双电机驱动无空回和非线性摩擦的齿轮减速器

摘要

双电机驱动无空回和非线性摩擦的齿轮减速器，涉及精密机械及机电技术领域。解决现有双电机消隙方法由于存在的电机处于反转状态，对电机有堵转要求并存在非线性摩擦的扰动，进而导致伺服精度低的问题，包括两台电机、两套圆柱齿轮减速组件和一套锥齿行星轮系；所述圆柱齿轮减速组件将电机的输出力矩放大、将电机的输出转速降低并传递到行星轮系上；所述行星轮系中的两个中心轮转动方向相反，共同驱动行星轮转动。当两中心轮转速大小相等时，与行星架固连的输出轴转速为零；当两中心轮转速不相等时，输出轴转速大小为两中心轮转速差的二分之一，方向与转速高的中心轮相同。本发明提高了传动系的线性度，从而提高电机伺服系统的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及精密机械及机电领域，具体涉及一种在双电机驱动下无空回和 非线性摩擦的齿轮减速器。

背景技术

在高精度电机伺服系统中，用于传动的齿轮减速器的齿隙会导致在换向时 发生空回，从而产生冲击、波动等影响伺服精度的一系列问题。传统的方法是 采用消隙齿轮、预紧机构等方法消除齿轮间隙，但在电机频繁换向时消隙机构、 预紧机构容易松动，从而难以保证动态伺服精度。现有专利名称为“一种双电机 驱动消隙装置及消隙方法”，申请号为201010185282.9的专利，采用双电机驱动 的形式，实现了动态消除换向时发生的齿轮空回。但是，这类双电机驱动的齿 轮传动方案仍然存在以下两个方面的不足之处：第一，两台电机中有一台电机 处于堵转（反转）状态，即施加在电机上的电压所产生的力矩方向与该电机实 际转动方向相反，而普通伺服电机无法满足堵转要求，必须选择力矩电机作为 动力源；第二，在换向时伺服系统会受到非线性摩擦的扰动，导致伺服精度难 以进一步提高。

发明内容

本发明为解决现有双电机消隙方法由于存在其中一台电机处于反转状态、 对电机有堵转的要求并存在非线性摩擦的扰动，进而导致伺服精度低的问题， 提供一种双电机驱动无空回和非线性摩擦的齿轮减速器。

双电机驱动无空回和非线性摩擦的齿轮减速器，包括第一驱动电机、第二 驱动电机、圆柱齿轮减速组件和行星轮系，所述圆柱齿轮减速组件包括第一齿 轮组件、第二齿轮组件、第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮；行星轮系包括第一中 心轮组件、第二中心轮组件、行星轮、行星架和输出轴，所述第一驱动电机的 输出轴和第二驱动电机的输出轴分别与第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮连接，第 一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮分别与第一齿轮组件大齿轮和第二齿轮组件的大齿 轮啮合，实现对两个电机输出力矩的减速和放大；所述第一中心轮组件和第二 中心轮组件分别由圆柱齿轮和锥齿轮组成，第一中心轮组件的圆柱齿轮和第二 中心轮组件的圆柱齿轮分别与第二齿轮组件的小齿轮和第一齿轮组件的小齿轮 啮合；第一中心轮组件的锥齿轮和第二中心轮组件的锥齿轮与多个行星轮啮合； 所述第一中心轮组件和第二中心轮组件的中空轴内部安装有内轴承，所述输出 轴穿过内轴承与行星架固定连接，所述行星架上对称安装多个行星轮。

