李德軍鐘利華肖禮亮劉慧蘭

（1.四川科技職工大學(xué)機(jī)電研究所，四川 成都 610101；2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

機(jī)器人3K行星機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)減速器設(shè)計(jì)

李德軍1鐘利華2肖禮亮2劉慧蘭2

（1.四川科技職工大學(xué)機(jī)電研究所，四川 成都 610101；2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

以3K行星齒輪機(jī)構(gòu)作為模型，考慮了各種約束和設(shè)計(jì)要求，分析對(duì)比多組方案，得到了一種大傳動(dòng)比、高效率、小體積的機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器的設(shè)計(jì)方案。

行星機(jī)構(gòu)；機(jī)器人；減速器

機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器是機(jī)器人技術(shù)當(dāng)中不可缺少的一個(gè)重要部分。目前機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器主要是諧波傳動(dòng)和RV傳動(dòng)。諧波傳動(dòng)裝置柔輪的彈性變形容易引起較大的回差，影響機(jī)器人的定位精度及動(dòng)態(tài)特性，從而其應(yīng)用受到限制；而RV減速器對(duì)材料要求、制造工藝和裝配工藝都有非常高的要求，目前國(guó)內(nèi)還處于開發(fā)階段。行星齒輪具有傳動(dòng)比大、效率高、體積小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)以及承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，并且其在高速、大功率場(chǎng)合和低速、大轉(zhuǎn)矩場(chǎng)合中均可運(yùn)用，如數(shù)控機(jī)床、攪拌機(jī)、采掘機(jī)械以及車輛工程等場(chǎng)合，但應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器的設(shè)計(jì)報(bào)道較少。本文將采用3K行星機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種大傳動(dòng)比、高效率、小體積的機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器方案。

1 3K行星機(jī)構(gòu)

1.1 機(jī)構(gòu)組成

3K行星機(jī)構(gòu)組成如圖1 所示，1為固定內(nèi)齒輪（齒數(shù)為Z1），2為輸出內(nèi)齒輪（齒數(shù)為Z2），3為行星輪與齒輪1嚙合端齒輪（齒數(shù)為Z3），4為行星輪與齒輪2嚙合端齒輪（齒數(shù)為Z4，輪3和輪4組成行星輪），5為太陽輪（齒數(shù)為Z5），6為行星架。工作時(shí)，齒輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪3自轉(zhuǎn)的同時(shí)還要繞著中心公轉(zhuǎn)，由于齒輪3和齒輪4是固定的，所以齒輪3和齒輪4的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，齒輪4再帶動(dòng)齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪2即為減速器輸出。

1.2 機(jī)構(gòu)約束條件

在進(jìn)行3K行星輪減速器的設(shè)計(jì)時(shí)，必須要滿足該機(jī)構(gòu)本身結(jié)構(gòu)的約束條件。

（1）同心條件

要使3K輪系能夠正常轉(zhuǎn)動(dòng)，它的三個(gè)基本構(gòu)件的回轉(zhuǎn)軸線必須在同一條直線上，即

（2）安裝條件

在3K型傳動(dòng)中，為了計(jì)算和安裝的方便，通常取所有的中心輪的齒數(shù)均為行星輪個(gè)數(shù)np的倍數(shù)，即

式中C表示整數(shù)

（3）鄰接條件

為了保證減速器中各行星輪在相互運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候不產(chǎn)生碰撞，必須使得相鄰兩行星輪的中心距大于兩輪齒頂圓半徑之和，實(shí)際應(yīng)用中其差值一般要大于齒示。AT89S51的P1.3輸出的低電平信號(hào)送到T2的基極，控制T2驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光、蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。AT89S51的P1.4輸出的低電平信號(hào)送到T3基極，控制T3驅(qū)動(dòng)電磁繼電器閉合，使汽車轉(zhuǎn)向燈閃爍并報(bào)警。

圖5 直流穩(wěn)壓電源電路

顯示電路主要由4位數(shù)碼管和8個(gè)100歐的排電阻組成。酒精濃度信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理后，從單片機(jī)P0口輸出到數(shù)碼管，顯示駕駛者血液中的酒精含量。顯示電路采用動(dòng)態(tài)顯示方式，數(shù)碼管的點(diǎn)亮或熄滅由P2.4 ～ P2.7引腳的輸出信號(hào)控制。P2.4～ P2.7循環(huán)輸出低電平，使4個(gè)數(shù)碼管輪流點(diǎn)亮。

