工业机器人专用减速器的设计论文

摘要

工业机器人专用减速器作为重要的机械传动部件具有体积小、重量轻、传动效率高等特点。本设计全面考虑到运转平稳、多齿啮合、轮齿均载等运动学和动力学的要求，从而实现承载能力高、传递效率高、可靠性高和动力学性能优良等指标，并且要便于制造、装配和检修，设计了具有合理结构的工业机器人专用减速器即摆线针轮行星减速器。

本论文所涉及的科研项目主要通过对摆线针轮行星减速器的主要零件的概念进行详细阐述，给出了摆线针轮减速器的用途，使用说明以及注意事项。列出了摆线针轮行星减速机的构造即输出部分，输入部分。通过对针摆行星传动减速器传动工作原理和特点进行分析，对针轮输出机构及针摆行星传动这种传动方式进行分析，以获得其理论设计和方法。从摆线针轮行星传动的共同点出发以及针摆轮行星减速器相对于少齿差行星减速器的优点提出针摆行星传动形式的设计计算方法。

本论文主要从以下方面出发对摆线针轮行星传动进行了研究:参照传统针摆行星传动基本设计计算方法以及对摆线针轮行星传动主要零部件的基本参数设计计算，并对摆线轮、柱销，针轮进行受力分析最终计算出转臂轴承和各支撑轴承所能承受的载荷大小，完成包括摆线轮、柱销等主要零件强度校核计算和轴承的寿命计算，给出主要零件机械加工的工艺过程，然后利用CAD画出了主要零件的草图和最后的装配图。

关键词：摆线传动；摆线轮；受力分析

Abstract

The cycloid—gear reducer is one of the most important transmission components of the pumping unit by its smaller volume，lighter weight and effective transmission. In order to realize four targets which include high transmission efficiency, high reliability and the excellent dynamics performance and guarantee credible lubricate ability, receive high efficiency of transmission, and make it easy for manufacture, assembly and inspection, we thought over all the requests in the round and design the rational structure cycloid—gear reducer.

By analyzing characteristics and working principle of cycloid drive, and the output pin wheel cycloid drive’s working pr inciple, we obtion the design theory and method of this new kind of reduce. This paper mainly complete works include that provide the design method and complete the prototype design and dynamics analysis of virtual prototype.

This paper researches the following aspects of the output pin wheel cycloid drive. First, the basic parameters and dimensions of main parts of the output pin wheel cycloid drive are designed referring to design and calculation methods of the traditional cycloid drive, and mechanical analysis of the transmission system and the load condition and life of rotary arm bearings and steady bearings of each shafts are calculated, and at the same time the calculations including the strength of cycloid wheel, pins and other major parts are completes. Then, using CAD to draw sketches of the main components and final assembly drawing.

Keywords：Planet—cycloid Reducer; Cycloid ;force analysis

目录

摘要........................................................................................................................................... III Abstract ......................................................................................................................................... I V 目录............................................................................................................................................ V 1 绪论 (1)

1.1 课题研究的背景和依据 (1)

1.2 本课题的研究意义 (1)

1.3 课题国内外研究现状及发展趋势 (1)

2 摆线针轮行星传动的简介 (4)

2.1摆线针轮的概念 (4)

2.2 摆线针轮减速机的用途，使用说明和注意事项 (4)

2.2.1 用途 (4)

2.2.2 使用条件 (4)

2.2.3 润滑 (4)

2.2.4 安装 (5)

2.3 摆线针轮行星减速器的构造 (5)

2.4 齿廓曲线的形成及其啮合原理 (6)

2.5 摆线针轮行星传动的特点及应用 (8)

3工业机器人的总体设计 (9)

3.1工业机器人的组成 (9)

3.1.1 工业机器人的系统组成 (9)

3.1.2 工业机器人的基本机能组成 (9)

3.2 机器人的结构分析 (9)

3.2.1 机器人的总体结构的概念 (9)

