采用表面微加工技術(shù)制造微型行星齒輪減速器-中文翻譯

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中文翻譯： 采用表面微加工技術(shù)制造微型行星齒輪減速器摘要這篇文章論述了一種結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比高的微型行星齒輪減速機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)的加工方法采用桑迪亞國家實驗室研發(fā)的過度平面的多極微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)去除整體結(jié)構(gòu)的冗余部分，而且這種設(shè)計原理已經(jīng)得到承認(rèn)。為了充分利用表面微加工技術(shù)，我們在設(shè)計加工這種行星減速齒輪時，需要使用安裝在芯片上的微電機(jī)。我們將計算這種齒輪預(yù)期的減速比，并把它與傳統(tǒng)的鏈傳動和齒輪傳動相比較。在這篇論文中演示的微行星輪占用較少的空間，消耗較少的材料，減速比卻有望達(dá)到 162：1。這比以前的論文中設(shè)計的減速器的傳動比要高的多，簡直是一個神話。關(guān)鍵字：微機(jī)電 行星齒輪 減速器 表面微加工 過度平面的多極微機(jī)電系統(tǒng)的加工（簡稱為 SUMMiT V）術(shù)語：a.太陽輪b.行星輪c.內(nèi)齒圈（固定）d.內(nèi)齒圈（旋轉(zhuǎn)）n.齒輪系組成單元的數(shù)目D.節(jié)圓的直徑N.齒數(shù)P.行星輪的數(shù)目.角速度?介紹在微機(jī)電系統(tǒng)中的齒輪結(jié)構(gòu)通常希望用來在微小的體積內(nèi)產(chǎn)生較大的扭矩。但是沒有較大重量的減速器，往往是很難達(dá)到這樣的目的。研究發(fā)現(xiàn)擁有微行星齒輪的減速機(jī)構(gòu)能夠在狹小的空間內(nèi)增加扭矩，這好像有點自相矛盾。這是因為微行星齒輪系統(tǒng)能在每單位體積內(nèi)產(chǎn)生更大的傳動比。然而它的結(jié)構(gòu)是如此的復(fù)雜，以至于我們很少嘗試將齒輪系統(tǒng)微型化。Suzumori 以及他的小組成員曾經(jīng)用類似的行星齒輪結(jié)構(gòu)來驅(qū)動一個機(jī)器人，并使它在直徑為一寸的鋼管里前后移動。他們利用一個馬達(dá)來驅(qū)動高傳動比的齒輪機(jī)構(gòu)，通過微電線的放電加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這種齒輪機(jī)構(gòu)的精確加工。但是這些部件應(yīng)該在裝配驅(qū)動馬達(dá)之前安裝在齒輪箱上。Takeuchi 等人也用這種技術(shù)制造了微行星齒輪。他們建議用特殊的含陶合金和高碳鋼作為最佳選擇材料。當(dāng)這種齒輪系統(tǒng)的傳動比達(dá)到 200 的時候，才可以安裝馬達(dá)并使之驅(qū)動。為了實現(xiàn)用芯片的方法來實現(xiàn)行星齒輪的驅(qū)動，在研究中我們采用 SUMMiT V 方法來加工微行星齒輪。SUMMiT V 過程是唯一可以實現(xiàn)對于總數(shù)為五層(其中一層為地平面)的硅中釋放四層的鑄造過程由于這個原因，它經(jīng)常被用來通過安裝在芯片上的電子執(zhí)行器來驅(qū)動復(fù)雜的齒輪機(jī)構(gòu)。然而, 在許多情形,微電機(jī)不可能提供充足的轉(zhuǎn)力矩來驅(qū)動機(jī)械負(fù)荷,因為它們的靜電梳的典型驅(qū)動只產(chǎn)生幾十微牛頓的力。幸運(yùn)的是,這些引擎能容易地達(dá)到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)的速度。