[发明专利]轻质高承载减速器及其齿轮的仿骨构造生成方法

权利要求书

1.一种机器人用减速器齿轮，其特征在于，所述减速器齿轮包括：外轮廓层和被所述外轮廓层包覆的网状多孔基层，所述外轮廓层包括安装面层、齿面层和连接面层，所述连接面层连接在所述安装面层和齿面层之间并与所述安装面层和齿面层一起构成完整齿轮外轮廓；

所述安装面层、齿面层和连接面层为密实构造；

所述网状多孔基层位于所述外轮廓层形成的腔体内，所述网状多孔基层内具有呈多孔网架结构的纤维小梁；

所述网状多孔基层是通过利用3D打印方式打印的采用如下步骤构建的网状多孔基层结构而形成的：

根据安装面层和齿面层各不同局部点部位的力和转矩的综合载荷谱，换算出网状多孔基层被安装面层和齿面层包覆的包覆面的综合载荷谱；

以所述包覆面的综合载荷谱作为网状多孔基层优化设计的载荷边界条件，在保证力和力矩传递支撑强度的前提下，以轻量化为优化目标，通过有限元拓扑结构优化方法，得出网状多孔基层的空间应力谱；

基于网状多孔基层的空间应力谱进行网状多孔基层内部各空间点相应的材料分布设计，在网状多孔基层内部分配材料的各空间点构成纤维小梁，并基于分配了材料的空间点确定每段纤维小梁沿轴线上各点的粗细和各段纤维小梁的空间排列连接，由网状多孔基层内部没有被分配材料的各空间点构成梁间多孔空腔。

2.根据权利要求1所述的减速器齿轮，其特征在于，各纤维小梁沿其轴线上各点的粗细和各纤维小梁的空间排列连接关系按照齿轮理想工况载荷谱所产生的空间应力曲线确定。

3.根据权利要求1所述的减速器齿轮，其特征在于，

所述网状多孔基层的纤维小梁分隔出的彼此贯通的梁间多孔空腔，至少部分多孔空腔内填充有韧性软体材料。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的减速器齿轮，其特征在于，所述安装面层为齿轮在减速器中的支撑固定连接面，所述齿面层为减速器齿轮间相互啮合传递旋转运动和转矩的作用面；所述安装面层和齿面层各自不同局部点部位的厚度按照齿轮理想工况的承受力和转矩载荷确定。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的减速器齿轮，其特征在于，所述安装面层的结构形式为轴孔配合的圆形孔状、花键孔状、矩形键孔状或正多边形孔状；所述齿面层的结构形式为渐开线齿形或摆线齿形。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的减速器齿轮，其特征在于，

所述安装面层、齿面层和连接面层采用自熔合金粉末或丝材通过熔融涂覆或熔融沉积工艺和轮廓精加工工艺制成；

所述网状多孔基层采用自熔合金粉末或丝材利用3D打印工艺制成。

7.根据权利要求6所述的减速器齿轮，其特征在于，所述安装面层和齿面层所使用材料为FeCSiB合金粉末，其包含少量元素成分的质量分数：C＝4.0％、Si＝2.0％、Cr＝1.0％、Mn＝0.7％、Mo＝0.25％、Cu≤0.2％、S≤0.035％、P≤0.035％；

所述网状多孔基层的纤维小梁所使用材料为Ti₆AlV₄合金粉末。

8.根据权利要求3所述的减速器齿轮，其特征在于，

所述网状多孔基层的多孔空腔内填充的软体材料所使用材料为AlMg粉末或热固性塑料粉末，其中，AlMg粉末包含元素成分的质量分数：Al＝93％、Mg＝7.0％；热固性塑料粉末包含的元素成分的质量分数：Epoxy＝48％、PU＝35％、PF＝17％。

9.一种机器人用减速器，其特征在于，包括根据权利要求1至8中任一项所述的机器人用减速器齿轮。

10.一种获得权利要求1至8中任一项所述的机器人用减速器齿轮的生成方法，包括如下步骤：

基于齿轮交变动载荷使用工况要求作为初始条件进行设计获得齿面层和安装面层各位置的厚度，从而获得网状多孔基层的设计空间；

基于齿面层和安装面的综合载荷，获得网状多孔基层被包覆面的综合载荷谱；

确定网状多孔基层的优化设计初始参数，该优化设计初始参数包括：所使用3D打印设备的加工能力参数；所述网状多孔基层的材料性能参数；以及安全系数；

对网状多孔基层的设计空间进行3D有限元网格划分；

对网状多孔基层设计空间划分出的3D有限元网格进行分层编号；

基于所述分层编号对主干轴线上的3D有限元网格进行层内二维坐标编号，并计算包含3D有限元个数最多的第一层的每个3D有限元网格到包含3D有限元个数最少的最后一层的最短传递路径，使得各层被编号的3D有限元网格至少1次被包含在全部最短传递路径中，并将这些最短传递路径作为纤维小梁生长布置的网格主干轴线；

对非主干轴线上的3D有限元网格进行层内二维坐标编号，根据所述网状多孔基层被包覆面的综合载荷谱以及所述网格主干轴线，获得全体3D有限元网格的周期性全应力谱组成的网状多孔基层设计空间的空间应力谱；

根据网状多孔基层设计空间的空间应力谱，在网状多孔基层空间内生长满足网状多孔基层的支撑强度和韧性要求的主干型纤维小梁；

生长补充分支型纤维小梁；

基于生成的所有纤维小梁得到网状多孔基层的3D打印模型；

使用3D打印方式制造网状多孔基层；

使用激光熔融涂覆或熔融沉积工艺制造外轮廓层，所述外轮廓层包括齿面层、安装面层和连接面层，并包覆所述网状多孔基层。