3.2.2机器人的传动结构 (10)

3.3机器人的设计分析及总体方案的确定 (11)

3.3.1 设计的任务要求 (11)

3.3.2总体方案的确定 (12)

3.3.3 工业机器人的主要技术参数 (12)

4 摆线针轮行星齿轮传动的传动比计算和传动特点 (12)

4.1摆线针轮行星齿轮传动的传动比计算 (13)

4.2啮合的齿廓形成原理 (14)

5 摆线针轮行星齿轮传动设计 (15)

5.1针轮行星轮系的材料 (15)

5.2 第一套摆线针轮加速器的设计 (15)

5.2.1 选择结构形式，齿数及材料 (15)

5.2.2 强度计算针齿中心圆半径 (15)

5.2.3计算摆线轮和针轮的几何尺寸 (16)

5.2.4 转臂轴承的选择计算 (17)

5.2.5 针齿销弯曲强度计算 (18)

5.2.6 W输出机构销轴弯曲强度计算 (19)

5.3 第二套摆线针轮减速器的设计 (20)

5.3.1 选择结构形式，齿数及材料 (20)

5.3.2 接触强度计算针齿中心圆半径 (20)

5.3.3 计算摆线轮和针轮的几何尺寸 (20)

5.3.4 转臂轴承的选择计算 (21)

5.3.5 针齿销弯曲强度计算 (22)

5.3.6 W输出机构销轴弯曲强度计算 (22)

6行星齿轮传动输出轴的轴承选择 (24)

7 主要零件的机械加工工艺规程 (25)

7.1 摆线轮的加工工艺路线 (25)

7.2 针齿壳的加工工艺路线 (26)

7.3 输出轴加工工艺 (26)

7.4 偏心套加工工艺 (27)

8结论与展望 (29)

8.1 结论 (29)

8.2 展望 (29)

致谢.............................................................................................................................................. .30 参考文献 (31)

1 绪论

1.1课题研究的背景和依据

减速器是连接动力机部分和工作机部分的应用最为广泛的通用传动机械，行星齿轮减速器对齿轮的齿廓曲线的主要要求是保证瞬时传动比是常数。目前，满足这一要求的常用于齿轮传动的齿廓曲线主要是渐开线和摆线。

1926年L.Braren发明了摆线针轮减速器，在少齿差行星传动结构上，将变幅外摆线的内侧等距曲线首先用于行星轮廓曲线并且把圆弧作为中心轮齿廓曲线以及渐开线少齿差行星传动模式，保留Z-X-F类N型行星齿轮传动。此发明专利被日本住友公司于1938年买断，当时日本人执行的是―引进—消化—创新‖技术路线。

摆线针轮传动与普通渐开线齿轮或蜗轮传动相比的主要优点有：高传动比和高效率，一级减速时传动比范围是11～87，两级减速时的传动比范围是20～128；同轴输出机构重量轻和体积小；传动平稳且噪音低；因为针摆传动同时啮合的齿数要比渐开线齿轮传动同时啮合的齿数多，所以承载能力较大，啮合效率较高。

1.2 本课题的研究意义

减速器是各种机械设备中最常见的部件,它的作用是将电动机转速减少或增加到机械

设备所需要的转速,摆线针轮行星减速器由于具有减速比大、体积小、重量轻、效率高等优点，在许多情况下可代替二级、三级的普通齿轮减速器和涡轮减速器，所以使用越来越普及，为世界各国所重视。

摆线针轮行星减速器作为重要的机械传动部件具有体积小、重量轻、传动效率高的特点。本设计在全面考虑多齿啮合、运转平稳、轮齿均载等运动学和动力学的要求，现高承载能力、高传递效率、高可靠性和优良动力学性能等指标，而且要便于制造、装配和检修，设计了该具有合理结构的摆线针轮行星减速器。

