CN113404835A - 一种搭载谐波减速机的直驱舵机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种搭载谐波减速机的直驱型舵机，驱动电机（13）的输出轴上设置所述谐波减速机；驱动电机（13）的输出轴上固定电机固定滑块（14），凸轮（16）的外围和柔轮（8）之间设置柔性轴承（11），电机固定滑块（14）、活动滑块（15）、凸轮（16）和柔性轴承（11）组成十字滑块式波发生器；波发生器安装在柔轮（8）的倒扣盖式结构中。具有机构紧凑、体积小、背隙小，传动精度高，减速比大的优点，同时又能兼顾制造成本，能够具有普适性。
Description
技术领域
本发明属于服务机器人、云台、高档玩具和自动控制技术领域，具体涉及一种搭载谐波减速机的直驱型舵机。
背景技术
传统谐波减速器具有结构紧凑、体积小、质量轻、承载能力大、背隙小与传动精度高等优点，被广泛应用于工业机器人、航空航天、精密机床领域中。谐波减速机由钢轮、柔轮和波发生器构成，椭圆变形的波发生器安装在具有弹性的柔轮内部，波发生器转动迫使柔轮齿形与钢轮齿形周期性啮合和分离，进而实现错齿差减速的效果。
服务机器人、云台、高档玩具等自动控制技术领域经常需要舵机驱动，而基于高精度基础上的舵机轻量化和微型化一直是该领域的不懈追求。但是鉴于传统谐波减速器的昂贵价格，高精度和轻量化和微型化无法平衡，传统的谐波减速器无法在云台和高档玩具以及普适性机器人上普遍应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术缺陷提供一种搭载谐波减速机的直驱型舵机，具有机构紧凑、体积小、背隙小，传动精度高，减速比大的优点，同时又能兼顾制造成本，能够具有普适性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种搭载谐波减速机的直驱型舵机，包括驱动电机（13）和谐波减速机；其特征在于驱动电机（13）的输出轴上设置所述谐波减速机；驱动电机（13）的输出轴上固定电机固定滑块（14），凸轮（16）的外围和柔轮（8）之间设置柔性轴承（11），电机固定滑块（14）、活动滑块（15）、凸轮（16）和柔性轴承（11）组成十字滑块式波发生器；波发生器安装在柔轮（8）的倒扣盖式结构中；
柔轮（8）和输出法兰（1）刚性连接在一起，柔轮（8）的外齿圈和钢轮（10）的内齿圈在波发生器作用下周期性啮合或分离，钢轮（10）和壳体（7）通过固定连接；输出法兰（1）和壳体（7）之间安装有支撑轴承（6），支撑轴承（6）位于柔轮（8）的上方；
输出法兰（1）中心上安装位置磁钢（4），在位置磁钢（4）上方对应处间隔设置位置传感器（2），位置磁钢（4）和位置传感器（2）组成舵机控制闭环系统。
上述技术方案中，电机固定滑块（14）的周向间隔凸起与环形活动滑块（15）的内壁径向滑槽配合，活动滑块（15）的外壁的周向凸起与外围凸轮（16）内壁的周向滑槽互相配合，两组滑槽呈十字形交叉布置。
上述技术方案中，电机固定座（12）包括底部的驱动电机容纳部及上部的平台（121），驱动电机（13）固定在驱动电机容纳部内，在平台（121）上设置有电机定位孔和固定孔固定电机；驱动电机（13）的输出轴穿过平台（121）的中心孔后固定电机固定滑块（14），活动滑块（15）嵌套在所述电机固定滑块（14）上并置于凸轮（16）的中空倒扣空间内，在凸轮（16）的外壁台阶上设置柔性轴承（11）。
上述技术方案中，输出法兰（1）具有顶部的法兰盘和通过边侧支撑间隔连接的轴；柔轮（8）的盖式底壳和输出法兰（1）的轴通过固定垫片（9）刚性连接在一起。
上述技术方案中，输出法兰（1）的轴中心顶部过盈安装位置磁钢（4），壳体（7）上通过传感器安装支架（3）在位置磁钢（4）上方悬空设置固定位置传感器（2）。
上述技术方案中，柔轮（8）的外齿圈和钢轮（10）的内齿圈齿形均采用C齿形。
上述技术方案中，凸轮（16）、柔轮（8）和钢轮（10）采用工程塑料注塑成型。
上述技术方案中，柔轮（8）采用POM或PA或PPS或PEEK材料的一种为基材添加碳纤维或PTFE或二硫化钼注塑成型。
上述技术方案中，钢轮（10）、电机固定滑块（14）、活动滑块（15）、凸轮（16）采用PPS+10%以上的碳纤维注塑成型。
上述技术方案中，输出法兰（1）、传感器安装支架（3）、壳体（7）和电机固定座（12）采用PPS或PA或PC加入10%以上的碳纤维或玻璃限位注塑成型。
上述技术方案中，钢轮（10）和壳体（7）通过花键过盈配合安装。
