采用表面微加工技术制造微型行星齿轮减速器-中文翻译

中文翻译： 采用表面微加工技术制造微型行星齿轮减速器摘要这篇文章论述了一种结构紧凑、传动比高的微型行星齿轮减速机构。这种机构的加工方法采用桑迪亚国家实验室研发的过度平面的多极微机电系统技术去除整体结构的冗余部分，而且这种设计原理已经得到承认。为了充分利用表面微加工技术，我们在设计加工这种行星减速齿轮时，需要使用安装在芯片上的微电机。我们将计算这种齿轮预期的减速比，并把它与传统的链传动和齿轮传动相比较。在这篇论文中演示的微行星轮占用较少的空间，消耗较少的材料，减速比却有望达到 162：1。这比以前的论文中设计的减速器的传动比要高的多，简直是一个神话。关键字：微机电 行星齿轮 减速器 表面微加工 过度平面的多极微机电系统的加工（简称为 SUMMiT V）术语：a.太阳轮b.行星轮c.内齿圈（固定）d.内齿圈（旋转）n.齿轮系组成单元的数目D.节圆的直径N.齿数P.行星轮的数目.角速度介绍在微机电系统中的齿轮结构通常希望用来在微小的体积内产生较大的扭矩。但是没有较大重量的减速器，往往是很难达到这样的目的。研究发现拥有微行星齿轮的减速机构能够在狭小的空间内增加扭矩，这好像有点自相矛盾。这是因为微行星齿轮系统能在每单位体积内产生更大的传动比。然而它的结构是如此的复杂，以至于我们很少尝试将齿轮系统微型化。Suzumori 以及他的小组成员曾经用类似的行星齿轮结构来驱动一个机器人，并使它在直径为一寸的钢管里前后移动。他们利用一个马达来驱动高传动比的齿轮机构，通过微电线的放电加工技术能够实现这种齿轮机构的精确加工。但是这些部件应该在装配驱动马达之前安装在齿轮箱上。Takeuchi 等人也用这种技术制造了微行星齿轮。他们建议用特殊的含陶合金和高碳钢作为最佳选择材料。当这种齿轮系统的传动比达到 200 的时候，才可以安装马达并使之驱动。为了实现用芯片的方法来实现行星齿轮的驱动，在研究中我们采用 SUMMiT V 方法来加工微行星齿轮。SUMMiT V 过程是唯一可以实现对于总数为五层(其中一层为地平面)的硅中释放四层的铸造过程由于这个原因，它经常被用来通过安装在芯片上的电子执行器来驱动复杂的齿轮机构。然而, 在许多情形,微电机不可能提供充足的转力矩来驱动机械负荷,因为它们的静电梳的典型驱动只产生几十微牛顿的力。幸运的是,这些引擎能容易地达到每分钟几万转的速度。这就使将转矩转化为速度变成是可行的。罗杰等人设计了二个传动比为 12：1 的双重的水平齿轮。如此六个这样的模组的传输集合在以占据极大的空间为代价的前提下可以达到2,985,984:1 的传动比。为了达到结构紧凑，同时达到高传动比的目的少比, 行星齿轮系统将被作为研究对象。根据作者的认识，它将会是第一个使用表面微加工原理设计的行星齿轮结构。我们还将阐述行星齿轮的操作规则，加工过程和希望达到的行星齿轮系统的性能。操作原则使用齿轮传输转矩的其它可行的方法是将一个或者多个的齿轮,也就是, 行星齿轮,在另一个齿轮的外面旋转,也就是太阳轮。按照传统的尺寸设计的行星齿轮减速器是使整体结构紧凑的常用的传输系统。图1是上述的行星齿轮的示意图。自从用AutoCAD设计SUMMiT V以来,图（1）可以通过软件自动产生(附1)。一个完整的行星齿轮系统是由六个齿轮组成的: 一个太阳齿轮 a，三个行星齿轮 b，一个固定的内齿圈 c,一个旋转的内齿圈 d,和一个输出齿轮 e。除了行星齿轮之外,每个齿轮的齿数都不相同。 太阳齿轮 a是输入齿轮，由与微引擎连接的机械手驱动。内齿圈 d,被视为输出齿轮。举例来说,如果机械手驱动太阳轮按照顺时针方向方向旋转, 那么行星轮 b, 将绕着它们自己的轴按照逆时针方向宣战，同时也将绕着太阳轮按照顺时针方向的方向旋转，这样就形成了行星运动。 由于多个行星齿轮b和固定内齿圈c之间的运动相似，所以旋转的内齿圈d将按照逆时针方向旋转。这也被叫做3K行星齿轮。