1.3 课题国内外研究现状及发展趋势

针摆齿轮传动与普通渐开线齿轮或蜗轮传动相比的优点有：传动比高和高效率高；同轴输出结构体积小和重量轻；传动平稳和噪声低。因为摆线针轮传动同时啮合的齿对数要比渐开线齿轮传动同时啮合的齿对数多，所以承载能力更大，啮合效率更高；由于摆线轮以及针轮轮齿均可精磨、淬硬，比渐开线少齿差传动内齿轮的被加工性好，齿面硬度要更高，因而使用寿命更长；摆线轮的加工技术已经成熟，专业加工设备齐全，因此摆线轮已纳入通用件，在国内已做到通用化大批量生产，生产成本下降，因此摆线针轮专用减速器当前得到广泛应用。摆线针轮减速技术到现在，虽在品种、规格等许多方面做了改进，但在本质、原理上没有创新。现如今摆线针轮减速机，其原理和结构依然是1926年德国的原型。

图1.1 摆线针轮减速器的应用

目前，摆线针轮减速器的研究在国内外都得到了积极发展，从1990年开始，住友机械株式会社在―80系列‖的基础上推出最新―90样本‖的摆线针轮减速器，它的机型由15种扩大到21种，传动比由8种扩大到16种。我国对日本提高摆线针轮减速器性能的主要措施已进行较深入的分析，并且在赶超世界水平的同时也有了自己的创新成果，如与工程实际相符的摆线轮与输出机构受力分析以及对摆线轮齿形的优化设计等。

摆线针轮减速器所能传递的最大功率为132KW，输入轴的最高转速为1800r/min。美国研发直升飞机传动装置所做的摆线针轮传动装置试验样机，采用的是四片摆线轮，可以达到输入轴动平衡的新结构，输入转速达到2000r/min，传动功率达到205KW。

这些年来国内对摆线针轮传动的研究一直在不断发展，并且也取得了一些成果。主要如下：

(1) 中国农业大学何胜勇对行星摆线针轮减速机虚拟样机的建造与有限元分析进行了研究；

(2）哈尔滨工业大学于影，于波，陈建新对摆线针轮行星减速器进行优化设计；

(3）天津工程师范学院的戚厚军建立的2K．v型摆线针轮行星减速器的动力学模型．是以2K-V6型摆线针轮行星减速器为研究对象，在不改变减速器的外形尺寸及结构的情况下，分析了摆线轮修形和短幅系数对摆线轮齿啮合刚度的影响规律，和传动系统中的各种零件的刚度及针径系数对机器整机振动性能的影响；

(4）大连交通大学何卫东教授主持的国家自然科学基金资助的项目《高承载能力高传动效率高可靠性新型针摆行星传动的研究》的科研成果《双曲柄四环板针摆行星传动》于2005年4月通过鉴定；

(5）浙江大学吕方教授开发了一种新型的传动机械——长幅外摆线针轮行星传动减速机；

(6) 大连铁道学院张动生采用非线性有限元分析软件MSCMARC建立了摆线轮与各受力齿接触模型；首次对针齿和摆线轮齿面接触进行静态有限元分析，得出了摆线轮和针齿间的接触状态；

(7) 四川大学张流俊在首次应用有限元法取代传统的经验法进行摆线针轮减速器的结构设计，并提供了一个通用的摆线针轮减速机结构设计计算软件包。

(8）大连铁道学院关天民和万朝燕对新型摆线针轮传动进行理论及受力分析；

(9) 大连铁道学院关天民教授提出了一种较为准确的针摆轮行星传动销孔式输出机构的受力分析理论，利用此理论可以得到整个工作过程中输出机构和柱销的受力情况；

(10）鞍山钢铁学院高兴蚊、黄秋波对具有双面支撑输出机构以及多齿差齿形摆线针轮行星传动的齿廓曲线形状和啮合特性进行了理论分析。摆线针轮减速器的发展趋势是达到更高的运动精度，更高的传递功率和更广的传动范围。

