波发生器及具有该波发生器的谐波减速机的制作方法

本发明涉及一种波发生器以及一种具有该波发生器的谐波减速机，属于谐波减速机技术领域。

背景技术：

谐波减速机是工业机器人的心脏，谐波减速机的好坏直接决定了整个机器人的好坏。它具有高精度、小体积、大减速比等特点。

谐波减速机的核心零部件主要由柔轮、刚轮、波发生器构成。为使谐波传动过程中齿面应力减小,减速机精度、寿命等得到提高，只有增大柔轮与刚轮同时啮合的齿数。目前大多数谐波生产商宣称同时啮合的齿数为20％左右，传动过程中同时啮合的齿数与谐波的齿形及波发生器凸轮的椭圆截面形状结构密切相关。各大生产商都在不断的对波发生器和齿形进行优化改善以寻求谐波减速机的磨损量及长寿命。

谐波减速机的波发生器主要由波发生器凸轮及柔性轴承组成，其中波发生器凸轮的形状对减速机的性能会产生直接影响。

目前针对谐波减速机波发生器凸轮形状的设计中，大多数采用的是椭圆曲线波发生器凸轮，其优点是设计与制作比较简单，缺点是减速机的柔轮齿底所受应力较大，影响柔轮轮齿的寿命，该种凸轮形状柔轮与钢轮啮合时同时啮合的齿数较少。

其他的波发生器凸轮结构还有混合圆弧曲线、双圆弧曲线、渐开线曲线、摆线曲线等。采用混合曲线的波发生器凸轮其目的是使得柔轮与刚轮啮合时受力分布较好，采用四个轮廓的波发生器凸轮给出了表达式，参数等，但不能对波发生器凸轮做出有限评价。

综上所述，目前国内对谐波减速机的波发生器凸轮形状虽然已经有一些研究，但存在以下几点不足之处：

一：给出的波发生器凸轮形状曲线表达式不够详尽，不能用于指导生产。

二：当整个波发生器与柔轮配合安装于刚轮时，出现同时啮合齿数较少，导致单齿受力很大，造成磨损加快整个减速机寿命降低。

三：在波发生器凸轮长轴及周长相同的前提下，目前的波发生器结构在长轴区域的接触面积更少，这就直接导致同时啮合的齿数减少，同时短轴更长，可能会造成传动时内齿与外齿脱不开的问题出现。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种波发生器，可增大柔轮与刚轮同时啮合的齿数。

为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：波发生器，包括波发生器凸轮，波发生器凸轮的椭圆截面的形状表达式为式中r为波发生器凸轮椭圆截面的向径；r1为波发生器凸轮椭圆截面的基准圆直径；l＝波发生器凸轮椭圆截面的长轴长度-波发生器凸轮椭圆截面的短轴长度；θ为波发生器曲线生成的角度，0°≤θ≤360°。

相应地，本发明同时一种具有上述波发生器的谐波减速机，谐波减速机的具体结构如下：包括柔轮和圆环形的刚轮，刚轮的内表面设置有内齿，柔轮外表面设置有与刚轮的内齿相适配的外齿，柔轮内圈设置有波发生器，波发生器包括波发生器凸轮与柔性轴承，柔性轴承的外圈套装在柔轮内孔上，波发生器凸轮的椭圆截面的形状表达式为式中r为波发生器凸轮椭圆截面的向径；r1为波发生器凸轮椭圆截面的基准圆直径；l＝波发生器凸轮椭圆截面的长轴长度-波发生器凸轮椭圆截面的短轴长度；θ为波发生器曲线生成的角度，0°≤θ≤360°。

本发明中的谐波减速机还可做如下进一步的改进：本发明还包括套设于波发生器一端的大端盖、套设于波发生器另一端的小端盖，柔轮外侧套设有十字交叉轴承，柔轮和十字交叉轴承通过设置在大端盖上的止口安装于大端盖中，大端盖上的止口与柔轮之间的配合面、柔轮与十字交叉轴承之间的配合面均设置有o形密封圈，大端盖、o形密封圈、柔轮、十字交叉轴承通过第二螺钉安装固定在一起，大端盖的内孔与波发生器之间的配合面设置有唇形密封圈；

刚轮通过止口安装在十字交叉轴承上，小端盖通过设置在小端盖内的止口安装在钢轮的外沿，小端盖通过第一螺钉与钢轮、十字交叉轴承安装固定在一起，小端盖的内孔与波发生器之间的配合面设置有唇形密封圈。

