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机器人和伺服设计用波动和摆线齿轮基础

发布时间:2022-06-24 10:44:47

  当今的许多精密应用要求齿轮能够大幅减速、功率密度和传输精度。这些设计中的主要选择包括摆线齿轮和摆线齿轮,以及依赖于具有椭圆或其他多边形形状的波浪诱导子部件的齿轮组。摆线和摆线齿轮传动包括围绕其他元件旋转和跟踪曲线的元件。由滚动元件圆周上的一点追踪的摆线包括外摆线(元件沿太阳齿轮或其他参考部件的外侧滚动)和内摆线(元件在环或其他参考部件内滚动)。相比之下,三弦线(及其子类型)不是通过滚动元素周长上的一个点来跟踪的,而是通过滚动元素周长内或外的某个点来跟踪的。行星齿轮传动是一种特别常见的行星齿轮传动。
  考虑一个机器人关节,使用一个电机(以几千转/分的速度运行),配备齿轮,使输出速度降低100倍。这种设计中的传动装置还可以提高最大功率密度的加速扭矩,这是SCARAs和协作机器人的优先设计目标,因为总成基本上是悬臂质量。

波浪和摆线齿轮选件包括(从左到右)应变波齿轮、平心和摆线齿轮、行星齿轮和动态推力齿齿轮。
  回想一下,此类设计中使用的传统传动装置(包括一些行星齿轮组)通常表现出非常小的齿隙。这通常仅限于几弧分(100度),用于调节润滑和热膨胀。然而,在某些情况下,这种齿隙会使系统精度降低到无法接受的程度。那么,让我们看看其他可以避免此问题的装备选项。
应变波齿轮传动操作总结
  应变波齿轮利用齿轮的金属弹性(偏转)来减速。应变波齿轮传动的主要优点包括零齿隙、高功率密度和位置精度。
  应变波齿轮组由三个部件组成:波发生器、柔轮和圆花键。波浪发生器是一个轴承和一个加工成精确规格的椭圆形钢盘的组件。一个特殊的滚珠轴承安装在这个圆盘周围,并符合椭圆形状。大多数设计将波发生器连接到伺服电机上,作为运动输入。
  柔性花键是一种薄壁钢杯。这些杯壁具有径向柔顺性,但仍然具有扭转刚度,因为杯的直径较大。制造商将齿轮齿加工到外圈开口端附近的外表面…可能被称为边缘附近。
  杯的一端有一个刚性凸台,以提供一个坚固的安装表面。波形发生器位于挠性花键内部,因此轴承与挠性花键齿处于相同的轴向位置。杯边缘附近的挠性花键壁符合轴承的相同椭圆形状。这使柔轮外表面上的齿符合椭圆形状。这样,柔轮花键的外表面上实际上有一个椭圆齿轮中径。
  圆形花键是内径上有齿的刚性圆形钢环。它通常连接在壳体上,不旋转。其齿与柔轮齿啮合。柔性花键的齿沿椭圆的长轴与圆形花键的齿啮合。因此,有两个区域的啮合由椭圆同心内接在环内。大约30%的齿始终啮合,而同等行星齿轮组在任何时候都有六个左右的齿啮合,同等正齿轮组有一个或两个齿啮合。
  回想一下,齿隙是指容纳齿的空间和齿宽之间的差值……在应变波齿轮传动中,此差值为零。应变波挠性花键的弹性径向变形(制造商针对长轴上的圆形花键预加载)就像一个非常硬的弹簧,以补偿齿间的间隙,否则会导致齿隙。设置预载以保持应力远低于材料的耐久极限。
  轮齿的压力角将输出扭矩的切向力转换为作用在波浪发生器轴承上的径向力。柔性花键和圆形花键齿在椭圆长轴附近啮合,在短轴处分离。柔轮花键的齿数比圆花键少两个,因此每次波发生器旋转一圈,柔轮花键和圆花键都会移动两个齿。传动比是柔轮齿数÷(柔轮齿数–圆形花键齿数)。
  应变波齿轮的轻质结构和单级传动比(160:1)使工程师能够在需要最小化重量和体积的设计中使用齿轮。即使是小型电机也可以利用其巨大的机械优势。应变波齿轮的某些齿廓(凸面和凹面圆弧)可以让更多的齿啮合,从而提高扭转刚度和扭矩……以及更长的MTBF。
推力齿传动操作总结
  现在让我们考虑一下前面提到的止推齿设计。这种新型的高扭矩齿轮箱为需要高精度输出运动的应用提供了极高的扭转刚度和零齿隙操作。与通过轮齿上的接触线传输电力的其他齿轮不同,传动装置中的啮合齿轮几乎实现了完全的表面接触。这使得轮齿接触达到某些类型常规渐开线轮齿的6.5倍。
  它是如何工作的?简言之,齿轮箱沿内齿圈引导大量单个齿。齿的几何结构遵循对数螺旋,使多个齿通过流体动力接触一次传递动力,覆盖比传统线接触大得多的表面积。结果是,即使在零交叉处,齿轮箱的齿隙也为零。齿的对数螺旋路径允许同步精度优于具有可比外径的传统空心轴驱动。
  变速箱的效率高达91%,比传统的应变波和摆线齿轮传动装置高出18%至29%。
  作为驱动系统的一部分,齿轮传动的流体动力齿接触也提供了高过载能力。紧急停止扭矩比同类系统高出150%至300%,扭转刚度高出580%……因此,其他设计的齿轮箱可能需要大三倍才能提供与给定推力齿齿轮箱相同的扭矩。
  齿轮设计还允许空心轴直径相对于外径非常大,在某些情况下可大70%。
摆线齿轮传动操作总结
  被称为摆线减速机的偏心滚动机构齿轮头是一种伺服齿轮,它有一个驱动轴承总成的输入轴。这进而驱动连接到输出轴的摆线盘(有时称为凸轮)。凸轮具有与凸轮从动件啮合的凸轮或齿,通常与销轴承或滚针轴承啮合。偏心凸轮旋转导致输出轴以比输入轴更低的速度和更高的扭矩旋转。
  msports万博体育的主要优点是其零或接近零齿隙(至1弧分)的特性,这有助于实现高精度和高精度。这在需要高精度和精确定位的情况下尤其需要,例如在机器人应用、机床和类似应用中。摆线减速机还具有滚动而非滑动接触的特点,因此整体磨损较小。一些摆线减速机通过将复合减速凸轮与完整的滚针轴承凸轮从动件组合在一起,提供零齿隙。
  由于采用销和齿轮结构,摆线齿轮传动保持了连续和分布式的动力传输接触,从而比传统的减速机具有更高的抗冲击性。事实上,一些变化可以承受其额定扭矩四倍的瞬态暴露。高扭矩密度使齿轮箱的合理占地面积达到185:1。
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