自20世纪90年代以来来，在工业专用机器人回转装置选择中。摆线轮传动作为一种比较理想的传动形式应用其中。如日本住友重机械工业株式会社研发成功的机器人用R．v 列，FA系列及FT系列产品均采用了摆线针轮传动结构形式，由于采用了最新的设计理论。从而产品外型美观大方、结构合理、传递功率得到提高。

近年来出现了数种在摆线针轮行星传动基础上的新型传动型式，使其能够更好适应高精度的运动传递和控制，用于机器人关节驱动、精密机床等高精度摆线轮传动技术的研究，其中常用的有以下几种：

(1). TWINSPFN减速器近来由斯洛伐克的一家公司推出，这种轴承式减速器不仅能承受非常大的径向力而且还能承受轴向力，并且使用寿命和传动效率也有所提高。

(2) .RV减速器。RV减速器是近年来由日本帝人公司推出的一种摆线传动，是由第一级普通渐开线直齿轮减速器部分和第二级针摆轮减速器部分组合成的两级行星传动机构。

(3) .三片摆线轮减速器，是由日本著名的住友重机械工业株式会社推出的产品，在此传动中采用了三片相互呈0

120角布置的摆线轮结构，增加了摆线轮的数量提高了传动效率。

(4). Dojen减速器由美国Mectrol公司生产，传动机构采用了机芯式设计，每个针齿都采用悬臂方式，在针齿另一端加工有锥度，和机壳上的锥孔相配合，能自动定心，不仅能保证顺利装配又能消除全部间隙。

(5). 摆线球齿减速器，是一种将外摆线、内摆线轮结合起来的双摆线减速器，既将针轮改为钢球齿轮，又将两摆线轮改为摆线沟槽，因而是摆线针轮减速器的一种变形。

FA高精度减速器是当今世界上最新的传动装置，它具有体积小．传动比范围大．寿命长、稽度保持稳定、效率高等一系列的优点．由于它与机器人中常用的谐波传动相比有较高的疲劳强度、大的刚度和长的寿命。两且回差耪度高，因此FA减速机在工业专用机器人传动中正在得到越来越广泛的的应用：它还广泛用于测量装置，微型大传动比减速装置、办公设备、摆线传动装置，智能住宅传动装置等机械系统中．由于在这些精密传动中，通常传递的载荷不大，但要求传动精度高，传递运动准确，因而对其传动链的设计要求较高。

2 摆线针轮行星传动的简介

2.1 摆线针轮的概念

本课题研究的是工业机器三自由度手臂采用摆线针轮行星轮传动的第二和第三臂。摆线针轮行星传动的齿廓是一种K-H-V行星传动。行星的齿廓不是线而是摆线。中心内齿采用了针轮。

图2.1 行星齿轮传动结构简图

行星齿轮减速机：主要传动结构为：行星轮，太阳轮，外齿圈。行星减速机因为结构原因单级减速最小为3，最大一般不超过10,常见减速比为:3、4、5、6、8、10,减速机级数一般不超过3，胆有大部分减速机比定制减速机有4级减速。相对其他减速机，行星减速机具有高刚性，高精度，高传动比，高的扭矩/体积比，终身免维修等特点。因为这些特点，行星减速机是安装在步进电机和伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量。

2.2摆线针轮减速机的用途，使用说明和注意事项

2.2.1用途

摆线针轮减速机采用摆线针齿啮合，行星式传动原理，所以通常也叫行星摆线减速机，行星摆线针轮减速机可以广泛应用于石油、环保、化工、水泥、输送、纺织、制药、食品、印刷、起重、矿山、冶金、建筑、发电等行业，作为驱动或减速装置其独特的平稳结果在许多情况下可以替代普通圆柱齿轮减速机及蜗轮蜗杆减速机，因此行星摆线针轮减速机在各个行业和领域被广泛应用，受到广大用户的普遍欢迎。

