線齒輪減速器的輪足復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)和加工

高雷

廣東博智林機(jī)器人有限公司 廣東佛山 528312

在工業(yè)4.0發(fā)展的過(guò)程中，高端制造業(yè)和工業(yè)智能化是非常重要的發(fā)展方向，機(jī)器人在工業(yè)4.0發(fā)展中起著關(guān)鍵的作用。目前，機(jī)器人核心零部件中的減速器大部分采用RV減速器和諧波減速器，這2種減速器有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為促進(jìn)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，迫切需要研制新型的精密減速器。對(duì)于精密機(jī)器人來(lái)說(shuō)，無(wú)論是連續(xù)行程的機(jī)器人（噴漆和焊接機(jī)器人），還是拾取/放置機(jī)器人（工件傳遞和機(jī)床上下料），在多次完成相同重復(fù)工作時(shí)，為保證其每次都精確達(dá)到相同的位置，對(duì)其關(guān)節(jié)使用的減速器精度有很高的要求，其中傳動(dòng)誤差、空程、扭轉(zhuǎn)剛度和抵抗沖擊的能力尤其重要。擺線針輪傳動(dòng)具有小體積、高傳動(dòng)精度、大傳動(dòng)比、大承載能力、高扭轉(zhuǎn)剛度等優(yōu)點(diǎn)，是在精密傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的一種傳動(dòng)方式?；跀[線傳動(dòng)原理開(kāi)發(fā)的精密傳動(dòng)減速器有RV減速器、FA減速器等。而機(jī)器人關(guān)節(jié)同樣需要高傳動(dòng)精度、小體積、大負(fù)載的能力，所以擺線針輪減速器是目前機(jī)器人關(guān)節(jié)中應(yīng)用最廣泛的減速器[1]。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

圖1所示為精密行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)及外形圖，由圖1可見(jiàn)，該產(chǎn)品主要由行星輪、太陽(yáng)輪和內(nèi)齒圈等組成。由于其結(jié)構(gòu)原因，單級(jí)減速比最小為3，最大一般不超過(guò)10，常見(jiàn)減速比為3、4、5、6、8、10，減速器（機(jī)）級(jí)數(shù)一般不超過(guò)3，但有部分大減速比定制減速器（機(jī)）設(shè)置為4級(jí)減速。

圖1 精密行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)及外形圖

2 基于線齒輪減速器的輪足復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人

2.1 產(chǎn)品加工工藝

基于課題組齒輪減速器力學(xué)性能、熱變形性能研究、熱-力耦合變形研究、誤差溯源和修正技術(shù)等理論研究成果，精密行星齒輪減速器加工工藝優(yōu)化重點(diǎn)是要解決齒輪加工工藝、行星架加工工藝、內(nèi)齒圈加工工藝、裝配及檢測(cè)工藝，引進(jìn)、研發(fā)或委托定制專用關(guān)鍵加工、裝配、檢測(cè)工藝設(shè)備等。此外，需要改造傳統(tǒng)的加工工藝環(huán)境，研發(fā)系列專用刀具，進(jìn)行工藝創(chuàng)新和管理創(chuàng)新，通過(guò)引進(jìn)技術(shù)并消化、吸收、再創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)引進(jìn)設(shè)備和國(guó)產(chǎn)設(shè)備有機(jī)融合，提高生產(chǎn)線的工作效率[2]。

2.2 齒輪加工工藝

在精車工序?qū)鹘y(tǒng)的普通精密車床升級(jí)為數(shù)控車床，在滾齒工序，在前期引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)干切設(shè)備和工藝的基礎(chǔ)上，消化吸收國(guó)外干切技術(shù)，自主研發(fā)齒輪干切新工藝，重點(diǎn)結(jié)合圖內(nèi)齒輪材料、熱處理工藝，使國(guó)內(nèi)外設(shè)備融合，在保證質(zhì)量前提下，提高性價(jià)比，優(yōu)化了工藝參數(shù)。針對(duì)工藝要求，自主研發(fā)了專用高速數(shù)控干切滾齒機(jī)，替代進(jìn)口設(shè)備。采用干切滾齒工藝，切削過(guò)程不需要油冷卻，避免采用油冷卻產(chǎn)生油霧污染環(huán)境，不僅節(jié)省了資源，而且提高了環(huán)保水平，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2.3 箱體的設(shè)計(jì)

