線齒輪減速器的輪足復合移動機器人設計和加工

高雷

廣東博智林機器人有限公司 廣東佛山 528312

在工業4.0發展的過程中，高端制造業和工業智能化是非常重要的發展方向，機器人在工業4.0發展中起著關鍵的作用。目前，機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缺點，為促進機器人的產業發展，迫切需要研制新型的精密減速器。對于精密機器人來說，無論是連續行程的機器人（噴漆和焊接機器人），還是拾取/放置機器人（工件傳遞和機床上下料），在多次完成相同重復工作時，為保證其每次都精確達到相同的位置，對其關節使用的減速器精度有很高的要求，其中傳動誤差、空程、扭轉剛度和抵抗沖擊的能力尤其重要。擺線針輪傳動具有小體積、高傳動精度、大傳動比、大承載能力、高扭轉剛度等優點，是在精密傳動中應用最廣泛的一種傳動方式。基于擺線傳動原理開發的精密傳動減速器有RV減速器、FA減速器等。而機器人關節同樣需要高傳動精度、小體積、大負載的能力，所以擺線針輪減速器是目前機器人關節中應用最廣泛的減速器[1]。

1 產品結構

圖1所示為精密行星齒輪減速器結構及外形圖，由圖1可見，該產品主要由行星輪、太陽輪和內齒圈等組成。由于其結構原因，單級減速比最小為3，最大一般不超過10，常見減速比為3、4、5、6、8、10，減速器（機）級數一般不超過3，但有部分大減速比定制減速器（機）設置為4級減速。

圖1 精密行星齒輪減速器結構及外形圖

2 基于線齒輪減速器的輪足復合移動機器人

2.1 產品加工工藝

基于課題組齒輪減速器力學性能、熱變形性能研究、熱-力耦合變形研究、誤差溯源和修正技術等理論研究成果，精密行星齒輪減速器加工工藝優化重點是要解決齒輪加工工藝、行星架加工工藝、內齒圈加工工藝、裝配及檢測工藝，引進、研發或委托定制專用關鍵加工、裝配、檢測工藝設備等。此外，需要改造傳統的加工工藝環境，研發系列專用刀具，進行工藝創新和管理創新，通過引進技術并消化、吸收、再創新，實現引進設備和國產設備有機融合，提高生產線的工作效率[2]。

2.2 齒輪加工工藝

在精車工序將傳統的普通精密車床升級為數控車床，在滾齒工序，在前期引進國外先進干切設備和工藝的基礎上，消化吸收國外干切技術，自主研發齒輪干切新工藝，重點結合圖內齒輪材料、熱處理工藝，使國內外設備融合，在保證質量前提下，提高性價比，優化了工藝參數。針對工藝要求，自主研發了專用高速數控干切滾齒機，替代進口設備。采用干切滾齒工藝，切削過程不需要油冷卻，避免采用油冷卻產生油霧污染環境，不僅節省了資源，而且提高了環保水平，取得了較好的經濟和社會效益。

2.3 箱體的設計

減速器箱體是用來支承、固定傳動零件的重要零件，它和齒輪、軸、軸承等關鍵零件連接在一起。箱體的設計將直接影響減速器的工作能力，例如傳動零件的嚙合精度、密封、潤滑等性能，還會影響減速器的使用壽命。在進行箱體尺寸設計時，需要考慮整體結構的緊湊性，并應留有足夠的間隙，以避免出現干涉情況。設計箱體整體尺寸為長120mm×寬110mm×高30mm，壁厚2mm。減速器箱體通常使用灰鑄鐵來制造，在重載或者有沖擊載荷的場合則可用鑄鋼。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，并采用數控加工制造。結合材料和制造方法的特點，將箱體設計成箱蓋和箱座兩部分，箱蓋和箱座之間通過箱蓋連接螺栓進行連接。在連接處，箱蓋設計有凸緣，箱座設計有凹槽，以此實現兩者的同軸定位。這種垂直交叉軸線齒輪減速器的總體設計綜合考慮了的美觀性、易加工性、拆裝簡便性和經濟性等問題，是一個比較合理的設計方案。對于垂直交叉軸線齒輪副，其主動線齒輪的形狀較為細長，因此設計成齒輪軸的形式。為了使線齒輪具有較好的嚙合剛度，主動線齒輪和從動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計導致的承載能力降低、振動與噪聲增加的問題。在線齒輪副的軸向設計了可靠的定位、緊固，以防止軸向竄動。

2.4 軸的設計

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。主動線齒輪軸和低速軸采用的材料分別為20CrMnTi和40Cr，由機械設計手冊上查得20CrMnTi和40Cr的許用扭轉切應力分別為30Mpa和35Mpa。

3 移動機器人組裝與測試

為了驗證移動機器人的輪式和足式兩種結構相互轉換的可行性以及移動平臺在樓梯上的連續通過性能，本文設計并搭建了物理樣機并進行了物理樣機實驗。可自鎖變形輪主要采用鋁材CNC加工，部分受力較小的結構件采用光敏樹脂的SLA技術制造，以減輕移動平臺的總質量。變形輪每個外輪緣兩端均設計有斜面，在輪式結構模式下，三段外輪緣兩兩搭接，實現相對定位，并通過絲桿機構自鎖，實現輪式結構的形狀保持。當移動機構快速移動時，變形輪始終保持輪式結構。

4 結語

該移動機器人的機械系統主要由傳動系統和輪足復合移動系統兩部分組成。傳動系統采用了一種新型的單級垂直交叉軸線齒輪減速器，這種減速器實現了狹小空間內的轉矩傳遞。輪足復合移動系統采用可自鎖變形輪的設計，移動機器人在不同的地形環境中均具有較強的越障能力和環境適應能力[3]。