專利名稱：智能濾波驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機械工程中的機電傳動領域，特別涉及一種可避免發(fā)生“卡澀”甚至 “卡死”等問題并能通過外接設備，實時檢測裝置運行狀態(tài)的智能濾波驅動裝置。
背景技術：
隨著機器人、航空、航天、國防武器裝備等工程領域事業(yè)的迅速發(fā)展，對其傳動件 及系統(tǒng)的傳動精度、可靠性、小體積、輕量化、免維護等性能提出了新的要求。長期以來， 機械設備中驅動電機和減速器都是分開設計，這樣不可避免的需要考慮它們之間的聯接設 計，使用鍵、聯軸器等聯接裝置，從而使結構變得復雜，零件數量種類增多，系統(tǒng)可靠性降 低，體積重量增大，并造成軸系對中誤差，導致傳動機構出現磨損，機構運轉容易存在卡澀。 另一方面，電機作為傳動系統(tǒng)的動力源，產生的機械能的形態(tài)發(fā)生相應的改變，由輸入端的 高轉速、小轉矩轉變?yōu)檩敵龆说拇筠D矩、低轉速，不可避免地導致傳動系統(tǒng)的轉矩產生波 動；各零件自身的制造及裝配誤差；輪齒嚙合時的嚙入、嚙出沖擊；及運行過程中零部件的 損耗這些因素都將加大傳動機構運行過程中的振動、噪聲影響齒輪壽命，特別是在高低溫 交變、振動沖擊等極端工況與特殊環(huán)境下，由于齒輪材料的熱變形及與外界環(huán)境產生耦合 振動將導致齒廓干涉從而加劇齒面磨損及疲勞，甚至是齒與齒之間的“卡澀”甚至“卡死”現 象，嚴重影響齒輪傳動的可靠性。另外在一些特殊工程領域如航空、航天、國防武器裝備，在滿足其功能要求的前提 下還對其可靠性提出了嚴格要求，要求其零部件實現信息化、智能化，能實時在線監(jiān)測各零 部件的運行狀態(tài)，并對裝置的失效作出預估和預判以保證裝備的可靠性及人民生命財產安全。
發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種智能濾波驅動裝置，通過使減速器組件與伺 服電機、傳感器集成，有效簡化了結構，提高了系統(tǒng)精度及可靠性，可有效防止極端工況與 特殊環(huán)境的影響而產生的非線性耦合振動，避免發(fā)生“卡澀”甚至“卡死”等問題，保證傳動 件在所設計的傳動精度和承載能力范圍內，控制電機因高速小轉矩轉換為低速大轉矩所產 生的波動。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現的
所述智能濾波驅動裝置包括濾波減速器組件和伺服電機，所述濾波減速器組件包括動 力輸入偏心軸、分體式雙聯外齒輪、固定內齒輪和動力輸出內齒輪；
所述伺服電機包括定子、轉子和電機轉軸，所述伺服電機的電機轉軸與動力輸入偏心 軸制成一體，所述電機轉子設置在動力輸入偏心軸上，所述電機定子配置在固定內齒輪上， 所述固定內齒輪與外齒輪I少齒差嚙合；
所述分體式雙聯外齒輪包括配合設置的外齒輪I、外齒輪II和彈性體，所述外齒輪II 和外齒輪I并列設置，所述分體式雙聯外齒輪通過軸承I設置在動力輸入偏心軸相對電機
4轉軸偏心的軸段上，所述外齒輪I和外齒輪II通過花鍵在圓周方向配合傳遞運動和力矩， 所述外齒輪I的花鍵與外齒輪II的花鍵之間在位于鍵齒的兩側設置有配合間隙，所述配合 間隙內緊密填充有彈性體；