2.2.2 使用条件

（1）摆线针轮减速机允许使用在连续工作的场合，同时允许正反两个方向运转。（2) 输入轴的转速额定转数为1500转/分，在输入功率大于18.5千瓦时建议采用960转/分的6级电机配套使用。

（3）卧式安装摆线针轮减速机的工作位置均为水平位置。在安装是最大的水平倾斜角一般小于0

15时应采用其他措施保证润滑充足和防止漏油。

15，在超过0

（4）摆线针轮减速机的输出轴不能受较大的轴向力和径向力，在有较大轴向力和径向力时须采取其他措施。

2.2.3润滑

（1) 卧式摆线减速机在正常情况下采用油池润滑，油面高度保持在视油窗的中部即

可，在工作条件恶劣，环境温度处于高温时可采用循环润滑。

（2）摆线针轮减速机在常温下一般选用40＃或50＃机械润滑油，为了提高减速机的性能、延长摆线针轮减速机的使用寿命，建议采用70＃或90＃极压齿轮油，在高温情况下高温情况下工作时也可应重新考虑润滑油。

（3）立式安装行星摆线针轮减速机要严防油泵断油，一避免减速机的部件损坏。

（4）加油时可旋开几座上部的通气帽即可加油。放油时旋开机座下部的油塞，即可放出油污，该减速机出厂时内部无润滑油。

（5）第一次加油运转100小时应跟换新油，以后再连续工作，每半年跟换一次，如果工作条件恶劣可适当宿短换油时间，实践证明减速机的经常换油对于延

长减速机的寿命有着重要作用，在使用过程中应经常补充润滑油。

2.2.4安装

（1）在摆线针轮减速机的输出轴上安装联轴器、皮带轮、链轮等连接件时不允许采用直接锤击方式，因为减速机的输出轴结构不能承受轴向的锤击力，可用轴端螺孔旋入螺钉压入联结件。

（2）输出轴输入轴的轴径选用GB1568-79配合。

（3）减速机上的吊环螺钉只限起吊减速机。

（4）在基础上安装减速机时应校准减速机的安装中心线标准你高，水平度及其相连部分的相关尺寸。校准装动轴的同心度不应超过联轴器所允许的范围。

（5）减速机校准时可用钢制垫块或铸铁垫块进行，垫块在高度方面不超过三块，胆减速机校准后应换入平垫块。

2.3 摆线针轮行星减速器的构造

行星摆线针轮减速机全部传动装置可分为三部分：输入部分、输出部分、减速部分。在输出轴上安装有一错位0

180的双偏心套，在偏心套上安装有两个滚珠轴承，形成H结构，两个摆线轮的中心孔即为偏心套上转臂轴承的滚道，并由摆线轮与针齿轮上一组环形排列的真齿轮相啮合，以组成少齿差啮合减速机构。从结构上讲，摆线针轮行星传动由四部分组成，即针轮、摆线行星轮、系杆H和输出机构W。

图2.2 摆线针轮行星减速器的结构图

2.4 齿廓曲线的形成及其啮合原理

摆线行星轮的齿廓曲线为短幅外摆线的等距曲线，这种曲线的形成如图3.2所示。图中圆1称为滚圆，半径为r1；圆2称为基圆，半径为r2。将滚圆1套在基圆2上并相对于基圆2作无滑动的纯滚动，则滚圆1上的P在基圆2上所形成的轨迹ec为一条外摆线。而在滚圆外与滚圆相固连的一点M在基圆上所描述的轨迹'

ec则称为短幅外摆线。

图2.3 齿轮齿廓齿廓的啮合原理

上述两圆纯滚动所产生的短幅外摆线'ec是从属于圆2的，而M点则是从属于圆1上的点；如果将'

ec和M分别作为圆2与圆1上的齿廓，那么可将圆2、圆1作为保持纯滚动的两个节圆，而用'

ec曲线和M两齿廓的啮合运动来实现两轮的定传动比传动。但是由于