进一步的是：小端盖的内孔与波发生器之间设置有深沟球轴承，该深沟球轴承内圈与波发生器形成过盈配合、外圈与小端盖的内孔形成过盈配合；

大端盖的内孔与波发生器之间设置有深沟球轴承，该深沟球轴承内圈与波发生器形成过盈配合、外圈与大端盖的内孔形成过盈配合；大端盖、小端盖、波发生器的对应位置设置有用于安装深沟球轴承的定位止口；波发生器两端的深沟球轴承均位于唇形密封圈的内侧。

进一步的是：对于大端盖与波发生器之间的深沟球轴承，深沟球轴承外侧与大端盖的定位止口之间设置有波形弹簧垫圈。

进一步的是：波发生器凸轮两端具有安装唇形密封圈的唇形密封位，波发生器凸轮两端的唇形密封位的加工方式采用径向进给、不允许轴向进给。

进一步的是：柔轮的外齿与刚轮的内齿的齿差数为2。

本发明的有益效果是：不仅给出了波发生器凸轮形状曲线的具体表达式，而且该波发生器使得柔轮和刚轮能够更好地啮合，在保证周长一致的前提下有效的增加了长轴区域的弧长，保证啮合时更多的柔轮外齿处于长轴区域，使同时啮合的齿数大于30％，改善了柔性轴承和齿轮啮合齿面的受力分布，降低了柔轮齿底受力，减少了单齿的接触应力，使整个波发生器在传动过程中的刚性更好，磨损减少以获得较长寿命。

柔性轴承内圈安装固定在波发生器凸轮上，柔性轴承外圈与柔轮内孔配合，此时柔轮外齿的截面形状与波发生器凸轮的截面形状波发生器椭圆一致，钢轮内齿与柔轮外齿进行配合，柔轮外齿与刚轮内齿配合后形成了长轴啮合区与短轴空开区。本发明波发生器凸轮的短轴更短，更有利于柔轮的脱出而不造成干涉。

本发明同时对谐波减速机的装配结构做了改进，整个谐波减速机的的精度、刚度提高、背隙减小，整个谐波减速机在轴向方向的尺寸能够得到有效控制，保证了整个减速机的安装精度，同时能够有效避免油脂泄漏。

综上所述，本发明能有效解决现有谐波减速机同时啮合齿数少、齿面应力大、磨损快、精度下降快、油脂泄漏等问题，能使谐波减速机的性能到达一个新的台阶。

附图说明

图1为本发明的谐波减速机的整体装配结构示意图。

图2为本发明的波发生器安装于柔轮内，柔轮与刚轮拟合示意图。

图3为本发明的波发生器的主视图。

图4本发明实施例中的波发生器凸轮标准椭圆截面与本发明波发生器凸轮椭圆截面相关尺寸对比图(长短轴、弧长、45度半径等)。

图5本发明的波发生器凸轮椭圆曲线示意图。

图中零部件标记：1-大端盖、2-o形密封圈、3-柔轮、4-十字交叉轴承、5-刚轮、6-波发生器、7-深沟球轴承8-唇形密封圈、9-波形弹簧垫圈、10-小端盖、11-第一螺钉、12-第二螺钉、13-波发生器凸轮、14-柔性轴承、15-唇形密封位、16-外齿、17-内齿、18-波发生器凸轮标准椭圆、19-本发明波发生器凸轮椭圆。

具体实施方式

为便于理解和实施本发明，选本发明的实施例结合附图作进一步说明。

如图3和图5所示，本发明包括波发生器凸轮13，波发生器凸轮13的椭圆截面的形状表达式为式中r为波发生器凸轮13椭圆截面的向径；r1为波发生器凸轮13椭圆截面的基准圆直径；l＝波发生器凸轮13椭圆截面的长轴长度-波发生器凸轮13椭圆截面的短轴长度；θ为波发生器6曲线生成的角度，0°≤θ≤360°。

