变齿厚内齿轮包络外转子鼓形蜗杆传动研究

The development trend of the robot field is the modular mechanical structure, as the three-in-one intelligent joint is of the servo motor, reducer and detection system. Aiming at the problem of industrial robot joint deceleration device of various components, precision manufacturing difficulty and so on, this project proposes a novel worm drive with a few parts, high reliability, high precision, small volume, light weight, backlash can be adjustable and wear volume can be compensated. This novel worm drive is composed as a beveloid internal gear and a external-rotor crown worm, and it can be used in the intelligent joint of robot. The project intends to surround the bevoloid internal gear enveloping external-rotor crown drive, including that constructing the meshing transmission geometry theory, and grasping the mesh performance and parameter design methods, as well as exploring the methods of backlash adjustable and the theory of wear compensation. The key technology to solve the gear pair transmission surface precision machining problems will be solved, and grasping the external rotor drum worm permanent magnet motor design and manufacture of key technologies, as well as development of the prototype and obtain the relevant transmission precision, transmission efficiency and load capacity and other performance data based research. The research results can be used of practical application and industry popularization.

将关节模块中的伺服电机、减速机及检测系统三位一体进行机械结构模块化是机器人领域的发展趋势。针对工业机器人关节减速装置的零件繁多、精密制造难度大等问题，本项目提出一种零件少、高可靠性、高精度、体积小、重量轻、侧隙可调、磨损量可补偿的变齿厚内齿轮包络外转子鼓形蜗杆传动，并将电机与鼓形蜗杆结合形成外转子鼓形蜗杆永磁电机，形成一种集伺服电机、减速机及检测系统三位一体的用于工业机器人的智能关节。项目拟围绕变齿厚内齿轮包络外转子鼓形蜗杆传动装置，构建传动副啮合几何学理论，掌握传动副宏微观啮合性能及参数设计方法，探索传动副侧隙调整方法与磨损量补偿原理，解决传动副齿面高精加工关键技术难题，掌握外转子鼓形蜗杆永磁电机设计制造关键技术，研制样机并获取相关传动精度、传动效率及承载能力等基础性能数据，实现研究成果的实践应用和工业推广。

针对工业机器人关节减速装置的零件繁多、精密制造难度大等问题，本项目提出一种零件少、高可靠性、高精度、体积小、重量轻、侧隙可调、磨损量可补偿的变齿厚内齿轮包络外转子鼓形蜗杆传动装置，以推动机器人关节减速器的国产化。申请者依据空间啮合原理与微分几何学理论研究建立了变齿厚内齿轮包络外转子鼓形蜗杆传动（简称鼓形蜗杆传动）的齿面方程、润滑角方程、诱导法曲率方程、螺旋升角方程等，并利用Matlab、Creo软件获得了该鼓形蜗杆传动的3维仿真模型。申请者在分析几何尺寸参数对鼓形蜗杆传动啮合性能影响的基础上，构建了鼓形蜗杆传动的多目标非线性优化设计的数学模型。根据微分几何原理和齿轮啮合理论，采用零间隙法建立了蜗杆传动副包含误差的数学模型；依据弹性流体动压润滑理论，分析了主要几何参数对传动副润滑性能的影响规律。申请者通过Ansys对鼓形蜗杆传动副的3维模型进行应力分析、热分析和热力学分析等，研究不同工况下鼓形蜗杆传动副的受力情况。申请者根据鼓形蜗杆传动副的加工特点，分别采用5轴联动数控机床和虚拟中心距平面包络蜗杆数控磨床加工蜗杆齿面，后者实现了蜗杆齿面的磨削加工。申请者首先通过3d打印技术制造鼓形蜗杆和内齿轮，完成样机模型的安装并驱动其运转，验证该传动的可行性。申请者再使用磨削加工的鼓形蜗杆和线切割加工的内齿轮，设计并制造1套变齿厚内齿轮包络外转子鼓形蜗杆传动装置。申请者首次搭建了鼓形蜗杆传动装置的实验平台，对鼓形蜗杆传动装置的传动效率、噪音、润滑、摩擦磨损、失效形式等进行测试及研究。本项目的科学意义在于探讨了新的具有一种驱动、传动及支撑一体化结构的侧隙可调精密蜗杆传动装置的实现形式，为精密蜗杆传动的研究提供了新的解决方法和思路，同时本项目的研究在很多精密重载场合具有较好的应用前景。目前其相关研究成果已获得1本专著，5项国家发明专利授权，发表论文10篇，其中SCI收录4篇，EI收录2篇。