減速器箱體是用來(lái)支承、固定傳動(dòng)零件的重要零件，它和齒輪、軸、軸承等關(guān)鍵零件連接在一起。箱體的設(shè)計(jì)將直接影響減速器的工作能力，例如傳動(dòng)零件的嚙合精度、密封、潤(rùn)滑等性能，還會(huì)影響減速器的使用壽命。在進(jìn)行箱體尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮整體結(jié)構(gòu)的緊湊性，并應(yīng)留有足夠的間隙，以避免出現(xiàn)干涉情況。設(shè)計(jì)箱體整體尺寸為長(zhǎng)120mm×寬110mm×高30mm，壁厚2mm。減速器箱體通常使用灰鑄鐵來(lái)制造，在重載或者有沖擊載荷的場(chǎng)合則可用鑄鋼。線齒輪減速器的體積較小，且屬于輕載的情況，所以箱體采用鋁合金來(lái)制作。出于輕量化的考慮，這里選用7075鋁合金作為箱體的制作材料，并采用數(shù)控加工制造。結(jié)合材料和制造方法的特點(diǎn)，將箱體設(shè)計(jì)成箱蓋和箱座兩部分，箱蓋和箱座之間通過(guò)箱蓋連接螺栓進(jìn)行連接。在連接處，箱蓋設(shè)計(jì)有凸緣，箱座設(shè)計(jì)有凹槽，以此實(shí)現(xiàn)兩者的同軸定位。這種垂直交叉軸線齒輪減速器的總體設(shè)計(jì)綜合考慮了的美觀性、易加工性、拆裝簡(jiǎn)便性和經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題，是一個(gè)比較合理的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于垂直交叉軸線齒輪副，其主動(dòng)線齒輪的形狀較為細(xì)長(zhǎng)，因此設(shè)計(jì)成齒輪軸的形式。為了使線齒輪具有較好的嚙合剛度，主動(dòng)線齒輪和從動(dòng)線齒輪的支承方式均采用跨置式支承，避免了懸臂式支承設(shè)計(jì)導(dǎo)致的承載能力降低、振動(dòng)與噪聲增加的問(wèn)題。在線齒輪副的軸向設(shè)計(jì)了可靠的定位、緊固，以防止軸向竄動(dòng)。

2.4 軸的設(shè)計(jì)

20Cr等鋼材是常用的齒輪材料，而38CrMoAlA和30CrMoAl鋼材的表面硬度高，適合于制造精密齒輪。主動(dòng)線齒輪軸和低速軸采用的材料分別為20CrMnTi和40Cr，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上查得20CrMnTi和40Cr的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力分別為30Mpa和35Mpa。

3 移動(dòng)機(jī)器人組裝與測(cè)試

為了驗(yàn)證移動(dòng)機(jī)器人的輪式和足式兩種結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)換的可行性以及移動(dòng)平臺(tái)在樓梯上的連續(xù)通過(guò)性能，本文設(shè)計(jì)并搭建了物理樣機(jī)并進(jìn)行了物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。可自鎖變形輪主要采用鋁材CNC加工，部分受力較小的結(jié)構(gòu)件采用光敏樹(shù)脂的SLA技術(shù)制造，以減輕移動(dòng)平臺(tái)的總質(zhì)量。變形輪每個(gè)外輪緣兩端均設(shè)計(jì)有斜面，在輪式結(jié)構(gòu)模式下，三段外輪緣兩兩搭接，實(shí)現(xiàn)相對(duì)定位，并通過(guò)絲桿機(jī)構(gòu)自鎖，實(shí)現(xiàn)輪式結(jié)構(gòu)的形狀保持。當(dāng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)快速移動(dòng)時(shí)，變形輪始終保持輪式結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

該移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)和輪足復(fù)合移動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成。傳動(dòng)系統(tǒng)采用了一種新型的單級(jí)垂直交叉軸線齒輪減速器，這種減速器實(shí)現(xiàn)了狹小空間內(nèi)的轉(zhuǎn)矩傳遞。輪足復(fù)合移動(dòng)系統(tǒng)采用可自鎖變形輪的設(shè)計(jì)，移動(dòng)機(jī)器人在不同的地形環(huán)境中均具有較強(qiáng)的越障能力和環(huán)境適應(yīng)能力[3]。