳動(dòng)比大等優(yōu)點(diǎn)，然而由于基本結(jié)構(gòu)造成的缺陷限制了其性能和生產(chǎn)制造。針對(duì)以上問題進(jìn)行創(chuàng)新性研究，設(shè)計(jì)了一款用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的新型減速器，采用推桿活齒傳動(dòng)與行星齒輪傳動(dòng)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對(duì)其結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了研究分析，對(duì)理論模型進(jìn)行了分析計(jì)算，對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證，最后采用CAD軟件建立零部件三維模型，完成推桿活齒減速器虛擬樣機(jī)裝配、試制，并進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查。

機(jī)器人；關(guān)節(jié)減速器；推桿活齒

我國(guó)大力推進(jìn)智能裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展，機(jī)器人的研發(fā)、制造及應(yīng)用成為衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志[1]。我國(guó)未來(lái)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求持續(xù)增加、市場(chǎng)空間巨大。超精密減速器是工業(yè)機(jī)器人的核心零部件，目前用在機(jī)器人關(guān)節(jié)上的減速器主要有諧波減速器和RV（Rotate Vector）減速器兩大類，RV減速器因扭轉(zhuǎn)剛度大、傳動(dòng)比大、運(yùn)動(dòng)精度高、回差小、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，使用最為廣泛。然而RV減速器的基本結(jié)構(gòu)（圖1）存在較大缺陷，限制了其性能和生產(chǎn)制造。

首先，RV減速器曲柄軸兩端的支撐軸承既作為輸入機(jī)構(gòu)、又作為輸出機(jī)構(gòu)，承受極大載荷，很大程度限制了減速器的壽命和承載能力，為保證預(yù)期工作壽命，設(shè)計(jì)上采用了過(guò)定位結(jié)構(gòu)，對(duì)零部件加工要求極高；其次，為達(dá)到回差小和載荷分布均勻的效果，2～3個(gè)曲柄軸必須嚴(yán)格同步，在制造過(guò)程中對(duì)精度要求苛刻，提高了產(chǎn)品成本。RV減速器加工制造難度大，其加工設(shè)備和加工工藝嚴(yán)重制約了機(jī)器人減速器的規(guī)?；a(chǎn)[2]。

1.行星輪2.輸出法蘭3.針齒殼4.針齒5.RV齒輪6.主軸承7.支撐法蘭8.輸入軸9.曲柄軸

1 推桿活齒機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器

針對(duì)RV減速器結(jié)構(gòu)上存在的缺陷，自主研發(fā)了一款新型的推桿活齒減速器，結(jié)構(gòu)如圖2所示，用于機(jī)器人的軸、肩關(guān)節(jié)，既具備RV傳動(dòng)現(xiàn)有的優(yōu)點(diǎn)，又對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新研究，具有傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高、定位精度高、耐沖擊力強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單以及成本低廉等特點(diǎn)。

1.1 減速器結(jié)構(gòu)及原理

該推桿活齒減速器基本結(jié)構(gòu)是由一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)和一級(jí)推桿活齒傳動(dòng)串聯(lián)而成。當(dāng)針齒殼固定時(shí)，輸入軸與裝于行星架上的行星輪相嚙合，同時(shí)行星輪又與內(nèi)齒圈相嚙合，內(nèi)齒圈通過(guò)螺栓與針齒殼固定，構(gòu)成第一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)，為平衡載荷，兩個(gè)行星輪相差180°布置。輸入軸驅(qū)動(dòng)兩個(gè)行星輪自轉(zhuǎn)，并沿內(nèi)齒圈公轉(zhuǎn)，帶動(dòng)行星架轉(zhuǎn)動(dòng)。行星架與激波器相固連，激波器為結(jié)構(gòu)上相差180°的中空曲軸，激波器驅(qū)動(dòng)兩排沿活齒架可做徑向運(yùn)動(dòng)的推桿活齒，推桿活齒與針齒相嚙合而形成第二級(jí)推桿活齒傳動(dòng)，最后經(jīng)由輸出軸即活齒架輸出，達(dá)到減速目的。同理，若活齒架固定，也可由針齒殼輸出。為了提高承載能力并使內(nèi)部受力平衡，兩排推桿活齒在活齒架上相錯(cuò)180°布置。