本发明的工作原理：本发明所述的双电机驱动无空回和非线性摩擦的齿轮 减速器，包括两套圆柱齿轮减速机构和一套锥齿轮行星轮系。两台电机分别驱 动各自的圆柱齿轮减速机构，降低转速、增大驱动力矩。两套圆柱齿轮减速机 构分别通过一对圆柱齿轮与行星轮系的两个中心轮啮合。减速器的输出轴与行 星轮系的行星架固连。行星架上对称分布式安装了若干个由锥齿轮构成的行星 轮，每个行星轮均同时与两个中心轮啮合。运行时，两台电机始终处于转动状 态，转动方向相反。电机的动力经过圆柱齿轮减速机构驱动行星轮系的两个中 心轮向相反方向转动，当两个中心轮转速大小相等、方向相反时，输出轴转速 为零；当两个中心轮转速大小不相等时，输出轴转动方向与中心轮转速快的一 方相同。在运行过程中，第一驱动电机和第二驱动电机的转动方向保持不变， 只调节转速大小，因此无论输出轴转动方向变化与否，减速箱内所有齿轮之间 的啮合面不变，从而避免了空回的产生；在运行过程中，减速器内所有安装齿 轮的轴上摩擦接触部位均处于相对运动状态，从而避免了非线性摩擦的产生。

本发明的有益效果：

一、本发明无需使用特殊的消隙齿轮、预紧机构等，体积小且易于维护。

二、本发明相比现有的双电机消隙方法避免了电机在运行过程中发生堵转， 可以使用额定转速较高的伺服电机驱动，大大扩展了适用范围。

三、本发明在避免齿轮空回的同时还能消除减速器内部轴系中的非线性摩 擦，从而大大提高伺服系统的低速运动精度。

附图说明

图1为本发明所述的双电机驱动无空回和非线性摩擦的齿轮减速器的原理 图；

图2为本发明所述的双电机驱动无空回和非线性摩擦的齿轮减速器的结构 示意图；

图3为本发明所述的双电机驱动无空回和非线性摩擦的齿轮减速器中两个 中心轮组件爆炸图；

图4为本发明所述的双电机驱动无空回和非线性摩擦的齿轮减速器的输出 轴组件爆炸图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，双电机驱动无空回和 非线性摩擦的齿轮减速器，包括双驱动电机：电机轴上安装有角位置编码器或 感应同步器，分别输出两台电机的转角位置，用于伺服控制系统反馈。圆柱齿 轮减速组件：包括分别安装于第一驱动电机7和第二驱动电机8的输出轴上的 第一圆柱齿轮6和第二圆柱齿轮9；并通过与第一齿轮组件5和第二齿轮组件 10的大齿轮啮合实现对电机输出的减速和力矩放大。行星轮系，包括第一中心 轮组件1和第二中心轮组件3均为由一个锥齿轮和一个经过一根中空轴连接的 圆柱齿轮构成的组件；第一中心轮组件1和第二中心轮组件3上的圆柱齿轮部 分与第二齿轮组件10和第一齿轮组件5的小齿轮啮合，实现进一步减速和力矩 放大；第一中心轮组件1和第二中心轮组件3上的锥齿轮部分与行星轮2啮合； 行星轮2在行星架上呈多个对称分布式安装；行星架11既与输出轴4固连，其 输出轴部分通过轴承穿过第一中心轮组件1和第二中心轮组件3的中空轴，实 现对外动力输出。

本实施方式所述的第一驱动电机7和第二驱动电机8可选择力矩电机或伺 服电机。第一齿轮组件5和第二齿轮组件10均为一根轴的两端同轴连接一大一 小两个模数相同、齿数不同的圆柱齿轮。所述的第二中心轮组件3的圆柱齿轮、 第一齿轮组件5和第一圆柱齿轮6构成了第一驱动电机7的初级减速机构，第 一中心轮组件1的圆柱齿轮、第二齿轮组件10和第二圆柱齿轮9构成了第二驱 动电机8的初级减速机构。经过这两部分的传动，第一驱动电机7和第二驱动 电机8的输出力矩得到了放大，并作用在行星轮系的两个中心轮组件上。当第 一中心轮组件1和第二中心轮组件3转动速度大小相等、方向相反时，输出轴4 的转速为零。当第一驱动电机7、第二驱动电机8中的某台电机转速改变，使得 第一中心轮组件1和第二中心轮组件3的转动速度大小不相等，则输出轴4发 生转动，其方向与两个中心轮组件中转速高者相同。