相应地，本发明同时一种具有上述波发生器的谐波减速机，如图1、图3和图5所示，谐波减速机的具体结构如下：包括柔轮3和圆环形的刚轮5，刚轮5的内表面设置有内齿17，柔轮3外表面设置有与刚轮5的内齿17相适配的外齿16，柔轮3内圈设置有波发生器6，波发生器6包括波发生器凸轮13与柔性轴承14，柔性轴承14的外圈套装在柔轮3内孔上，波发生器凸轮13的椭圆截面的形状表达式为式中r为波发生器凸轮13椭圆截面的向径；r1为波发生器凸轮13椭圆截面的基准圆直径；l＝波发生器凸轮13椭圆截面的长轴长度-波发生器凸轮13椭圆截面的短轴长度；θ为波发生器6曲线生成的角度，0°≤θ≤360°。

本发明的工作原理如下：如图2所示，波发生器6设置在柔轮3内部使柔轮3弯曲成波发生器凸轮13的椭圆形，当柔轮3与刚轮5处于啮合状态时，柔轮3上位于长轴啮合段的外齿16与钢轮5的内齿17进行啮合。谐波减速机作为减速器使用，通常采用波发生器6主动、刚轮5固定、柔轮3输出形式。波发生器6由电机带动作为旋转驱动源。波发生器6转动，使得柔轮3上的外齿16，钢轮5上的内齿17的啮合位置在圆周方向上移动。柔轮3上的外齿16，钢轮5上的内齿17的齿数差优选为2，由于齿数差使得柔轮3上的外齿16、钢轮5上的内齿17之间相对波发生器6的旋转产生大幅度减速的相对旋转运动。因为刚轮5是被固定的，所以柔轮3的旋转带动与它连接的部件也产生旋转，以此方式传递旋转减速运动。

图4是谐波减速机波发生器凸轮曲线示意图。波发生器凸轮标准椭圆18的长轴为l3，短轴为l2。在曲线周长不变的情况下，保持长轴l3不变，短轴l2减小，从而变形为本发明波发生器凸轮椭圆19。本发明波发生器凸轮椭圆19和波发生器凸轮标准椭圆18相比，在长轴部位,本发明波发生器凸轮椭圆19的向径比波发生器凸轮标准椭圆18大；在短轴部位，本发明波发生器凸轮椭圆19的向径比波发生器凸轮标准椭圆18小。使得柔轮3齿底弯曲量减小，进而柔轮3齿底受力减小，并且啮合齿数增加，提高柔性轮使用寿命。

在本发明的实施例中，如图4所示，波发生器凸轮标准椭圆18与本发明波发生器凸轮椭圆19对比，在长轴l3＝l3",短轴l2＞l2"的前提下，本发明波发生器凸轮椭圆19的周长与波发生器凸轮标准椭圆18的周长相等，本发明波发生器凸轮椭圆19在长轴方向弧长相对于波发生器凸轮标准椭圆18长轴弧长增加l1"-l1＝-0.03mm，本发明波发生器凸轮椭圆19在短轴方向弧长相对于波发生器凸轮标准椭圆18短轴弧长增加l5"-l5＝0.04mm，本发明波发生器凸轮椭圆19在45度时的半径相对于波发生器凸轮标准椭圆18在45度时增加l4"-l4＝0.05mm(保证更多齿处于长轴区域)。

该种设计的好处在于：在保证周长一致的前提下有效的增加了长轴区域的弧长，保证啮合时更多的柔轮3外齿16处于长轴区域，使同时啮合的齿数大于30％，改善了柔性轴承14和齿轮啮合齿面的受力分布，降低了柔轮3齿底受力，减少了单齿的接触应力，使整个波发生器6在传动过程中的刚性更好，磨损减少以获得较长寿命。

柔性轴承14内圈安装固定在波发生器凸轮13上，柔性轴承14外圈与柔轮3内孔配合，此时柔轮3外齿16的截面形状与波发生器凸轮13的截面形状波发生器椭圆一致，钢轮5内齿17与柔轮3外齿16进行配合，柔轮3外齿16与刚轮5内齿17配合后形成了长轴啮合区与短轴空开区。本发明波发生器凸轮13的短轴更短，更有利于柔轮3的脱出而不造成干涉。

本发明中的谐波减速机还可做如下进一步的改进：本发明还包括套设于波发生器6一端的大端盖1、套设于波发生器6另一端的小端盖10，柔轮3外侧套设有十字交叉轴承4，柔轮3和十字交叉轴承4通过设置在大端盖1上的止口安装于大端盖1中，大端盖1上的止口与柔轮3之间的配合面、柔轮3与十字交叉轴承4之间的配合面均设置有o形密封圈2，大端盖1、o形密封圈2、柔轮3、十字交叉轴承4通过第二螺钉12安装固定在一起，大端盖1的内孔与波发生器6之间的配合面设置有唇形密封圈8；

