非接觸式章動(dòng)減速電機(jī)一體化設(shè)計(jì)

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(1.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 福州 350118； 2. 福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院， 福建 福州 350116)

章動(dòng)傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、機(jī)構(gòu)零件少等優(yōu)點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)同軸傳動(dòng)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人臂、航空等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外眾多研究者就章動(dòng)傳動(dòng)原理、潤(rùn)滑、設(shè)計(jì)、制造、誤差分析、齒廓優(yōu)化設(shè)計(jì)、應(yīng)用等，開(kāi)展了大量的研究，并取得很多成果[1-4]。為解決傳統(tǒng)機(jī)械接觸式章動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在齒面接觸變形、機(jī)械磨損、齒面間需潤(rùn)滑等問(wèn)題，黃鼎鍵等人引入磁力傳動(dòng)，完成了非接觸式章動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和樣機(jī)制作，并達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)要求[5]。但在實(shí)際應(yīng)用中，需要外置電機(jī)驅(qū)動(dòng)該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力減速增扭，加大了軸向尺寸且使用不便利。

綜上考慮，探索運(yùn)用機(jī)電集成技術(shù)，提出和設(shè)計(jì)了一種新型的一體化非接觸式章動(dòng)減速電機(jī)，將非接觸式章動(dòng)傳動(dòng)與電機(jī)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)部分相關(guān)零件共用，既可解決軸向尺寸問(wèn)題，也可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品總成本降低，提高了使用便利性。

1 非接觸式章動(dòng)減速電機(jī)設(shè)計(jì)與原理

非接觸式章動(dòng)減速電機(jī)主要由電機(jī)底座、電機(jī)定子、電機(jī)轉(zhuǎn)子、章動(dòng)輪盤、轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤、支撐軸、輸出軸、上蓋等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1。支撐軸中段位置加工成斜軸，與鉛垂線成5°夾角，其上安裝兩個(gè)同型號(hào)的球軸承，章動(dòng)輪盤安裝在軸承上，電機(jī)轉(zhuǎn)子與章動(dòng)輪盤固定連接；根據(jù)樣機(jī)尺寸要求，轉(zhuǎn)子、章動(dòng)輪盤和轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤上的磁體按照N極和S極相間排列，如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of non-contact nutation speed-reduction motor diagram

圖2 轉(zhuǎn)子/章動(dòng)輪盤/轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤磁體布置圖Fig.2 Magnet arrangement of rotor/ nutation disc/ rotary disc

該減速電機(jī)的減速比i由轉(zhuǎn)子的永磁極數(shù)p1、定子的電磁極數(shù)p2、章動(dòng)輪盤的永磁極數(shù)p3和轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤的永磁極數(shù)p4共同確定；根據(jù)本方案布置型式，可得減速比計(jì)算公式[1]：

(1)

本例中，p1=8，p2=12，p3=6，p4=8，代入式(1)，可得減速比i= - 8，即在這種結(jié)構(gòu)和磁極數(shù)搭配下，減速器大小為8，且轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤的轉(zhuǎn)向與章動(dòng)輪盤轉(zhuǎn)向相反(減速比為負(fù)號(hào))；減速比的大小和穩(wěn)定性還與電機(jī)是否過(guò)載有關(guān)，若電機(jī)過(guò)載，轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，則不能反映真實(shí)的電機(jī)減速比，也影響電機(jī)減速比的穩(wěn)定性。

當(dāng)永磁直流電機(jī)定子的三相繞組通入直流電壓則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，作用在轉(zhuǎn)子上的永磁體帶動(dòng)轉(zhuǎn)子及與轉(zhuǎn)子固定連接的章動(dòng)輪盤作章動(dòng)運(yùn)動(dòng)；章動(dòng)輪盤與轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤通過(guò)各自的永磁體配合，實(shí)現(xiàn)章動(dòng)減速運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力輸出。

2 建模與裝配

根據(jù)設(shè)計(jì)要求及各零件尺寸，運(yùn)用三維建模軟件建立各零件的三維實(shí)體，為下一步加工制作零件提供模型信息。最終完成章動(dòng)輪盤、轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤(含輸出軸)、轉(zhuǎn)子、支撐軸等其他零件的三維模型 ，如圖3。

圖3 主要零部件的三維圖Fig.3 3D model of main parts

虛擬裝配是產(chǎn)品數(shù)字化中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，可利用虛擬裝配，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品裝配合理性、正確性，以便在制作樣機(jī)前發(fā)現(xiàn)裝配中的問(wèn)題，并對(duì)模型進(jìn)行局部修改；利用上述零件的三維模型， 完成虛擬樣機(jī)，如圖4。

圖4 裝配圖Fig.4 Assembly diagram

3 樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn)

3.1 樣機(jī)制作

為驗(yàn)證所提出的非接觸式章動(dòng)減速電機(jī)方案正確性，先完成樣機(jī)裝配、調(diào)試、檢查等，而后開(kāi)展減速電機(jī)的減速比實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)的定子、底座和上蓋通過(guò)定制加工完成制作；章動(dòng)輪盤、轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤、轉(zhuǎn)子和支撐軸等，運(yùn)用3D打印技術(shù)完成，如圖5；再將定制的磁鐵用磁鐵膠分別固定安裝在章動(dòng)輪盤、轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤、轉(zhuǎn)子的磁鐵槽內(nèi)，如圖6，最后，根據(jù)裝配圖完成非接觸章動(dòng)減速電機(jī)的裝配，如圖7；章動(dòng)輪盤和轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤間的磁鐵最小間隙為1.6 mm，最大間隙為4 mm。

圖5 轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤/章動(dòng)輪盤/支撐軸 3D打印件Fig.5 3D print of rotary disc/nutation disc/support shaft

圖6 磁力輪盤Fig.6 Magnetic disc

圖7 章動(dòng)減速電機(jī)樣機(jī)內(nèi)部圖Fig.7 Interior view of nutation speed-reduction motor

3.2 運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

圖8中1為非接觸式章動(dòng)減速電機(jī)，控制器2用于控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，變壓器3用于實(shí)現(xiàn)220 V轉(zhuǎn)化成24 V電壓；將減速電機(jī)的3根引線與控制器對(duì)應(yīng)的連接線相連，并將控制器2根電源線與變壓器連接；以相同的調(diào)頻，用轉(zhuǎn)速儀檢測(cè)輸出軸的轉(zhuǎn)速，結(jié)果顯示減速電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速與相同規(guī)格的電機(jī)轉(zhuǎn)速之比是1∶8，且兩者方向相反，因此該減速電機(jī)的減速比為8，與理論計(jì)算值相符，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)非接觸式減速電機(jī)方案可行。

圖8 樣機(jī)實(shí)驗(yàn) Fig.8 Experimentation of nutation speed-reduction prototype

4 結(jié)語(yǔ)

提出了基于磁力非接觸式章動(dòng)傳動(dòng)和電機(jī)相結(jié)合的減速電機(jī)，發(fā)揮非接觸章動(dòng)傳動(dòng)無(wú)齒面磨損、無(wú)需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了兩者有機(jī)融合，使結(jié)構(gòu)更緊湊。運(yùn)用CAD技術(shù)和3D打印技術(shù)完成樣機(jī)制作，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該減速器電機(jī)一體化方案可行，為一些空間受限的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境提供了一種思路。

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[2] 王廣欣，李丹，何文杰.機(jī)電集成章動(dòng)活齒傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2015,36(z1):83-37.

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