本实施方式所述的双电机驱动无空回和非线性摩擦的齿轮减速器，所述第 一中心轮组件1和第二中心轮组件3的中空轴外部安装有外轴承12，用于将第 一中心轮组件1和第二中心轮组件3以及其通过内轴承承载的输出轴4、行星架 11、行星轮2承载安装在壳体14上。所述第一中心轮组件1和第二中心轮组件 3与壳体14之间、第一中心轮组件1和第二中心轮组件3与输出轴4之间、行 星轮2与行星架11之间、第一齿轮组件5和第二齿轮组件10与壳体14之间以 及第一驱动电机7和第二驱动电机8的输出轴与壳体14之间始终处于相对运动。

本实施方式所述的减速器在输出轴4调速以及换向时，行星轮系内所有齿 轮转动方向不变，齿轮啮合部位不发生空回。输出轴4以低速转动或静止时， 减速器内所有发生摩擦的轴系部件均可保持一定的相对转速，不产生静摩擦和 低速下的非线性摩擦。

本实施方式所述的第一中心轮组件1与第一中心轮组件3完全相同并对称 安装。两中心轮组件的轴内外均安装有内轴承；内轴承用于安装输出轴4；轴外 的轴承用于将行星轮系安装于减速器的壳体14上。

第二齿轮组件10与第一齿轮组件5的结构完全相同。第二圆柱齿轮9与第 一圆柱齿轮6的结构完全相同，设第一中心轮组件1的圆柱齿轮1-1、第二齿轮 组件10与第二齿轮9形成的传动链的减速比为i₁₉=ω₁/ω₉；第二中心轮组件3的 圆柱齿轮3-1、第一齿轮组件5与第一圆柱齿轮6形成的传动链的传动比为 i₃₆=ω₃/ω₆。则由于两条传动链中的齿轮相同，i₁₉=i₃₆=i（i<1）。设ω₇和ω₈分别为 第一驱动电机7和第二驱动电机8的转速矢量，则输出轴4的转速ω₄满足

${\omega }_4=\frac{i({\omega }_7+{\omega }_8)}{2};$

当输出轴4需要发生换向时，只需使两电机转速大小改变既可，电机及传 动系内所有部件的转动方向不变，只是转动速度大小发生改变，避免了空回的 产生。由于在工作时各轴系均处于转动状态，各轴系部件之间具有一定的相对 转动速度，而非线性摩擦是静摩擦以及低速时的动摩擦，因此本发明在工作时 可以避免非线性摩擦的影响，提高伺服精度。

设第一驱动电机7和第二驱动电机8的输出力矩矢量分别为τ₇和τ₈，则输出 轴4转矩为

${\tau }_4=\frac{{\tau }_7+{\tau }_8}{i}$

两个电机的输出力矩经过初级减速机构后被放大的1/i倍后，以矢量和的形式作 用在输出轴上。由于两力矩方向相反，因此两力矩之和表现为二者标量之差。

本实施方式中，系统在转动过程中需要克服粘性摩擦，实际系统输出力矩为 上述情况的基础上再减去克服粘性摩擦的力矩损失。但是粘性摩擦是与转速相 关的线性摩擦力矩，很容易通过速度反馈实现其补偿。设从第一驱动电机7到 输出轴4的传动链内，粘性摩擦力矩矢量总和为τ_v1=μ₁ω₇；从第二驱动电机8到 输出轴4的传动链内，粘性摩擦力矩矢量总和为τ_v2=μ₂ω₈；其中，μ₁和μ₂分别为 等效粘性摩擦系数，则很容易根据第一驱动电机7和第二驱动电机8的转速测 量值对粘性摩擦进行补偿，提高力矩输出精度。相比库仑摩擦、低速Stribeck 摩擦等非线性摩擦力矩，粘性摩擦对系统的线性度不造成影响，并且很容易进 行补偿。