由此，本发明提出的直驱型舵机搭载特种的塑料谐波减速机构，直驱型舵机的驱动电机通过安装在电机输出轴上的十字滑块，驱动波发生器工作，谐波减速机运转。传动和驱动为一体，机构紧凑、体积小；与柔轮安装在一起的输出法兰上安装位置磁钢，位置磁钢与位置传感器组合控制舵机的位置闭环和速度闭环。同时由于波发生器结构精巧，背隙小，传动精度高，减速比大。塑料谐波减速机构的柔轮、钢轮和凸轮都采用特种工程塑料注塑成型，实现了轻量化；齿形采用C齿形设计，保证了该类型塑料舵机的传递力矩和刚性。由于能够批量化生产和制造，且结构和材料优化设计，成本大幅减少，能够普遍适用于服务机器人、云台、高档玩具等自动控制技术领域。
附图说明
图1为本发明的装配谐波减速机的直驱舵机的结构示意图；
图2为本发明的装配谐波减速机的直驱舵机内部结构示意图；
图3为本发明的波发生器的结构示意图；
图1-3中附图标记如下：1.输出法兰；2.位置传感器；3.传感器安装支架；4.位置磁钢；5.支撑轴承固定法兰；6.支撑轴承；7.壳体；8.柔轮；9.固定垫片；10.钢轮；11.柔性轴承；12.电机固定座；13.驱动电机；14.电机固定滑块；15.活动滑块；16.凸轮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
结合附图1、2、3对本发明进一步详细说明：本发明装配谐波减速机的直驱舵机中，驱动电机13的输出轴上同轴设置谐波减速机；具体为：
驱动电机13固定在电机固定座12上，电机固定座12包括底部的驱动电机容纳部及上部的平台121；在平台121上设置有电机定位孔和固定孔，保证电机安装位置。驱动电机13的输出轴穿过平台121的中心孔后固定电机固定滑块14，电机固定滑块14和活动滑块15横截面均呈十字状，电机固定滑块14和活动滑块15十字交叉设置并容纳在凸轮16的中空倒扣空间中（凸轮16为一个倒扣的中空封闭圆台），在凸轮16的外壁台阶上设置柔性轴承11， 电机固定滑块14、活动滑块15、凸轮16和柔性轴承11组成十字滑块式波发生器。柔性轴承11位于凸轮16和柔轮8的内壁之间，由此推动柔轮8的外圈齿周期性与相邻的钢轮10内圈齿啮合或分离。波发生器安装在柔轮8的内圈，柔轮8的内圈同时设置限位台阶，保证波发生器的轴向位置。电机固定座12的平台121和壳体7刚性配合安装，将钢轮10固定在壳体7轴向和径向固定。
柔轮8由具有中心孔的盖式底壳和竖向壁形成倒扣盖式结构，竖向壁内壁与柔性轴承11接触，竖向壁外圈形成外圈齿；输出法兰1具有顶部的法兰盘和通过边侧支撑间隔连接的轴；盖式底壳和输出法兰1的轴通过固定垫片9和自攻螺丝刚性连接在一起。钢轮10和壳体7通过花键过盈配合安装。
结合附图3所示，电机固定滑块14主体呈圆柱体状，圆柱体的周向间隔180度设置固定凸起棱；电机固定滑块14套置于环形圈状结构的活动滑块15中，该固定凸起棱与活动滑块15的内壁竖向槽配合，内壁竖向槽呈180度间隔设置且径向呈直线分布；同样的，活动滑块15套置于凸轮16的的中空圆柱形空间中，活动滑块15的外壁设置竖向凸起条，凸轮16的内壁设置竖向滑槽；该竖向凸起条又与凸轮16的内壁竖向滑槽互相配合；这两组滑槽相互之间呈90度布置为十字交错形，可以通过在周向运转中径向相互错位滑动来传动。在不同轴的情况下，也能保证驱动电机13与谐波减速机构能正常工作。电机固定座12的平台121和壳体7刚性配合安装，电机固定座12和壳体7采用定位孔和自攻螺丝连接。
输出法兰1的轴和壳体7之间安装有支撑轴承6，支撑轴承6过盈配合在壳体7的轴承安装孔内，同时支撑轴承固定法兰5通过自攻螺丝固定在壳体7上，保证支撑轴承6牢固安装。支撑轴承6位于柔轮8的上方。支撑轴承6的内圈固定在输出法兰1的轴上，输出法兰1与柔轮8的固定控制支撑轴承6的轴向位置。
输出法兰1的轴中心上过盈安装位置磁钢4，在位置磁钢4的上方间隔设置位置传感器2，位置传感器2位于法兰盘的下方。壳体7上通过传感器安装支架3固定位置传感器2，位置磁钢4和位置传感器2组成舵机控制闭环系统，同时传感器安装支架3起到输出法兰1转动硬限位的作用。
谐波减速机构的柔轮8、钢轮10和凸轮16都采用特种工程塑料注塑成型，为保证塑料减速机的传递力矩和刚性，齿形采用C齿形设计。C齿形的齿高比渐开线齿形或圆弧齿形尺高高出30%；C齿形的谐波齿形啮合比例大于渐开线齿形或圆弧齿形啮合比例50%。进一步的， C齿形的齿顶圆弧半径小于渐开线齿形或圆弧齿形的齿顶圆弧半径，而齿根圆弧半径大于渐开线齿形或圆弧齿形的齿根圆弧半径。