這就使將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為速度變成是可行的。羅杰等人設(shè)計了二個傳動比為 12：1 的雙重的水平齒輪。如此六個這樣的模組的傳輸集合在以占據(jù)極大的空間為代價的前提下可以達(dá)到2,985,984:1 的傳動比。為了達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊，同時達(dá)到高傳動比的目的少比, 行星齒輪系統(tǒng)將被作為研究對象。根據(jù)作者的認(rèn)識，它將會是第一個使用表面微加工原理設(shè)計的行星齒輪結(jié)構(gòu)。我們還將闡述行星齒輪的操作規(guī)則，加工過程和希望達(dá)到的行星齒輪系統(tǒng)的性能。操作原則使用齒輪傳輸轉(zhuǎn)矩的其它可行的方法是將一個或者多個的齒輪,也就是, 行星齒輪,在另一個齒輪的外面旋轉(zhuǎn),也就是太陽輪。按照傳統(tǒng)的尺寸設(shè)計的行星齒輪減速器是使整體結(jié)構(gòu)緊湊的常用的傳輸系統(tǒng)。圖1是上述的行星齒輪的示意圖。自從用AutoCAD設(shè)計SUMMiT V以來,圖（1）可以通過軟件自動產(chǎn)生(附[1])。一個完整的行星齒輪系統(tǒng)是由六個齒輪組成的: 一個太陽齒輪 a，三個行星齒輪 b，一個固定的內(nèi)齒圈 c,一個旋轉(zhuǎn)的內(nèi)齒圈 d,和一個輸出齒輪 e。除了行星齒輪之外,每個齒輪的齒數(shù)都不相同。 太陽齒輪 a是輸入齒輪，由與微引擎連接的機(jī)械手驅(qū)動。內(nèi)齒圈 d,被視為輸出齒輪。舉例來說,如果機(jī)械手驅(qū)動太陽輪按照順時針方向方向旋轉(zhuǎn), 那么行星輪 b, 將繞著它們自己的軸按照逆時針方向宣戰(zhàn)，同時也將繞著太陽輪按照順時針方向的方向旋轉(zhuǎn)，這樣就形成了行星運(yùn)動。 由于多個行星齒輪b和固定內(nèi)齒圈c之間的運(yùn)動相似，所以旋轉(zhuǎn)的內(nèi)齒圈d將按照逆時針方向旋轉(zhuǎn)。這也被叫做3K行星齒輪。加工過程和結(jié)構(gòu)測試SUMMiT V程序的特征體現(xiàn)了硅層結(jié)構(gòu)、電解聚乙烯, 以及傳統(tǒng)的集成電路處理等技術(shù)水平的四個層次。SUMMiT V技術(shù)尤其適應(yīng)于齒輪機(jī)構(gòu)。行星齒輪機(jī)構(gòu)由芯片上的微引擎驅(qū)動，而且這也是采用SUMMiT V技術(shù)的另一個理由。因為桑迪亞程序是一款眾所周知的程序 ,所以我們只簡要的作些解釋。圖2是圖 1的截面視圖,也是由AutoCAD按照附錄[1]設(shè)計產(chǎn)生的，其中截面中的不連續(xù)的部分是為了鉆孔而設(shè)置的。聚乙烯1(灰色)用來制造輪轂以及固定的內(nèi)齒圈c,太陽齒輪a,旋轉(zhuǎn)的內(nèi)齒圈 c,而輸出齒輪是由聚乙烯2制造的。附錄 [2]是描述測試結(jié)構(gòu)的圖形。因為這篇文章的主旨是介紹一種齒輪減速機(jī)構(gòu),所以我們將整個行星齒輪系統(tǒng)分解成各個組成部分，以檢測它的性能。第一個測試結(jié)構(gòu)是驅(qū)動太陽齒輪的機(jī)械手,如前述，這個機(jī)械手是由芯片上的引擎驅(qū)動的，所以機(jī)械手的角速度是由引擎的輸出速度決定的。 第二個測試結(jié)構(gòu)描述的是太陽輪和行星輪與固定的內(nèi)齒圈嚙合的點。因為事實上內(nèi)齒圈是固定的, 所以行星輪將太陽輪輸入的轉(zhuǎn)矩傳到固定的內(nèi)齒圈，因此這個過程并沒有經(jīng)過行星運(yùn)動。也就是說，行星輪只繞它自己的軸轉(zhuǎn)動，而沒有繞太陽輪轉(zhuǎn)動。