Структура волновых зубчатых передач сервоприводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структура волновых зубчатых передач сервоприводов

Волновые редукторы занимают заслуженное место на рынке высокопроизводительных решений для систем электропривода с высокими требованиями к параметрам. Отсутствие люфта, высокая точность передачи движения, компактность, наличие полого вала и высокая надежность позволяют применять волновые редукторы в самых разных технических областях. Среди типичных сфер применения следует упомянуть приводы высокоточных станков и обрабатывающих центров, промышленные и антропоморфные роботы, технологическое оборудование различных отраслей промышленности, телекоммуникационное и оптическое оборудование, изделия авиационной и космической индустрии.

Столь богатый спектр областей применения определяет большое разнообразие требований к предлагаемым решениям как со стороны параметров на валу подключаемой нагрузки, так и со стороны внешних воздействий на привод. Для успешного решения длинного списка задач компании-производители волновых приводов имеют в своем активе обширный каталог стандартных изделий и различные возможности по их модификации. Одним из признанных лидеров в производстве высокоточных надежных волновых редукторов широкого применения является фирма Harmonic Drive (Германия) [1].

Данная компания выпускает серии сервоприводов различных конструкций и в разном исполнении - как для промышленных, так и специальных условий эксплуатации, с полым валом и без него, с редуктором и без редуктора, а также моментные двигатели. Основная часть этих изделий производится с синхронными двигателями и волновыми редукторами, хотя в каталоге представлены отдельные серии, в которых используются коллекторные двигатели постоянного тока или высокоточные планетарные редукторы.

Сервоприводы Harmonic Drive представляют собой высокоинтегрированные решения, в состав которых входят двигатель, редуктор, датчики обратной связи и тормозная муфта. Основой конструкции является синхронный двигатель собственного производства, который вместе с волновым редуктором размещается внутри корпуса. Для улучшения массогабаритных показателей сервопривода волновые редукторы могут применяться в виде установочных комплектов. В отличие от редукторов модульного исполнения установочные комплекты содержат только три основные детали волнового редуктора без дополнительных элементов. Вал, подшипник и крепежный фланец добавляются разработчиком при встраивании волнового редуктора в готовое изделие. Отдельная часть конструкции сервопривода - подшипниковый узел с выходным и крепежным фланцами. Благодаря перекрестно-роликовым подшипникам сервоприводы выдерживают значительные осевые и радиальные нагрузки. Важной частью конструкции является полый вал, который проходит сквозь сервопривод по всей его длине. Внутреннее пространство вала можно использовать для передачи сигналов всех видов. Поскольку полый вал вращается со скоростью выходного вала, датчик положения выходного вала привода можно разместить в одном отсеке с датчиками положения, закрепленными на валу двигателя. В этом же отсеке находятся тормозная муфта, устанавливаемая на валу двигателя, кабельные выводы или разъемы. По такой схеме разработано несколько серий сервоприводов [2].

Ниже приведены основные сведения о волновых зубчатых передачах. Волновые зубчатые передачи (ВЗП), являющиеся разновидностью планетарных передач, работают по принципу передачи вращательного движения вследствие бегущей волновой деформации одного из колес.

Виды и характеристики волновых зубчатых передач

ВЗП так же, как и планетарные передачи, могут подразделяться на редукторы (ВЗР) с одной степенью подвижности (W = 1) и дифференциальные механизмы (ВЗДМ) с W ? 2. Но, в отличие от всех видов зубчатых передач (в том числе и планетарных), волновая зубчатая передача дает возможность получения больших передаточных отношений при значительно меньших массах и габаритах, высоком к.п.д. и имеет высокую кинематическую точность, плавность и беззазорность, что важно при реверсировании. Кроме того, волновые зубчатые передачи позволяют передавать механическое движение в герметичное пространство.

Передаточные отношения одноступенчатых ВЗР колеблются от 50 до 250, двухступенчатых - от 2000 до 50 000. Мощность ВЗР находится в пределах 0,02…3000 кВт, а к.п.д. редукторов - 0,9…0,7.

В настоящее время ВЗР применяются в механизмах систем дистанционного управления, настройки радиоэлектронной аппаратуры, в приводах антенн радиолокационных станций, в лентопротяжных механизмах, автоматических записывающих приборах, в механизмах вертолетов, самолетов, ракет, станков и других устройств.

