高雷

廣東博智林機器人有限公司 廣東佛山 528312

在工業(yè)4.0發(fā)展的過程中，高端制造業(yè)和工業(yè)智能化是非常重要的發(fā)展方向，機器人在工業(yè)4.0發(fā)展中起著關(guān)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(yōu)缺點，為促進機器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)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(xù)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(guān)節(jié)使用的減速器精度有很高的要求，其中傳動誤差、空程、扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)剛度等優(yōu)點，是在精密傳動中應用最廣泛的一種傳動方式?；跀[線傳動原理開發(fā)的精密傳動減速器有RV減速器、FA減速器等。而機器人關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)中應用最廣泛的減速器[1]。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

圖1所示為精密行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)及外形圖，由圖1可見，該產(chǎn)品主要由行星輪、太陽輪和內(nèi)齒圈等組成。由于其結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(shù)等理論研究成果，精密行星齒輪減速器加工工藝優(yōu)化重點是要解決齒輪加工工藝、行星架加工工藝、內(nèi)齒圈加工工藝、裝配及檢測工藝，引進、研發(fā)或委托定制專用關(guān)鍵加工、裝配、檢測工藝設備等。此外，需要改造傳統(tǒng)的加工工藝環(huán)境，研發(fā)系列專用刀具，進行工藝創(chuàng)新和管理創(chuàng)新，通過引進技術(shù)并消化、吸收、再創(chuàng)新，實現(xiàn)引進設備和國產(chǎn)設備有機融合，提高生產(chǎn)線的工作效率[2]。

2.2 齒輪加工工藝

在精車工序?qū)鹘y(tǒng)的普通精密車床升級為數(shù)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(shù)，自主研發(fā)齒輪干切新工藝，重點結(jié)合圖內(nèi)齒輪材料、熱處理工藝，使國內(nèi)外設備融合，在保證質(zhì)量前提下，提高性價比，優(yōu)化了工藝參數(shù)。針對工藝要求，自主研發(fā)了專用高速數(shù)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(chǎn)生油霧污染環(huán)境，不僅節(jié)省了資源，而且提高了環(huán)保水平，取得了較好的經(jīng)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(guān)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(jié)構(gòu)的緊湊性，并應留有足夠的間隙，以避免出現(xiàn)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(shù)控加工制造。結(jié)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(xiàn)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(jīng)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)換的可行性以及移動平臺在樓梯上的連續(xù)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?？勺枣i變形輪主要采用鋁材CNC加工，部分受力較小的結(jié)構(gòu)件采用光敏樹脂的SLA技術(shù)制造，以減輕移動平臺的總質(zhì)量。變形輪每個外輪緣兩端均設計有斜面，在輪式結(jié)構(gòu)模式下，三段外輪緣兩兩搭接，實現(xiàn)相對定位，并通過絲桿機構(gòu)自鎖，實現(xiàn)輪式結(jié)構(gòu)的形狀保持。當移動機構(gòu)快速移動時，變形輪始終保持輪式結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

該移動機器人的機械系統(tǒng)主要由傳動系統(tǒng)和輪足復合移動系統(tǒng)兩部分組成。傳動系統(tǒng)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(xiàn)了狹小空間內(nèi)的轉(zhuǎn)矩傳遞。輪足復合移動系統(tǒng)采用可自鎖變形輪的設計，移動機器人在不同的地形環(huán)境中均具有較強的越障能力和環(huán)境適應能力[3]。