第三個測試結(jié)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)的內(nèi)齒圈，它安裝在固定的內(nèi)齒圈的頂端上，行星輪開始繞太陽輪旋轉(zhuǎn)，這樣就可以實現(xiàn)行星傳動。因此,一但輸出齒輪被安裝到旋轉(zhuǎn)的內(nèi)齒圈，也就是最后一個測試結(jié)構(gòu)，整個減速系統(tǒng)完成。將行星齒輪成拆解成三個測試結(jié)構(gòu)的過程中允許齒輪系統(tǒng)存在極微小的誤差。解決程序和預(yù)期的表現(xiàn)傳動比被定義為驅(qū)動輪和被驅(qū)動輪之間的角速度之比。高傳動比意味著將速度轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩。舉例來說, 一個傳動比為10:1 的齒輪可以按照一定的數(shù)量級增加轉(zhuǎn)矩。因為行星輪系的齒輪要保證相互之間嚙合，除了行星齒輪，所以齒輪模數(shù)的設(shè)計應(yīng)該遵從一定得限制。舉例來說，太陽輪的齒數(shù)加上固定的或者旋轉(zhuǎn)的內(nèi)齒圈的齒數(shù)應(yīng)該等于行星輪齒數(shù)的整數(shù)倍星， P(可以為1)。P代表著傳動比，如果P=2,應(yīng)該首先觀察P=1的情況 。 N 是對應(yīng)齒輪的齒數(shù)。 Ns ??Nc (Nd ) (1)PNb?(2)行星輪系的齒輪a、b、c、d的齒型模數(shù)為4 um, 這是可以與現(xiàn)在的齒輪減速器相比較的模數(shù)，而齒數(shù)分別是12,29,69,和72。因此根據(jù)等式（2）可知，輪系的傳動比為162:1。根據(jù)羅杰等人的報告，他們設(shè)計出傳動比為12:1的減速器，但是要比行星輪系減速器的傳動比小一個數(shù)量級。雖然羅杰等人設(shè)計的減速器尺寸大約達(dá)到 0.093 mm 到2 mm之間, 但是本文的行星齒輪減速器設(shè)計大約可以達(dá)到0.076mm到 2mm的范圍. 因此, 行星齒輪減速器設(shè)計的傳動比能夠達(dá)成更高的數(shù)量級，同時占用更少的空間。因為減速器是由數(shù)個部分組成，所以圖3充分顯示了使用行星齒輪系統(tǒng)的優(yōu)點。圖3利用數(shù)字的功能來顯示本文提議的行星齒輪機(jī)制，也就是 , 與桑迪n162亞齒輪系統(tǒng)，也就是 ,之間的比較。縱坐標(biāo)以較大的比例單位作圖來顯示兩n12者之間的區(qū)別是很顯然的。 舉例來說, 在一個由5個部分構(gòu)成的組件中，兩組之間的區(qū)別大約達(dá)到 。此外,在這個由五個部分組成的減速器因為采用了行60星輪系，面積減少了8500 。 um2結(jié)論和討論我們首先討論了利用表面微加工技術(shù)制造的行星齒輪減速系統(tǒng)，它是由芯片上的引擎驅(qū)動的。這種減速器系統(tǒng)在傳動比方面比早先設(shè)計減速器提高了一個數(shù)量級。然而,由于表面的摩擦和反作用力在齒輪制造加工過程中是不可避免的。所以在實際情形中，減速器的傳動比可能比 162:1 要小。即使在實際情形中一些可能的損失被考慮,減速器的傳動比還是應(yīng)該比以前的設(shè)計提高一個數(shù)量級，而占據(jù)的空間會小很多。作者在設(shè)計過程中學(xué)習(xí)了許多關(guān)與微表面加工有關(guān)的知識，而且發(fā)現(xiàn)許多設(shè)計需要再研究和改正。當(dāng)畫這些設(shè)計得截面視圖時，這些知識已經(jīng)變得很熟悉了。因為我們利用了基于 SUMMiT V 的先進(jìn)的設(shè)計工具軟件包并確定了設(shè)計規(guī)則,行星齒輪的設(shè)計為制造加工做好了準(zhǔn)備。我們希望這種行星齒輪減速器能夠被研究人員繼續(xù)更新、完善。1-caabdN???