2.5 點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào)控制電路

點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào)控制電路主要由三極管T4、電磁繼電器J1（常閉型）及電阻等組成，如圖4中所示。單片機(jī)的P1.5引腳輸出低電平信號(hào)到T1基極，控制T1驅(qū)動(dòng)電磁繼電器J1斷開，汽車點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào)無法送達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，發(fā)動(dòng)機(jī)無法點(diǎn)火啟動(dòng)。

2.6 直流電源電路

直流電源電路主要由LM7805、濾波電容（C6、C8）、高頻信號(hào)旁路電容（C7、C9）組成，如圖5所示。該電路將12V車載蓄電池電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V直流電壓，為酒駕測(cè)量與斷電保護(hù)控制電路的各部分電路提供5V直流電壓。

3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的控制程序采用C語言進(jìn)行編寫，主要包括系統(tǒng)初始化程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存程序、數(shù)據(jù)處理程序、顯示程序、報(bào)警與點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào)控制程序。系統(tǒng)控制程序的工作過程如下：系統(tǒng)上電后，單片機(jī)系統(tǒng)開始初始化；經(jīng)5分鐘延時(shí)；按下接在P1.6腳與地線之間的呼氣按鈕，啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行酒精濃度數(shù)據(jù)儲(chǔ)存；轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)行酒精濃度數(shù)據(jù)處理；顯示酒精濃度值；判斷酒精濃度是否超標(biāo)，若酒精濃度不超標(biāo)，則使點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào)線路接通，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常啟動(dòng)；若酒精濃度超標(biāo)，則使點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào)線路維持?jǐn)嚅_狀態(tài)，并發(fā)出聲光報(bào)警、轉(zhuǎn)向燈閃爍。

結(jié)語

目前，汽車防酒駕控制系統(tǒng)的硬件電路和控制程序運(yùn)行正常，并且測(cè)量誤差符合預(yù)定要求（對(duì)20mg/100mL、80mg/100mL的酒精濃度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量誤差不大于0.5%）。經(jīng)過對(duì)0～200 mg/100mL多個(gè)酒精濃度的樣品進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，汽車防酒駕控制系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的酒精濃度測(cè)量?jī)x器測(cè)量結(jié)果的最大偏差在0.1mg/100mL之內(nèi)。造成這種偏差的原因可能為：酒精傳感器的酒精濃度-響應(yīng)電流特性曲線是近似線性關(guān)系，而實(shí)際進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)是按線性關(guān)系進(jìn)行處理的；汽車防酒駕控制系統(tǒng)采用的顯示形式是小數(shù)點(diǎn)后僅顯示1位數(shù)字，精度不夠等。

[1]萬隆.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2]張靜霞.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)（C語言版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3]趙全利，張之楓.單片機(jī)原理及應(yīng)用（C51版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4]張文灼.單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[5]高惠芳.單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

輪模數(shù)m的0.5倍，即

式中a35為齒輪3、5嚙合副的實(shí)際中心距；d35為行星輪3齒頂圓直徑。

2 設(shè)計(jì)約束條件

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，除了要滿足機(jī)構(gòu)本身的裝配條件之外，還要滿足工作要求條件、齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)條件以及齒輪機(jī)構(gòu)的承載能力等其他一些約束條件。

（1）齒數(shù)條件

為了避免太陽輪加工時(shí)產(chǎn)生根切現(xiàn)象，其齒數(shù)最小值應(yīng)該不小于17，即

Z5≥17

（2）標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)條件

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般動(dòng)力傳動(dòng)中模數(shù)應(yīng)該在2到50之間，且取標(biāo)準(zhǔn)值，即