1.行星架2.行星輪3.內(nèi)齒圈4.主軸承5.針齒6.針齒殼7.骨架油封8.推桿活齒9.活齒架10.輸入軸11.激波器

1.2 減速器模型理論分析計(jì)算

（1）傳動(dòng)比計(jì)算

傳動(dòng)比計(jì)算是減速器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。整個(gè)推桿活齒減速器分為兩級(jí)傳動(dòng)。

第一傳動(dòng)為簡(jiǎn)單的直齒傳動(dòng)，傳動(dòng)比為：

第二級(jí)傳動(dòng)為推桿活齒傳動(dòng)，中心輪即針齒殼固定，傳動(dòng)比為：

因此，推桿活齒減速器總的傳動(dòng)比為：

式中：1為輸入軸齒數(shù)；2為行星輪齒數(shù)；3為內(nèi)齒圈齒數(shù)；ω為激波器轉(zhuǎn)速，r/min；ω為活齒架轉(zhuǎn)速，r/min；Z為推桿齒數(shù)；Z為針齒殼針齒數(shù)；1為輸入軸轉(zhuǎn)速，r/min；2為活齒架轉(zhuǎn)速，r/min。

（2）推桿活齒受力分析計(jì)算

推桿活齒、活齒架徑向?qū)Р垡苿?dòng)副是活齒傳動(dòng)嚙合副的核心部分，推桿活齒移動(dòng)副單面接觸比雙面接觸傳動(dòng)效率更高，當(dāng)推桿活齒所受外力的合力作用線通過(guò)移動(dòng)副接觸表面時(shí)，移動(dòng)副呈單面接觸，如圖3所示。

圖3 移動(dòng)副單面受力情況圖

以推桿活齒為平衡體進(jìn)行力分析，可列出力平衡方程：

式中：F為激波器給推桿活齒的力，N；F為針齒給推桿活齒的力，N；3為活齒架給推桿活齒的力，N；、分別為驅(qū)動(dòng)力F、載荷F的工作角，N；1、2、3分別為運(yùn)動(dòng)副的摩擦角，°，如tan2＝2。

由式（4）、式（5）計(jì)算可得出：

（3）活齒傳動(dòng)嚙合性能計(jì)算

傳動(dòng)特性主要取決于其嚙合性能，具體由傳動(dòng)連續(xù)性及重合度等參數(shù)體現(xiàn)，活齒傳動(dòng)由一組包含兩個(gè)高副和一個(gè)低副的嚙合副并聯(lián)而成，整個(gè)嚙合過(guò)程中，一個(gè)嚙合副從開始嚙合到嚙合結(jié)束，推桿推動(dòng)從動(dòng)軸轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)較小角度，其中任意一個(gè)失效，傳動(dòng)就會(huì)中斷。

①連續(xù)傳動(dòng)條件

單靠一個(gè)嚙合副不能實(shí)現(xiàn)兩軸之間連續(xù)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，為保證嚙合連續(xù)性，必須在前一個(gè)嚙合結(jié)束之前后一個(gè)嚙合已經(jīng)開始，即多個(gè)嚙合副順序接替動(dòng)作，使每一瞬時(shí)至少有一個(gè)活齒處于嚙合狀態(tài)?；铨X傳動(dòng)的連續(xù)傳動(dòng)條件為：

式中：θ為激波器工作區(qū)域角，即升程曲線所對(duì)圓心角，°；Ψ為相鄰?fù)茥U活齒所對(duì)圓心角，由活齒傳動(dòng)的實(shí)際齒數(shù)決定，°。

②重合度

重合度表示同時(shí)參加嚙合的齒對(duì)數(shù)，是反映傳動(dòng)平穩(wěn)性和承載能力的傳動(dòng)性能指標(biāo)，值越大則傳動(dòng)越平穩(wěn)、單個(gè)齒對(duì)受力越小、承載能力越高，對(duì)于受力分析和強(qiáng)度分析至關(guān)重要；根據(jù)連續(xù)傳動(dòng)條件，活齒傳動(dòng)重合度為：