钢轮10、电机固定滑块14、活动滑块15和凸轮16采用PPS+10%以上的碳纤维注塑成型；柔轮8采用POM或PA或PPS或PEEK等材料为基材添加碳纤维或PTFE或二硫化钼注塑成型；输出法兰1、传感器安装支架3、壳体7和电机固定座12采用PPS或PA或PC加入10%以上的碳纤维或玻璃限位注塑成型。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种搭载谐波减速机的直驱型舵机，包括驱动电机（13）和谐波减速机；其特征在于驱动电机（13）的输出轴上设置所述谐波减速机；驱动电机（13）的输出轴上固定电机固定滑块（14），凸轮（16）的外围和柔轮（8）之间设置柔性轴承（11），电机固定滑块（14）、活动滑块（15）、凸轮（16）和柔性轴承（11）组成十字滑块式波发生器；波发生器安装在柔轮（8）的倒扣盖式结构中；
柔轮（8）和输出法兰（1）刚性连接在一起，钢轮（10）和壳体（7）通过固定连接；输出法兰（1）和壳体（7）之间安装有支撑轴承（6），支撑轴承（6）位于柔轮（8）的上方；
输出法兰（1）中心上安装位置磁钢（4），在位置磁钢（4）上方对应处间隔设置位置传感器（2），位置磁钢（4）和位置传感器（2）组成舵机控制闭环系统。
2.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的直驱型舵机，其特征在于：电机固定滑块（14）的周向间隔凸起与环形活动滑块（15）的内壁径向滑槽配合，活动滑块（15）的外壁的周向凸起与外围凸轮（16）内壁的周向滑槽互相配合，两组滑槽呈十字形交叉布置。
3.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的直驱型舵机，其特征在于：电机固定座（12）包括底部的驱动电机容纳部及上部的平台（121），驱动电机（13）固定在驱动电机容纳部内，在平台（121）上设置有电机定位孔和固定孔固定电机；驱动电机（13）的输出轴穿过平台（121）的中心孔后固定电机固定滑块（14），活动滑块（15）嵌套在所述电机固定滑块（14）上并置于凸轮（16）的中空倒扣空间内，在凸轮（16）的外壁台阶上设置柔性轴承（11）。
4.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的直驱型舵机，其特征在于：输出法兰（1）具有顶部的法兰盘和通过边侧支撑间隔连接的轴；柔轮（8）的盖式底壳和输出法兰（1）的轴通过固定垫片（9）刚性连接在一起。
5.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的直驱型舵机，其特征在于：输出法兰（1）的轴中心顶部过盈安装位置磁钢（4），壳体（7）上通过传感器安装支架（3）在位置磁钢（4）上方悬空设置固定位置传感器（2）。
6.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的直驱型舵机，其特征在于：柔轮（8）的外齿圈和钢轮（10）的内齿圈齿形均采用C齿形。
7.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的直驱型舵机，其特征在于：凸轮（16）、柔轮（8）和钢轮（10）采用工程塑料注塑成型。
8.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的直驱型舵机，其特征在于：柔轮（8）采用POM或PA或PPS或PEEK材料的一种为基材添加碳纤维或PTFE或二硫化钼注塑成型。
9.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的直驱型舵机，其特征在于：钢轮（10）、电机固定滑块（14）、活动滑块（15）、凸轮（16）采用PPS+10%以上的碳纤维注塑成型。
10.根据权利要求1所述的搭载谐波减速机的直驱型舵机，其特征在于：输出法兰（1）、传感器安装支架（3）、壳体（7）和电机固定座（12）采用PPS或PA或PC加入10%以上的碳纤维或玻璃限位注塑成型。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2020
- 2020-03-16 CN CN202010179958.7A patent/CN113404835A/zh active Pending
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