[发明专利]一种用于短筒柔轮谐波减速器的刚轮与柔轮及其加工工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种短筒柔轮谐波减速器的刚轮与柔轮及其加工工艺。 

背景技术

谐波齿轮传动是一种依靠柔性齿轮的弹性变形来实现力和运动传递的减速器。筒型谐波减速器由波发生器、刚轮和柔轮三个元件组成。通常情况下，刚轮固定，波发生器为椭圆构件，安装在柔轮内部，迫使柔轮按照一定规律在长轴端产生径向变形成为椭圆状。当波发生器在原动机驱动下旋转时，使得柔轮不断产生变形，柔轮轮齿也在变形过程中逐渐进入刚轮齿间，与刚轮轮齿发生啮合，然后逐渐退出，直至完全脱开。波发生器不断旋转，柔轮轮齿不断和刚轮轮齿重复进行啮入、啮合、啮出、脱开的循环相互错齿运动。这种错齿运动将波发生器的输入转化为柔轮的输出实现减速传动。 

在航空航天和机器人应用中，尤其是在仿人机器人中，受实际人体体型的限制，仿人机器人内部减速器可用安装空间大大受限，在满足传动性能的前提下，希望减速器的尺寸(主要是轴向尺寸，即对应于谐波元件中柔轮轴向长度)越小越好。例如日本本田技研生产的P3机器人，外形大小与人相仿，腿部膝关节宽度只有160mm。如果使用普通的长度柔轮谐波减速器，刚轮外径为70mm的谐波传动元件柔轮轴向长度大约为50mm，此外轴向还需要配置电机、输入轴、联轴器、输出轴等元部件。为满足轴向尺寸要求，可以增加锥齿轮等换向装置使电机垂直放置或使用同步带使电机轴平行配置。但这两种方法都会使机器人腿部结构臃肿，质量增加，而且锥齿轮和同步带的存在会增大回差，降低传动精度，不利于机器人的控制。因此使用轴向尺 寸更小的短筒柔轮谐波传动既可以满足仿人机器人仿形要求，又能减小质量，提高机器人控制性能。目前被广泛使用的是长径比(即柔轮轴向长度与其直径比的比值)为1/2和1/4比例的谐波减速器(短筒柔轮谐波减速器)。图1中展示的是普通谐波减速器(其长径比为1)与1/2和1/4比例的谐波减速器。但是，轴向尺寸减小会带来应力急剧增大和柔轮张角变大导致轮齿啮合区减小的问题。啮合区域减小，谐波齿轮传动的重合度随之降低，严重影响了谐波减速器的传动刚度。为了克服这种缺点，现在采用的方式有(1)对柔轮轮齿进行修形(一种渐开线齿廓三维修形的谐波传动装置，申请号：200610127982.6)。(2)从减速器整体结构上进行改进：谐波减速器壳体中的轴承选用及其支撑方式(薄型谐波传动减速器，专利号：ZL200520108605.9)(谐波传动减速器，专利号：ZL02261809.0)；对谐波减速器三元件进行结构上的改进(一种短杯型谐波齿轮减速器，专利号：ZL200820089409.5)但是对柔轮进行修形的方法在工艺上并不容易实现。对整体结构和三元件的结构改进具有局限性。另外，目前对于谐波齿轮的加工方法局限于对于刚轮轮齿使用插齿刀加工，对于柔轮轮齿采用滚齿刀加工，这样每对应一对刚轮和柔轮的共轭齿廓，都需要制作一套相应的刀具，成本比较大。 

发明内容

本发明目的在于提出一种用于短筒柔轮谐波减速器的刚轮与柔轮及其加工工艺，以解决短筒柔轮谐波减速器因轴向尺寸减小而导致的柔轮轮齿的偏斜从而引起的柔轮轮齿和刚轮轮齿啮合区域面积减小，导致重合度下降、传动刚度降低的问题。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

短筒柔轮谐波减速器的刚轮的内齿为具有倾斜角α的轮齿，倾斜角α倾 斜方向与柔轮在长轴处的张角方向θ₂一致，倾斜角α为0.1°～2°。 

短筒柔轮谐波减速器的柔轮外齿齿廓由两段齿廓曲线段和齿顶直线段l_d构成，两段齿廓曲线段的顶端通过齿顶直线段l_d连接在一起，每个齿廓曲线段由上圆弧半径ρ_a和下圆弧半径ρ_f平滑过渡连接而成。 

种短筒柔轮谐波减速器包含上述刚轮、上述柔轮和波发生器，波发生器安装在柔轮内部，刚轮套在柔轮上，刚轮上的内齿与柔轮上的外齿相啮合；柔轮的长度与其内径之比小于1。 

上述短筒柔轮谐波减速器的加工工艺为： 

步骤A、短筒柔轮谐波减速器的刚轮的加工过程为： 

将刚轮毛坯放在慢走丝线切割机床的工作台上并利用夹具刚轮毛坯固定在工作台上，利用慢走丝线切割机床的加工锥角的功能使电极丝与刚轮毛坯的轴向形成倾斜角α，依次整周加工出具有倾斜角α的刚轮轮齿，从而完成刚轮轮齿的加工； 

步骤B、短筒柔轮谐波减速器的柔轮的加工过程为：