2≤m≤50

（3）齒寬條件

齒輪寬度系數(shù)的范圍為

0.3≤ψd≤0.6

（4）傳動(dòng)比計(jì)算條件

3K行星輪減速器傳動(dòng)比為

（5）傳動(dòng)比誤差條件

式中i′為設(shè)計(jì)中給定傳動(dòng)比，△i為傳動(dòng)比偏差系數(shù)。

（6）效率條件

3K行星輪減速器傳動(dòng)效率η為

式中ψ為減速器齒輪1-3嚙合、2-4嚙合的損失系數(shù)之和，其他參數(shù)同上。

（7）齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件

滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求：

齒面接觸應(yīng)力：

許用接觸應(yīng)力：σHP

應(yīng)滿足條件：σH≤σHP

式中：

KA為使用系數(shù)；

KV為動(dòng)載荷系數(shù)；

KHβ為計(jì)算接觸強(qiáng)度的齒向載荷分布系數(shù)；

KHα為計(jì)算接觸強(qiáng)度的齒間載荷分配系數(shù)；

ZH為節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)；

ZE為彈性系數(shù)；

Zε為重合度系數(shù)；

Zβ為螺旋角系數(shù)；

Ft為端面內(nèi)分度圓上的名義切向力；

b為工作齒寬；

u為齒數(shù)比。

式中“+”號(hào)用于外嚙合，“-”號(hào)用于內(nèi)嚙合。

下文將對(duì)太陽輪5進(jìn)行齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核。

（8）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件

滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度要求：

齒根彎曲應(yīng)力：

許用彎曲應(yīng)力：σFP

應(yīng)滿足條件：σF≤σFP

式中：

KFβ為計(jì)算彎曲強(qiáng)度的齒向載荷分布系數(shù)；

KFα為齒間載荷分布系數(shù)；

YFα為齒形系數(shù)；

YSα為應(yīng)力修正系數(shù)；

Yε為重合度系數(shù)；

Yβ為螺旋角系數(shù)；其他參數(shù)意義同前。

下文將對(duì)齒輪2進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核。

3 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器，要求：使用標(biāo)準(zhǔn)齒輪，輸入功率P1= 4.5kW，輸入轉(zhuǎn)速n1=1500r/min，傳動(dòng)比i=310，允許的傳動(dòng)比偏差為△i=0.04，短期間斷的工作方式，每天工作16h，使用壽命8年，且要求其傳動(dòng)效率η盡可能大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小。齒輪材料選擇20CrMnTi，滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，據(jù)參考文獻(xiàn)[7]，可取σHlim=1400N/mm2，σFlim=450N/mm2。

行星齒輪傳動(dòng)的體積基本上決定了產(chǎn)品消耗材料的數(shù)量、制造的成本以及空間布置的難易程度，是一項(xiàng)非常重要的綜合性目標(biāo)，而3K類行星減速器的體積主要是內(nèi)齒輪1和內(nèi)齒輪2的體積之和，因此選擇內(nèi)齒輪1和2的體積之和作為體積計(jì)算簡(jiǎn)化式，即

圖 1

表1

從大量初始方案中選取符合條件的最優(yōu)幾組方案，見表1。

分析表1可知，三種方案的效率非常接近，在傳動(dòng)比和強(qiáng)度等約束均滿足的條件下，方案3的體積最小，因此方案3是最好的方案。

結(jié)語

本文通過對(duì)3K行星機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理以及各種約束條件的分析，結(jié)合實(shí)際機(jī)器人減速器的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出了一種可行的大傳動(dòng)比、高效率、小體積的機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器的設(shè)計(jì)方案，具有一定的參考與應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]吳素珍，陳丹.機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)用精密減速器研究進(jìn)展[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，42（06）：58-63.

[2]雷祥元.數(shù)控機(jī)床主軸行星輪變速裝置[J].機(jī)械工程師，2013（08）：212-213.

[3]張巍.水泥攪拌車二級(jí)行星減速器的設(shè)計(jì)及其仿真研究[D].武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

[4]彭智娟，殷永貴.煤礦輸送機(jī)NGW行星齒輪傳動(dòng)行星輪軸承優(yōu)化研究[J].煤礦機(jī)械，2013，34（10）：81-83.

[5]步曦，杜愛民，薛鋒.混合動(dòng)力汽車用行星齒輪機(jī)構(gòu)的理論研究與仿真分析[J].汽車工程，2006，28（09）.

[6]漸開線齒輪行星傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與制造編委會(huì).漸開線齒輪行星傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與制造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[7]張展，邵鈺鈁，曾建峰.齒輪常用材料與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[8]邱宣懷，等.機(jī)械設(shè)計(jì)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1997.

[9]孫桓，陳作模，葛文杰，等.機(jī)械原理第七版[M].北京：高等教育出版社，2006.

TH132.46

A