线齿轮减速器的轮足复合移动机器人设计和加工

高雷

广东博智林机器人有限公司 广东佛山 528312

在工业4.0发展的过程中，高端制造业和工业智能化是非常重要的发展方向，机器人在工业4.0发展中起着关键的作用。目前，机器人核心零部件中的减速器大部分采用RV减速器和谐波减速器，这2种减速器有各自的优缺点，为促进机器人的产业发展，迫切需要研制新型的精密减速器。对于精密机器人来说，无论是连续行程的机器人（喷漆和焊接机器人），还是拾取/放置机器人（工件传递和机床上下料），在多次完成相同重复工作时，为保证其每次都精确达到相同的位置，对其关节使用的减速器精度有很高的要求，其中传动误差、空程、扭转刚度和抵抗冲击的能力尤其重要。摆线针轮传动具有小体积、高传动精度、大传动比、大承载能力、高扭转刚度等优点，是在精密传动中应用最广泛的一种传动方式。基于摆线传动原理开发的精密传动减速器有RV减速器、FA减速器等。而机器人关节同样需要高传动精度、小体积、大负载的能力，所以摆线针轮减速器是目前机器人关节中应用最广泛的减速器[1]。

1 产品结构

图1所示为精密行星齿轮减速器结构及外形图，由图1可见，该产品主要由行星轮、太阳轮和内齿圈等组成。由于其结构原因，单级减速比最小为3，最大一般不超过10，常见减速比为3、4、5、6、8、10，减速器（机）级数一般不超过3，但有部分大减速比定制减速器（机）设置为4级减速。

图1 精密行星齿轮减速器结构及外形图

2 基于线齿轮减速器的轮足复合移动机器人

2.1 产品加工工艺

基于课题组齿轮减速器力学性能、热变形性能研究、热-力耦合变形研究、误差溯源和修正技术等理论研究成果，精密行星齿轮减速器加工工艺优化重点是要解决齿轮加工工艺、行星架加工工艺、内齿圈加工工艺、装配及检测工艺，引进、研发或委托定制专用关键加工、装配、检测工艺设备等。此外，需要改造传统的加工工艺环境，研发系列专用刀具，进行工艺创新和管理创新，通过引进技术并消化、吸收、再创新，实现引进设备和国产设备有机融合，提高生产线的工作效率[2]。

2.2 齿轮加工工艺

在精车工序将传统的普通精密车床升级为数控车床，在滚齿工序，在前期引进国外先进干切设备和工艺的基础上，消化吸收国外干切技术，自主研发齿轮干切新工艺，重点结合图内齿轮材料、热处理工艺，使国内外设备融合，在保证质量前提下，提高性价比，优化了工艺参数。针对工艺要求，自主研发了专用高速数控干切滚齿机，替代进口设备。采用干切滚齿工艺，切削过程不需要油冷却，避免采用油冷却产生油雾污染环境，不仅节省了资源，而且提高了环保水平，取得了较好的经济和社会效益。

2.3 箱体的设计

减速器箱体是用来支承、固定传动零件的重要零件，它和齿轮、轴、轴承等关键零件连接在一起。箱体的设计将直接影响减速器的工作能力，例如传动零件的啮合精度、密封、润滑等性能，还会影响减速器的使用寿命。在进行箱体尺寸设计时，需要考虑整体结构的紧凑性，并应留有足够的间隙，以避免出现干涉情况。设计箱体整体尺寸为长120mm×宽110mm×高30mm，壁厚2mm。减速器箱体通常使用灰铸铁来制造，在重载或者有冲击载荷的场合则可用铸钢。线齿轮减速器的体积较小，且属于轻载的情况，所以箱体采用铝合金来制作。出于轻量化的考虑，这里选用7075铝合金作为箱体的制作材料，并采用数控加工制造。结合材料和制造方法的特点，将箱体设计成箱盖和箱座两部分，箱盖和箱座之间通过箱盖连接螺栓进行连接。在连接处，箱盖设计有凸缘，箱座设计有凹槽，以此实现两者的同轴定位。这种垂直交叉轴线齿轮减速器的总体设计综合考虑了的美观性、易加工性、拆装简便性和经济性等问题，是一个比较合理的设计方案。对于垂直交叉轴线齿轮副，其主动线齿轮的形状较为细长，因此设计成齿轮轴的形式。为了使线齿轮具有较好的啮合刚度，主动线齿轮和从动线齿轮的支承方式均采用跨置式支承，避免了悬臂式支承设计导致的承载能力降低、振动与噪声增加的问题。在线齿轮副的轴向设计了可靠的定位、紧固，以防止轴向窜动。

2.4 轴的设计

20Cr等钢材是常用的齿轮材料，而38CrMoAlA和30CrMoAl钢材的表面硬度高，适合于制造精密齿轮。主动线齿轮轴和低速轴采用的材料分别为20CrMnTi和40Cr，由机械设计手册上查得20CrMnTi和40Cr的许用扭转切应力分别为30Mpa和35Mpa。

3 移动机器人组装与测试

为了验证移动机器人的轮式和足式两种结构相互转换的可行性以及移动平台在楼梯上的连续通过性能，本文设计并搭建了物理样机并进行了物理样机实验。可自锁变形轮主要采用铝材CNC加工，部分受力较小的结构件采用光敏树脂的SLA技术制造，以减轻移动平台的总质量。变形轮每个外轮缘两端均设计有斜面，在轮式结构模式下，三段外轮缘两两搭接，实现相对定位，并通过丝杆机构自锁，实现轮式结构的形状保持。当移动机构快速移动时，变形轮始终保持轮式结构。

4 结语

该移动机器人的机械系统主要由传动系统和轮足复合移动系统两部分组成。传动系统采用了一种新型的单级垂直交叉轴线齿轮减速器，这种减速器实现了狭小空间内的转矩传递。轮足复合移动系统采用可自锁变形轮的设计，移动机器人在不同的地形环境中均具有较强的越障能力和环境适应能力[3]。