所述動力輸出內齒輪通過軸承II設置在動力輸入偏心軸與電機轉軸同軸心的軸段 上，所述動力輸入偏心軸的另一端作為輸入端，所述外齒輪II與動力輸出內齒輪少齒差嚙
I=I O進一步，所述外齒輪I和外齒輪II均為半軸齒輪，外齒輪I的半軸形成內花鍵軸 套，外齒輪II的半軸形成外花鍵軸套，所述外齒輪I和外齒輪II通過花鍵配合組成分體 式花鍵半軸雙聯齒輪，所述彈性體填充在花鍵配合間隙內將外齒輪I和外齒輪II連接成一 體；
進一步，所述彈性體為滿足齒輪傳動精度要求條件下，承受載荷后能產生適當彈性變 形的軟金屬涂層或者橡膠合金；
進一步，所述外齒輪I、外齒輪II、固定內齒輪和動力輸出內齒輪均為變齒厚齒輪，所 述外齒輪I和外齒輪II的輪齒齒厚沿外齒輪I和外齒輪II相互背離的方向逐漸變小，而固 定內齒輪和動力輸出內齒輪的齒厚沿該方向逐漸變大；
進一步，所述外齒輪I和外齒輪II之間設置有壓縮彈簧，所述壓縮彈簧套在內花鍵軸 套外圓，一端頂在外齒輪I端面，另一端頂在外齒輪II端面。進一步，所述智能濾波驅動裝置還包括加速度傳感器、速度傳感器和溫度傳感器， 所述固定內齒輪與驅動裝置殼體一體化設計，所述伺服電機、加速度傳感器、速度傳感器和 溫度傳感器均設置在殼體內，所述各傳感器將采集到的信號通過電路處理后輸出至外部計 算機。進一步，所述伺服電機的轉軸兩端分別由輸入端端蓋內的支承軸承與動力輸出內 齒輪內側端面內的軸承進行支承；
進一步，所述加速度傳感器的數量為兩個，兩個加速度傳感器位于固定內齒輪靠近齒 根附近處，且兩傳感器所處位置間夾角為90度；所述速度傳感器與溫度傳感器的數量均為 一個；其中溫度傳感器與兩個加速度傳感器位于同一安裝端面上，所述速度傳感器安裝在 伺服電機的轉子端面附近，所述溫度傳感器與加速度傳感器的軸線均垂直指向固定內齒輪 的軸線。進一步，所述固定內齒輪的殼體外圓上表面開有半圓環(huán)槽用于布置加速度傳感器 與溫度傳感器的電信號輸出線，所述各傳感器的輸出線分別與安裝在殼體內的電路板上的 放大器的輸入端相連，所述電路板上設置有加速度信號放大電路、溫度信號放大電路與速 度信號放大電路，所述電路板將接入的各信號放大處理后再將其傳至計算機進行后續(xù)處理。本發(fā)明的有益效果是
1.本發(fā)明的智能濾波驅動裝置，采用減速器與伺服電機集成設計，去除了中間鍵、聯軸 器等多余的聯接，減少了安裝定位次數提高了傳動精度，同時縮小了裝置的體積和重量；
2.本發(fā)明的智能濾波驅動裝置在設計的傳動精度范圍內通過彈性體的可控彈性變形 量，增加嚙合齒對從而提高承載能力，并為傳動件提供了一個緩沖和容差的單元，過濾掉由 電機產生的機械能形態(tài)改變、制造裝配誤差、嚙合沖擊、帶來的振動、噪聲，特別是在特殊與極端環(huán)境下(如高低溫循環(huán)交變)工作的齒輪，通過溫度、壓力引起的彈性體變形及回復 使齒輪具有自適應和實時調整的功能，避免齒輪材料因溫度變化而產生的變形導致齒廓干 涉，齒面磨損、疲勞，甚至是整個傳動裝置的“卡澀”、“卡死”等問題，并且過濾掉力矩與轉 速傳遞中產生的波動，達到“濾波”效果；
3.本發(fā)明的智能濾波驅動裝置將加速度傳感器、速度傳感器、溫度傳感器集成于減速 器內，近距離較真實地檢測減速器的振動、轉速和溫度，能實時檢測裝置運行狀態(tài)提取故障 信號，并對驅動裝置的失效作出預估和預判，因此智能濾波驅動機構特別適合應用于機器 人、航空、航天、國防武器裝備等對驅動機構性能要求嚴格的工程領域。本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并 且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書和權利要 求書來實現和獲得。