加工过程和结构测试SUMMiT V程序的特征体现了硅层结构、电解聚乙烯, 以及传统的集成电路处理等技术水平的四个层次。SUMMiT V技术尤其适应于齿轮机构。行星齿轮机构由芯片上的微引擎驱动，而且这也是采用SUMMiT V技术的另一个理由。因为桑迪亚程序是一款众所周知的程序 ,所以我们只简要的作些解释。图2是图 1的截面视图,也是由AutoCAD按照附录1设计产生的，其中截面中的不连续的部分是为了钻孔而设置的。聚乙烯1(灰色)用来制造轮毂以及固定的内齿圈c,太阳齿轮a,旋转的内齿圈 c,而输出齿轮是由聚乙烯2制造的。附录 2是描述测试结构的图形。因为这篇文章的主旨是介绍一种齿轮减速机构,所以我们将整个行星齿轮系统分解成各个组成部分，以检测它的性能。第一个测试结构是驱动太阳齿轮的机械手,如前述，这个机械手是由芯片上的引擎驱动的，所以机械手的角速度是由引擎的输出速度决定的。 第二个测试结构描述的是太阳轮和行星轮与固定的内齿圈啮合的点。因为事实上内齿圈是固定的, 所以行星轮将太阳轮输入的转矩传到固定的内齿圈，因此这个过程并没有经过行星运动。也就是说，行星轮只绕它自己的轴转动，而没有绕太阳轮转动。第三个测试结构是旋转的内齿圈，它安装在固定的内齿圈的顶端上，行星轮开始绕太阳轮旋转，这样就可以实现行星传动。因此,一但输出齿轮被安装到旋转的内齿圈，也就是最后一个测试结构，整个减速系统完成。将行星齿轮成拆解成三个测试结构的过程中允许齿轮系统存在极微小的误差。解决程序和预期的表现传动比被定义为驱动轮和被驱动轮之间的角速度之比。高传动比意味着将速度转化为转矩。举例来说, 一个传动比为10:1 的齿轮可以按照一定的数量级增加转矩。因为行星轮系的齿轮要保证相互之间啮合，除了行星齿轮，所以齿轮模数的设计应该遵从一定得限制。举例来说，太阳轮的齿数加上固定的或者旋转的内齿圈的齿数应该等于行星轮齿数的整数倍星， P(可以为1)。P代表着传动比，如果P=2,应该首先观察P=1的情况 。 N 是对应齿轮的齿数。 Ns Nc (Nd ) (1)PNb(2)行星轮系的齿轮a、b、c、d的齿型模数为4 um, 这是可以与现在的齿轮减速器相比较的模数，而齿数分别是12,29,69,和72。因此根据等式（2）可知，轮系的传动比为162:1。根据罗杰等人的报告，他们设计出传动比为12:1的减速器，但是要比行星轮系减速器的传动比小一个数量级。虽然罗杰等人设计的减速器尺寸大约达到 0.093 mm 到2 mm之间, 但是本文的行星齿轮减速器设计大约可以达到0.076mm到 2mm的范围. 因此, 行星齿轮减速器设计的传动比能够达成更高的数量级，同时占用更少的空间。因为减速器是由数个部分组成，所以图3充分显示了使用行星齿轮系统的优点。图3利用数字的功能来显示本文提议的行星齿轮机制，也就是 , 与桑迪n162亚齿轮系统，也就是 ,之间的比较。纵坐标以较大的比例单位作图来显示两n12者之间的区别是很显然的。 举例来说, 在一个由5个部分构成的组件中，两组之间的区别大约达到 。此外,在这个由五个部分组成的减速器因为采用了行60星轮系，面积减少了8500 。 um2结论和讨论我们首先讨论了利用表面微加工技术制造的行星齿轮减速系统，它是由芯片上的引擎驱动的。这种减速器系统在传动比方面比早先设计减速器提高了一个数量级。然而,由于表面的摩擦和反作用力在齿轮制造加工过程中是不可避免的。所以在实际情形中，减速器的传动比可能比 162:1 要小。即使在实际情形中一些可能的损失被考虑,减速器的传动比还是应该比以前的设计提高一个数量级，而占据的空间会小很多。作者在设计过程中学习了许多关与微表面加工有关的知识，而且发现许多设计需要再研究和改正。当画这些设计得截面视图时，这些知识已经变得很熟悉了。因为我们利用了基于 SUMMiT V 的先进的设计工具软件包并确定了设计规则,行星齿轮的设计为制造加工做好了准备。我们希望这种行星齿轮减速器能够被研究人员继续更新、完善。1-caabdN