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机器人3K行星机构关节减速器设计
作者：李德军 钟利华 肖礼亮 刘慧兰 来源：《中国新技术新产品》2015年第22期
摘 要：以3K行星齿轮机构作为模型，考虑了各种约束和设计要求，分析对比多组方案，得到了一种大传动比、高效率、小体积的机器人关节减速器的设计方案。 关键词：行星机构；机器人；减速器 中图分类号：TH132.46 文献标识码：A
机器人关节减速器是机器人技术当中不可缺少的一个重要部分。目前机器人关节减速器主要是谐波传动和RV传动。谐波传动装置柔轮的弹性变形容易引起较大的回差，影响机器人的定位精度及动态特性，从而其应用受到限制；而RV减速器对材料要求、制造工艺和装配工艺都有非常高的要求，目前国内还处于开发阶段。行星齿轮具有传动比大、效率高、体积小、运动平稳以及承载能力大等优点，并且其在高速、大功率场合和低速、大转矩场合中均可运用，如数控机床、搅拌机、采掘机械以及车辆工程等场合，但应用于机器人关节减速器的设计报道较少。本文将采用3K行星机构，设计出一种大传动比、高效率、小体积的机器人关节减速器方案。
1 3K行星机构 1.1 机构组成
3K行星机构组成如图1 所示，1为固定内齿轮（齿数为Z1），2为输出内齿轮（齿数为Z2），3为行星轮与齿轮1啮合端齿轮（齿数为Z3），4为行星轮与齿轮2啮合端齿轮（齿数为Z4，轮3和轮4组成行星轮），5为太阳轮（齿数为Z5），6为行星架。工作时，齿轮5转动，带动齿轮3自转的同时还要绕着中心公转，由于齿轮3和齿轮4是固定的，所以齿轮3和齿轮4的运动状态相同，齿轮4再带动齿轮2转动，齿轮2即为减速器输出。 1.2 机构约束条件
在进行3K行星轮减速器的设计时，必须要满足该机构本身结构的约束条件。 （1）同心条件
要使3K轮系能够正常转动，它的三个基本构件的回转轴线必须在同一条直线上，即 a35=a13=a24
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式中a35、a13、a24分别为齿轮3-5、1-3、2-4啮合副的实际中心距。 （2）安装条件
在3K型传动中，为了计算和安装的方便，通常取所有的中心轮的齿数均为行星轮个数np的倍数，即 Z1=Cnp Z2=Cnp Z3=Cnp 式中C表示整数 （3）邻接条件
为了保证减速器中各行星轮在相互运转的时候不产生碰撞，必须使得相邻两行星轮的中心距大于两轮齿顶圆半径之和，实际应用中其差值一般要大于齿轮模数m的0.5倍，即 式中a35为齿轮3、5啮合副的实际中心距；d35为行星轮3齿顶圆直径。 2 设计约束条件
在实际设计过程中，除了要满足机构本身的装配条件之外，还要满足工作要求条件、齿轮标准模数条件以及齿轮机构的承载能力等其他一些约束条件。 （1）齿数条件
为了避免太阳轮加工时产生根切现象，其齿数最小值应该不小于17，即 Z5≥17
（2）标准模数条件
根据经验，一般动力传动中模数应该在2到50之间，且取标准值，即 2≤m≤50 （3）齿宽条件 齿轮宽度系数的范围为
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0.3≤ψd≤0.6
（4）传动比计算条件 3K行星轮减速器传动比为 （5）传动比误差条件
式中i′为设计中给定传动比，△i为传动比偏差系数。 （6）效率条件
3K行星轮减速器传动效率η为
式中ψ为减速器齿轮1-3啮合、2-4啮合的损失系数之和，其他参数同上。 （7）齿面接触疲劳强度条件 满足齿面接触疲劳强度要求： 齿面接触应力： 许用接触应力：σHP 应满足条件：σH≤σHP 式中：
KA为使用系数； KV为动载荷系数；
KHβ为计算接触强度的齿向载荷分布系数； KHα为计算接触强度的齿间载荷分配系数； ZH为节点区域系数； ZE为弹性系数； Zε为重合度系数；