為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進 一步的詳細描述，其中
圖1為本發(fā)明的智能濾波驅動裝置的結構示意圖； 圖2為圖1沿A-A向的剖面示意圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。應當理解，優(yōu)選實施例 僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。圖1中的各附圖標記代表的部件含義如下1 一動力輸入偏心軸；2—支承軸承； 3—轉子；4一定子；5—緊定螺釘；6—端蓋；7—速度傳感器；8—軸承III ；9一固定內齒 輪；10 —電路板；11 一軸臺；12、12a—加速度傳感器；13—外齒輪I ；14一軸承擋圈；15—十 字交叉軸承；16—壓縮彈簧；17—外齒輪II ；18—彈性體；19一軸承I ；20—動力輸出內齒 輪；21—擋圈；22—軸承II ； 23—溫度傳感器。如圖1所示，該智能濾波驅動裝置包括濾波減速器組件和伺服電機；濾波減速器 組件包括動力輸入偏心軸1、分體式雙聯外齒輪、固定內齒輪9、動力輸出內齒輪20和支撐 軸承；伺服電機包括定子4、轉子3和電機轉軸，伺服電機的電機轉軸與動力輸入偏心軸1 制成一體；伺服電機與動力輸出內齒輪20分別處于分體式雙聯外齒輪的兩側，伺服電機的 外側設置有固定內齒輪9，固定內齒輪9與外齒輪I 13少齒差嚙合。本實施例中，伺服電機 的轉軸兩端分別由輸入端端蓋內的支承軸承2與動力輸出內齒輪20內側端面內的軸承II 22進行支承，伺服電機的轉軸中段通過軸承III 8進行支撐。分體式雙聯外齒輪包括配合設置的外齒輪I 13和外齒輪II 17，所述外齒輪I和外 齒輪II并列設置，所述雙聯齒輪通過軸承I設置在動力輸入偏心軸相對電機轉軸偏心的軸 段上，外齒輪I 13和外齒輪II 17通過花鍵在圓周方向配合傳遞運動和力矩，外齒輪I 13 的花鍵與外齒輪II 17的花鍵之間在位于鍵齒的兩側設置有配合間隙，配合間隙內緊密填 充有彈性體18;動力輸出內齒輪20通過軸承II 22以與軸承I 19同軸的方式，設置在動力輸入偏心 軸1相對電機轉軸同軸心的軸段上，動力輸入偏心軸1的另一端作為輸入端，外齒輪II 17 與動力輸出內齒輪20少齒差嚙合。從圖中可以看出，本實施例中，所述伺服電機4與動力輸出內齒輪4分別處于分體 式雙聯外齒輪20的兩側。作為進一步的改進，外齒輪I 13和外齒輪II 17均為半軸齒輪，外齒輪I的半軸形 成內花鍵軸套，外齒輪II的半軸形成外花鍵軸套，所述外齒輪I和外齒輪II通過花鍵配合 組成分體式花鍵半軸雙聯齒輪，所述彈性體18填充在花鍵配合間隙內將外齒輪I和外齒 輪II連接成一體；