對(duì)于單波激波器，根據(jù)式（8）可整理得出重合度通用方程式為：

式中：Z為推桿活齒實(shí)際齒數(shù)；Δθ為激波器工作區(qū)域角減小量[3]，°。

1.3 推桿活齒減速器基本技術(shù)參數(shù)

初步設(shè)計(jì)減速器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 推桿活齒減速器技術(shù)參數(shù)

2 減速器虛擬樣機(jī)模型建立

推桿活齒機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器的主要零部件有激波器、推桿活齒、活齒架、針齒殼及漸開線直齒輪等。如圖4（a）所示，激波器采用單相結(jié)構(gòu)，偏心位置相差180°布置，其中一邊軸端均布花鍵，與活齒架上花鍵相嚙合，激波器偏心距大小對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的內(nèi)部尺寸及整機(jī)性能要求影響較大；如圖4（b）所示，推桿活齒作為關(guān)鍵受力零部件，直接推動(dòng)活齒架輸出運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，推桿頂端采用共軛齒廓曲線，以利于平穩(wěn)傳動(dòng)，保證同時(shí)參加嚙合的齒數(shù)；如圖4（c）、（d）所示，活齒架與針齒殼采用一齒差結(jié)構(gòu)，即針齒數(shù)比推桿齒數(shù)多1。

圖4 關(guān)鍵零部件實(shí)體模型圖

基于SolidWorks建立各零部件的實(shí)體模型，定義各零部件之間的裝配關(guān)系，完成推桿活齒機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器虛擬樣機(jī)的整機(jī)裝配，如圖5所示，并生成相應(yīng)爆炸圖，如圖6所示；虛擬樣機(jī)裝配完成后，檢查各零部件位置關(guān)系、配合關(guān)系、功能關(guān)系及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并對(duì)整機(jī)進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查，若存在干涉則須進(jìn)一步對(duì)相應(yīng)零部件的結(jié)構(gòu)尺寸或配合關(guān)系等進(jìn)行修改，若無(wú)干涉說(shuō)明各零部件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)合理、裝配關(guān)系符合要求。

圖5 減速器整機(jī)裝配模型圖

圖6 減速器裝配爆炸圖

3 結(jié)論

本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器適用于機(jī)器人的肘、肩關(guān)節(jié)，將推桿活齒傳動(dòng)應(yīng)用于高精度機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器，并采用行星齒輪和推桿活齒兩級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比大，速比調(diào)整方便，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠保持很高的定位精度和重復(fù)定位精度，推桿頭部采用標(biāo)準(zhǔn)的共軛曲面使嚙合精度及平穩(wěn)度得以保證，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度。下一步將對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1]周濟(jì). 智能制造——“中國(guó)制造2025”的主攻方向[J/OL]. 中國(guó)機(jī)械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[2]陳仕賢，陳勃，馮驥. 復(fù)式滾動(dòng)活齒傳動(dòng)（CORT傳動(dòng)）——RV傳動(dòng)理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2005（2）：31-38.

[3]曲繼方. 活齒傳動(dòng)理論[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[4]王文斌. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

Trial-Manufacture for Virtual Prototype of the Push-Rod Movable Tooth Reducer

YAN Jian，ZHANG Yong，LIU Xueyin，F(xiàn)EI Yu

(1.Sichuan Provincial Machinery Research & Design Institute, Chengdu610063, China; 2.Fenghuo Machinery Factory, China Aerospace Science and Technology Corporation, Chengdu 611130, China)

The joint reducer is one of the key components of the robot. RV reducer has many advantages including high accuracy, small backlash, and large transmission ratio. However, defects of the basic structure limit its performance and manufacturing. Aiming at solving the problems, the researchers independently research and design a type of reducer for robot joints. It innovatively adopts the structure of push rod movable tooth transmission and planetary gear transmission. Based on the analysis of the structure and principle of the reducer, this paper calculates the theoretical models and designs and verifies the important parameters. 3D model of parts is built by using CAD software. Finally, the virtual prototype of the push-rod movable tooth reducer is assembled and trial produced and static interference checking is also carried out.

robot；joint-reducer；push-rod movable tooth

TH132.46

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.011

1006－0316 (2018) 07－0044－04

2017－09－05

閆劍（1988－），男，山西原平人，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；費(fèi)宇（1972－），男，四川南充人，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)開發(fā)工作。