Принцип работы ВЗР можно проиллюстрировать рис. 1. В простейшем исполнении волновая передача состоит из генератора волн Н, гибкого зубчатого колеса Г, жесткого зубчатого колеса Ж, закрепленного в корпусе механизма. Гибкое колесо имеет форму тонкостенного цилиндра, длина которого, l_Г, обычно не менее диаметра.

Рис. 1. Волновой зубчатый редуктор с неподвижным жестким зубчатым колесом

редуктор зубчатый передача

До установки генератора делительные окружности гибкого и жесткого колес располагаются концентрично. Генератор волн Н представляет собой водило с роликами (рис. 2, а, б, в) или кулачок (рис. 2, г). Он вставляется внутрь гибкого колеса и деформирует его так, что зубья гибкого и жесткого колес входят в полное зацепление только на выступающих участках деформированного гибкого колеса (см. зону I большой оси эллипса на рис. 3). В зоне II малой оси эллипса зубья полностью выходят из зацепления.

Расстояние Д_в должно быть таким, чтобы радиальные зазоры между выступами и впадинами зубьев допускали относительное вращение колес. При недеформированных колесах Д_в равно разности делительных диаметров жесткого и гибкого колес.

При вращении генератора волн изменяются направления и места приложения сил, действующих на жесткое колесо. При этом образуются бегущие по окружности волны деформации гибкого колеса и последовательно вводятся в полное зацепление разные зубья гибкого и жесткого колес. Колеса отличаются числом зубьев, поэтому происходит их относительное вращение.

Количество волн генератора определяется числом участков полного зацепления зубьев гибкого и жесткого колес и целиком определяется конструкцией генератора. Наиболее широко применяются механические генераторы волн свободной и принудительной деформации гибкого звена.

Рис. 2. Варианты конструктивного исполнения генератора волн волновой передачи

Рис. 3. Деформирование гибкого зубчатого колеса генератором волн

Основными параметрами ВЗР являются:

· - передаточное отношение от генератора волн Н к выходному валу передачи, на котором закреплено жесткое Ж или гибкое Г колесо (верхний индекс здесь означает неподвижное колесо передачи);

· - число волн генератора;

· - число зубьев гибкого и жесткого колес.

Профиль зубьев и параметры зацепления:

· m - модуль;

· p - шаг зацепления колес;

· = m - делительные диаметры гибкого и жесткого колес.

Принимая получаем где - разность в числе зубьев жесткого и гибкого колес, принимаемую равной 2, 4, 6 для двухволновой передачи и 3, 6, 9 для трехволновой передачи.

Структура волновой зубчатой передачи

Структура волновой зубчатой передачи основана на создании механизмов для преобразования вращательного движения путем перемещения волн деформаций гибкого колеса, образуемых вращающимся генератором при зацеплении гибкого колеса с центральным жестким колесом, расположенным соосно с генератором волн; гибкое колесо при этом имитирует сложное вращательное (планетарное) движение. По закону структурного образования, первой, наиболее простой схемой волновой передачи является одноступенчатая передача, структурные схемы которой представлены на рис. 4. На рис. 4, а показана схема волновой передачи с неподвижным гибким колесом, которую можно обозначить буквенным шрифтом НГЖ (на первом месте буква ведущего звена, на втором - неподвижного звена и на последнем - выходного звена). Механический генератор волн изображается стрелками, показывающими направление сил, деформирующих гибкое звено. Схема НЖГ представлена на рис. 4, б.

Волновые зубчатые передачи, у которых ролики генератора нажимают на внешнюю поверхность цилиндра гибкого колеса (рис. 4, в), имеют большие размеры и поэтому применяются редко. В этих передачах .

На рис. 4, г приведена передача, у которой гибкое колесо в недеформированном состоянии имеет форму плоского диска с зубьями на торцовой поверхности, а жесткое неподвижное колесо имеет зубья на конической поверхности. Здесь двухволновой генератор нажимает на диск гибкого колеса в двух диаметрально противоположных местах. Это вызывает изгиб диска и таким образом вводит во вращение зубья гибкого и жестких колес, образуя две бегущие по окружности волны.