作為進一步的改進，所述外齒輪I 13、外齒輪II 17、固定內齒輪9和動力輸出內齒輪 20均為變齒厚齒輪，所述外齒輪I 13和外齒輪II 17的輪齒的齒厚沿外齒輪I 13和外齒 輪II 17相互背離的方向逐漸變小，為與外齒輪I 13和外齒輪II 17相配合，固定內齒輪9 和動力輸出內齒輪20的齒厚變化與對應的外齒輪相反。外齒輪I和外齒輪II之間設置有壓縮彈簧16，壓縮彈簧16套在內花鍵軸套外圓， 一端頂在外齒輪I端面，另一端頂在外齒輪II端面。作為進一步的改進，該智能濾波驅動裝置還包括加速度傳感器12、速度傳感器7 和溫度傳感器23，固定內齒輪9的外部設置有殼體，伺服電機、加速度傳感器12、速度傳感 器7和溫度傳感器23均設置在殼體內，各傳感器將采集到的信號通過電路處理后輸出至外 部計算機。如圖2所示，本實施例中，加速度傳感器的數量為兩個分別是圖2中的12、12a，兩 個加速度傳感器位于固定內齒輪9靠近齒根附近處，且兩傳感器所處位置間夾角為90度， 分別測量兩個方向上的振動情況；速度傳感器7與溫度傳感器23的數量均為一個；其中溫 度傳感器7與兩個加速度傳感器位于同一安裝端面上，速度傳感器7安裝在伺服電機的轉 子端面附近(靠近中間支承軸承8的位置)，溫度傳感器23與加速度傳感器的軸線均垂直指 向固定內齒輪9的軸線。固定內齒輪9的殼體外圓上表面開有半圓環(huán)槽用于布置加速度傳感器與溫度傳 感器23的電信號輸出線，各傳感器的輸出線分別與安裝在殼體內的電路板10上的放大器 的輸入端相連，電路板10上設置有加速度信號放大電路、溫度信號放大電路與速度信號放 大電路，電路板將接入的各信號放大處理后再將其傳至計算機進行后續(xù)處理。驅動裝置的失效一般是從摩擦副的潤滑失效開始的，其表現形式主要有振動、噪 聲加大，溫度、摩擦力矩上升，在齒根部位安裝加速度、速度、溫度傳感器，能近距離較真實 地檢測電機、減速器的運行及振動、溫度情況，恒載運行時檢測電機的電流、電壓波動則能 反應驅動裝置的摩擦力矩情況，因此整個驅動裝置的運行狀態(tài)都能得到實時監(jiān)測，并能通 過對數據信息的處理提取故障信號以對驅動裝置的失效作出預估和預判，實現驅動裝置的 信息化、智能化。本發(fā)明中，彈性體18為滿足齒輪傳動精度要求條件下，承受載荷后能產生適當彈 性變形的軟金屬涂層或者橡膠合金。若彈性體為橡膠合金，則在輪齒本體內花鍵或輪轂外花鍵表面涂覆特種膠與橡膠 合金緊密粘為一個整體，形成橡膠合金層。
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經多次試驗，如果采用橡膠合金作為彈性體，則形成的橡膠合金層由以下重量份 的材料混合硫化而成丁晴橡膠40 100、氧化鋅3 8、硫磺1 3、促進劑1 3、防老劑 1 3、脂肪酸1 3、半補強碳黑60 80和填充劑20 60。作為其中的一種優(yōu)選所述 促進劑為次磺酰胺類促進劑，防老劑為二丁基二硫代氨基甲酸鎳，脂肪酸為C16或C18飽和 脂肪酸，填充劑為二硫化鉬、聚四氟乙烯、石墨、玻璃纖維或碳纖維；本實施例中橡膠合金層 材料按重量份包括下列組分丁晴橡膠40，氧化鋅3，硫磺1，N-環(huán)已基-2-苯駢噻唑次磺酰 胺1，二丁基二硫代氨基甲酸鎳1，C16飽和脂肪酸1，半補強碳黑60，二硫化鉬20。本實施例中所述分體式雙聯外齒輪(13、17、18)安裝在動力輸入偏心軸上1 ；電機 轉子3帶動動力輸入偏心軸1繞軸線0旋轉作為驅動裝置的輸入動力源，動力輸入偏心軸 1的偏心使得通過滾動軸承19安裝在其上的分體式雙聯齒輪(13、17、18)既繞軸線0作公 轉運動，又繞軸線01作自轉運動，并通過兩對齒的嚙合帶動輸出齒輪20繞軸線0旋轉輸出 運動并達到減速目的。