刚轮5通过止口安装在十字交叉轴承4上，小端盖10通过设置在小端盖10内的止口安装在钢轮5的外沿，小端盖10通过第一螺钉11与钢轮5、十字交叉轴承4安装固定在一起，小端盖10的内孔与波发生器6之间的配合面设置有唇形密封圈8。

小端盖10的内孔与波发生器6之间设置有深沟球轴承7，该深沟球轴承7内圈与波发生器6形成过盈配合、外圈与小端盖10的内孔形成过盈配合；

大端盖1的内孔与波发生器6之间设置有深沟球轴承7，该深沟球轴承7内圈与波发生器6形成过盈配合、外圈与大端盖1的内孔形成过盈配合；

大端盖1、小端盖10、波发生器6的对应位置设置有用于安装深沟球轴承7的定位止口；

波发生器6两端的深沟球轴承7均位于唇形密封圈8的内侧。

对于大端盖1与波发生器6之间的深沟球轴承7，深沟球轴承7外侧与大端盖1的定位止口之间设置有波形弹簧垫圈9。

其中，大端盖1的作用：作为整个安装底层基础平面，用于唇形密封圈8，深沟球轴承7，波形弹簧垫圈9，o形密封圈2，柔轮3，十字交叉轴承4的安装。

o形密封圈2的作用为：密封油脂防止泄露。本实施例中的o形密封圈2安装设置在大端盖1及十字交叉轴承3的槽子中，大端盖1、o形密封圈2、柔轮3、十字交叉轴承4通过第二螺钉12安装固定在一起之后，此时o形密封圈2具有一定的压缩量，以满足避免油脂泄漏的需求。

柔轮3为能够产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔周长略小于波发生器6的周长。

十字交叉轴承4的作用：作为整个减速机的基础零部件，是精度的保障。

波发生器6的作用：为使得柔轮3产生可控弹性变形的构件。当波发生器6装入柔轮3后，迫使柔轮3的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的外齿16与刚轮5的内齿17完全啮合，而短轴两端附近的外齿16则与刚轮5完全脱开，周长上其他区段的外齿16处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器6沿图示方向连续转动时，柔轮3的变形不断改变，使柔轮3与刚轮5的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入……，周而复始地进行。

刚轮5的作用：固定刚轮5之后，由电机带动波发生器6转动，柔轮3作为从动轮，输出转动，带动负载运动。

唇形密封圈8的作用：防止油脂从轴向泄漏。波发生器凸轮13两端具有安装唇形密封圈8的唇形密封位15，波发生器凸轮13两端的唇形密封位15的加工方式采用径向进给、不允许轴向进给，能有效防止油脂泄漏。

波形弹簧垫圈9的作用：防止减速机传动时波发生器6因为轴向力轴向串动，消除制造过程中的公差累计偏差，保证整个减速机在传动时波发生器6处于正常啮合位置。

深沟球轴承7的作用：作为支撑承受轴向力与径向力。

螺钉的作用：使整个减速机零件装配在一起具有一定的刚性结构。

本发明对谐波减速机的装配结构做了改进，整个谐波减速机的的精度、刚度提高、背隙减小，整个谐波减速机在轴向方向的尺寸能够得到有效控制，保证了整个减速机的安装精度，同时能够有效避免油脂泄漏。

对比试验：两台同一型号的谐波减速机a1和a2，在运行条件相同的情况下a1采用波发生器凸轮标准椭圆18，a2采用本发明波发生器凸轮椭圆19进行装机测试。

1)谐波减速机a1传动精度误差60弧秒，谐波减速机a2传动精度误差48弧秒。本发明精度增加20％。

2)在额定扭矩下，a1谐波减速机同时啮合的齿数为23％，a2谐波减速机同时啮合的齿数为30％，本发明同时啮合的齿数增加了7％。

3)谐波减速机a2在扭转刚度方面比谐波减速机a1增加了16％。

4)寿命试验后检查齿面,在传动时a2减速机能完全脱出齿面，只有很轻微的磨损出现。

从对比结果来看，采用本发明波发生器凸轮椭圆19的谐波减速机在保证高精度的前提下，刚度和同时啮合的齿数均有所增加，寿命得到一定提高。