Рис. 4. Варианты структуры волновой зубчатой передачи

редуктор зубчатый передача

Сочетание волновой передачи и обычной с обычной зубчатой передачей или планетарной (от источника движения к генератору) позволяет получить комбинированные волновые передачи КНЖГ (рис. 5, а), КНГЖ (рис. 5, б), КПНЖГ (рис. 5, в). В последней схеме приведение в движение генератора осуществляется от источника движения через однорядную планетарную передачу. Планетарная передача имеет неподвижное опорное колесо z₀, солнечное колесо с z₁ на валу двигателя и три сателлита с z₂, оси которых закреплены на водиле генератора волн H.

Рис. 5. Комбинированные волновые зубчатые передачи

Благодаря тому что зубчатая или планетарная передача располагается внутри гибкого колеса, комбинированные волновые передачи имеют небольшие габариты.

Усложняя передачу путем последовательного соединения в радиальном или осевом направлении двух одноступенчатых передач, получаем двухступенчатые ВЗР со схемами НЖГНЖГ (рис. 6, а) или НГЖНГЖ (рис. 6, б).

Последовательным соединением трех волновых передач можно создать трехступенчатые волновые передачи и т.д. Недостатком этих схем является опасность перекоса зубьев гибкого колеса при входе их в зацепление с зубьями жесткого колеса. Поэтому при конструктивном использовании приходится на гибких колесах предусматривать жесткий фланец для крепления их к выходным валам или корпусам редукторов.

Рис. 6. Двухступенчатые волновые зубчатые редукторы

Другой путь формирования структурных схем волновых передач - усложнение гибкого колеса посредством помещения на нем второго зубчатого венца (рис. 7), что, в свою очередь, требует постановки двух жестких колес (что отсутствует в предыдущих схемах). Это так называемые сдвоенные ВЗР. Схема передачи НЖГГЖ с охватываемым генератором представлена на рис. 7, а, с охватывающим - на рис. 7, б. Особенностью этих передач является наличие одного гибкого звена с двумя зубчатыми венцами и и двух жестких и , одно из которых неподвижно. Такое гибкое звено легко деформируется генератором волн, а зубья (и образующие цилиндра) остаются параллельными оси вращения.

Рис. 7. Сдвоенные волновые зубчатые редукторы

Возможны и другие структурные схемы волновых передач. Но во всех случаях следует иметь в виду, что для получения минимальных мертвых ходов (практически сведенных к нулю) в кинематических парах и минимальных кинематических ошибок необходимо использовать схемы ВЗП без избыточных связей (q = 0). Подсчет избыточных связей рекомендуется производить по следующей формуле:

,

где W - число степеней подвижности механизма; п - количество подвижных звеньев; p₁, p₂, p₃, p₄, p₅ - число кинематических пар 5, 4, 3, 2, 1 классов соответственно. Классы пар определяются числом налагаемых ими связей; p₀ - число дополнительных условий связи, наложение которых превращает деформированное звено в жесткое. Таким звеном служит гибкое колесо, деформация которого является необходимым условием кинематики волнового зацепления.

Отсутствие избыточных связей свидетельствует о самоуправляемости звеньев. Наличие последней позволяет не только назначить минимальные зазоры в зацеплении, но и собрать передачу с предварительным натягом без опасности ее заклинивания. Кроме того, самоустановка звеньев позволяет полнее компенсировать ошибки изготовления и монтажа деталей передачи и повысить ее кинематическую точность.

Выбор структурной схемы ВЗР зависит от назначения и компоновки конструкции изделия, функционального назначения редуктора, требуемого передаточного отношения, места установки редуктора, условий сборки, эксплуатационных, технологических и экономических факторов.

Библиографический список

редуктор зубчатый передача

1.Сергеев О. Редукторы Harmonic Drive [Электронный ресурс] // Промышленный интернет-портал «МирПром». URL: http://mirprom.ru/public/reduktory-harmonic-drive.html (16.05.2017).

2.Сергев О. Сервоприводы Harmonic Drive: высокоточные и надежные решения для широкого круга задач [Электронный ресурс] // Электроника НТБ. 2016. Вып. 6. URL: http://www.electronics.ru/journal/article/4771 (16.05.2017).

3.Тищенко О.В. , Коваленко О.Ф., Нестеров А.П. Элементы приборных устройств: курсовое проектирование. М.: Высшая школа, 1978. 328 с.

Размещено на Allbest.ru