驅動機構運行過程中影響其性能的制造裝配誤差主要包括齒輪的齒 廓齒距偏差、形狀位置偏差(如徑向跳動、齒圈徑向跳動)及兩齒輪間中心距和軸線平行度 的偏差。這些因素都會影響傳動的平穩(wěn)性，從而產生振動、噪聲。彈性體18通過往復的彈 性變形可以吸收能量從而減小振動、噪聲，同時可以容許兩齒輪軸線之間平行度存在一定 偏差起到彈性聯軸器的作用。一對齒輪副之間的回差是影響齒輪傳動精度的重要指標，回 差的大小主要由兩個齒輪的齒距偏差及中心距0-01決定，對于圖中所示的內嚙合齒輪副， 適當地增加中心距0-01貼緊輪齒的齒面能減小回差提高傳動精度，并增加嚙合齒對提高 承載能力。但是回差過小時，齒廓及徑向偏差較大處的嚙合就容易產生齒廓干涉從而加劇 齒面磨損與疲勞，特殊與極端環(huán)境(如高低溫交變)引起的齒輪變形也會出現類似問題。填 滿彈性體18后，可以適當的增加中心距0-01以減小回差，在誤差較大有可能發(fā)生齒廓干涉 的部位，彈性體18發(fā)生適當的壓縮變形使兩齒輪的中心距減小以增加齒側間隙使嚙合順 利過渡。同理在高低溫交變情況下，若溫度升高齒輪體積膨脹，在齒廓產生干涉部位彈性體 18的壓縮變形兩齒輪的中心距減小適當增加了輪齒之間的側隙，以避免“卡澀”或者“卡死” 現象。當溫度降低后彈性體18壓縮變形釋放，使兩齒輪的中心距增加以減小回差保證傳動 精度，從而使整個驅動裝置具有自適應和實時調整的功能。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明 的權利要求范圍當中。
權利要求
1.智能濾波驅動裝置，其特征在于所述智能濾波驅動裝置包括濾波減速器組件和 伺服電機，所述濾波減速器組件包括動力輸入偏心軸(1)、分體式雙聯外齒輪、固定內齒輪 (9)和動力輸出內齒輪(20)；所述伺服電機包括定子(4)、轉子(3)和電機轉軸，所述伺服電機的電機轉軸與動力輸 入偏心軸(1)制成一體，所述電機轉子(3)設置在動力輸入偏心軸(1)上，所述電機定子配 置在固定內齒輪(9)上，所述固定內齒輪(9)與外齒輪I (13)少齒差嚙合；所述分體式雙聯外齒輪包括配合設置的外齒輪I (13)、外齒輪II (17)和彈性體(18)， 所述外齒輪II (17)和外齒輪I (13)并列設置，所述分體式雙聯外齒輪通過軸承I (19)設 置在動力輸入偏心軸(1)相對電機轉軸偏心的軸段上，所述外齒輪I (13)和外齒輪II (17) 通過花鍵在圓周方向配合傳遞運動和力矩，所述外齒輪I (13)的花鍵與外齒輪II (17)的 花鍵之間在位于鍵齒的兩側設置有配合間隙，所述配合間隙內緊密填充有彈性體(18)；所述動力輸出內齒輪(20)通過軸承II (22)設置在動力輸入偏心軸(1)與電機轉軸同 軸心的軸段上，所述動力輸入偏心軸(1)的另一端作為輸入端，所述外齒輪II (17)與動力 輸出內齒輪(20)少齒差嚙合。
2.根據權利要求1所述的智能濾波驅動裝置，其特征在于所述伺服電機的電機轉軸 兩端分別由輸入端端蓋內的支承軸承(2)與動力輸出內齒輪內側端面內的軸承II (22)進 行支承。。
3.根據權利要求1所述的智能濾波驅動裝置，其特征在于所述外齒輪I(13)和外齒 輪II (17)均為半軸齒輪，所述外齒輪I (13)的半軸形成內花鍵軸套，外齒輪II (17)的半軸 形成外花鍵軸套，外齒輪1(13)和外齒輪II (17)通過彈性體(18)連接成分體式雙聯外齒 輪即濾波齒輪。
4.根據權利要求3所述的智能濾波驅動裝置，其特征在于所述彈性體(18)為滿足齒 輪傳動精度要求條件下，承受載荷后能產生適當彈性變形的軟金屬涂層或者橡膠合金。
5.根據權利要求3所述的智能濾波驅動裝置，其特征在于所述外齒輪I(13)、外齒輪 II (17)、固定內齒輪(9)和動力輸出內齒輪(20)均為變齒厚齒輪，所述外齒輪I和外齒輪 II的輪齒齒厚沿外齒輪I (13)和外齒輪II (17)相互背離的方向逐漸變小，而固定內齒輪 (9)和動力輸出內齒輪(20)的齒厚沿該方向逐漸變大。
6.根據權利要求3所述的智能濾波驅動裝置，其特征在于所述外齒輪I和外齒輪II 之間設置有壓縮彈簧(16)，所述壓縮彈簧(16)套在內花鍵軸套外圓，一端頂在外齒輪I (13)端面，另一端頂在外齒輪II (17)端面。
7.根據權利要求1所述的智能濾波驅動裝置，其特征在于所述智能濾波驅動裝置還 包括加速度傳感器、速度傳感器(7)和溫度傳感器(23)，所述固定內齒輪(9)與驅動裝置的 殼體一體化設計，所述伺服電機、加速度傳感器、速度傳感器(7)和溫度傳感器(23)均設置 在殼體內，所述各傳感器將采集到的信號通過電路處理后輸出至外部計算機。
8.根據權利要求7所述的智能濾波驅動裝置，其特征在于所述加速度傳感器(12、 12a)的數量為兩個，兩個加速度傳感器位于固定內齒輪(9)靠近齒根附近處，且兩傳感器所 處位置間的夾角為90度；所述速度傳感器(7)與溫度傳感器(23)的數量均為一個；其中溫 度傳感器(7)與兩個加速度傳感器位于同一安裝端面上，所述速度傳感器(7)安裝在伺服 電機的轉子端面附近，所述溫度傳感器(23)與加速度傳感器的軸線均垂直指向固定內齒輪(9)的軸線。
9.根據權利要求8所述的智能濾波驅動裝置，其特征在于所述固定內齒輪(9)的殼體 外圓上表面開有半圓環(huán)槽用于布置加速度傳感器與溫度傳感器(23 )的電信號輸出線，所述 各傳感器的輸出線分別與安裝在殼體內的電路板上的放大器的輸入端相連，所述電路板上 設置有加速度信號放大電路、溫度信號放大電路與速度信號放大電路，所述電路板將接入 的各信號放大處理后再將其傳至計算機進行后續(xù)處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種智能濾波驅動裝置，所述智能濾波驅動裝置包括濾波減速器組件、伺服電機及加速度、速度、溫度傳感器，本發(fā)明將濾波減速器組件與伺服電機、傳感器集成一體，有效簡化了結構，減小了裝置的體積和質量并提高了系統(tǒng)精度，其中濾波齒輪通過可控界面彈性變形，可有效防止極端工況與特殊環(huán)境的影響而產生的非線性耦合振動，避免發(fā)生“卡澀”甚至“卡死”等可靠性問題，保證傳動件在所設計的傳動精度和承載能力范圍內工作，控制電機因高速小轉矩轉換為低速大轉矩所產生的波動，減少振動噪聲、疲勞磨損。傳感器與驅動部分集成，能實時檢測裝置運行狀態(tài)提取故障信號并對其失效做出預估和預判，以保證裝置的可靠性。
文檔編號H02K7/10GK102136777SQ20111005460
公開日2011年7月27日 申請日期2011年3月8日 優(yōu)先權日2011年3月8日
發(fā)明者劉強, 周廣武, 李俊陽, 王家序, 秦毅, 肖科 申請人:重慶大學