RV減速器及諧波減速器

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1、. RV減速器與諧波減速器的調(diào)研報(bào)告 當(dāng)我們在無限憧憬機(jī)器人時(shí)代的時(shí)候,我們卻很少知道在機(jī)器人的所有零部件中,有兩樣?xùn)|西一直是我們國人無法跨越過去的障礙,那就是伺服電機(jī)和精密減速器。隨著自動(dòng)化和電子電氣理論的日趨成熟,國人在伺服電機(jī)方面已經(jīng)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步,雖然在目前國內(nèi)的伺服電機(jī)75%仍然依靠進(jìn)口,但對于中小功率的伺服電機(jī),中國不少企業(yè),如XX的英威騰、匯川科技,XX的安迪的產(chǎn)品已經(jīng)可以在性能上基本滿足中國企業(yè)的需求?？墒菍τ诰軠p速器,特別是機(jī)器人關(guān)節(jié)上需要使用的RV減速器和諧波減速器,目前國內(nèi)的研究仍然停留在論文和數(shù)據(jù)庫當(dāng)中,翻遍所有關(guān)于生產(chǎn)這兩種減速器的國產(chǎn)廠家,我們?nèi)匀浑y

2、以找出哪怕一家產(chǎn)品可以在性能上滿足國內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的需求。 直到今天,中國仍然不具備設(shè)計(jì)和制造這兩種減速器的能力。"十二五"時(shí)期,國家"863"計(jì)劃將其列入重點(diǎn)攻克的技術(shù)瓶頸。國內(nèi)頂尖大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)幾年攻關(guān)也只有論文,沒有實(shí)物。那么,我們與國外在精密減速器方面的差距到底在哪里？為什么在專利技術(shù)早已公開的今天,我們?nèi)匀浑y以跨過這道已經(jīng)成型了近半個(gè)世紀(jì)的鴻溝？ 為什么機(jī)器人要用RV減速器和諧波減速器？ 我們常用的減速大致有下面幾類；擺線減速器、硬齒面圓柱齒輪減速器、行星齒輪減速器、軟齒面減速器、三環(huán)減速器、起重機(jī)減速器、蝸桿減速器、軸裝式硬齒面減速器、無級變速器。而RV減速器

3、和諧波減速器與上述幾種減速的區(qū)別在于,RV減速器是行星減速器和擺線減速器的組成的一個(gè)二級減速器,諧波減速器則是一種靠波發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形,并與剛性齒輪相嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的齒輪傳動(dòng)。這兩種減速器相對于其它減速器而言,具有以下的優(yōu)勢：<1>傳動(dòng)速比大,<2>承載能力高,<3>傳動(dòng)精度高,<4>傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),<5>結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)少、安裝方便,<6>體積小、重量輕,。傳統(tǒng)的齒輪減速器體積大,重量重,減速比小,傳統(tǒng)效率低下,特別是在無法消除多級減速后的累積誤差,對于機(jī)器人在控制末端精度要求甚高的工況下,目前只有RV和諧波減速器可以勝任。 RV減速器和諧波減速器的發(fā)展史 R

4、V減速器的誕生 德國人勞倫茲·勃朗于1926年創(chuàng)造性地提出了一種少齒差行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu),它是用外擺線作為齒廓曲線的,這就是最早期的針擺行星傳動(dòng),由于兩個(gè)嚙合齒輪其中之一采用了針輪的形式,這種傳動(dòng)也被稱做擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)。 　　RV傳動(dòng)一種全新的傳動(dòng)方式,它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的,不僅克服了一般針擺傳動(dòng)的缺點(diǎn),而且因?yàn)榫哂畜w積小、重量輕、傳動(dòng)比范圍大、壽命長、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)等一系列優(yōu)點(diǎn)。 1、1926年德國人勞倫茲·勃朗于創(chuàng)造性地提出RV減速機(jī)原理 　　2、1931年勞倫茲·勃朗在德國慕尼黑創(chuàng)建了"賽古樂"股份有限公司,最先開始了擺線減速

5、器的制造和銷售 　　3、1939年,日本住友公司和"賽古樂"公司簽定了技術(shù)合作協(xié)議,并生產(chǎn)銷售； 　　4、1944年,日本帝人精機(jī)成立,這個(gè)未來的RV減速機(jī)霸主,在飛機(jī)制造、紡織機(jī)械、機(jī)床等多個(gè)行業(yè)碩果累累； 　　5、1950年-1960年,擺線磨床的出現(xiàn),解決了擺線齒形的精度不高的難題,使擺線傳動(dòng)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。 　　6、1956年,日本納博克公司發(fā)售全球第一個(gè)自動(dòng)門,在市場上展露頭角。 　　7、1980年左右,日本帝人精機(jī)提出RV傳動(dòng)理論,著手應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè)。 　　8、1986年,日本帝人精機(jī)RV減速機(jī)正式大規(guī)模生產(chǎn),取得成功； 　　9、20XX,帝人精機(jī)和納博克合并組

6、成Nabtesco<納博特斯克>公司,并取得快速發(fā)展,現(xiàn)在已成為RV減速機(jī)行業(yè)的領(lǐng)頭羊,占據(jù)了60%以上的市場,特別在中/重負(fù)荷機(jī)器人上,其RV減速機(jī)市場占有率高達(dá)90%。 諧波減速器的誕生 20世紀(jì)50年代中期,隨著全球科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,美國人馬瑟在薄殼彈性變形理論基礎(chǔ)上,應(yīng)用金屬的撓性和彈性力學(xué)原理發(fā)明出來一種新型諧波傳動(dòng)技術(shù)。諧波傳動(dòng)技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天、工業(yè)機(jī)器人、精密設(shè)備儀器、雷達(dá)通訊設(shè)備、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、半導(dǎo)體工業(yè)晶圓傳送裝置、印刷包裝機(jī)械、醫(yī)療器械、金屬成型機(jī)械、儀器儀表、光學(xué)制造儀器、核設(shè)施及空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域。 諧波傳動(dòng)這項(xiàng)新型技術(shù)的出現(xiàn)便引起了各國的重

7、視。1970年引入日本,隨之誕生了日本第一家整體運(yùn)動(dòng)控制的領(lǐng)軍企業(yè)-日本HarmonicDriveSystemsInc.<簡稱HDSI>。日本HDSI公司生產(chǎn)的HarmonicDrive諧波減速器,具有輕量、小型、傳動(dòng)效率高、減速范圍廣、精度高等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各種傳動(dòng)系統(tǒng)中。HDSI主要生產(chǎn)和銷售各種精密減速裝置,當(dāng)之無愧為整體運(yùn)動(dòng)控制的領(lǐng)軍企業(yè)。為了涵蓋諧波減速器不能覆蓋到的低減速比領(lǐng)域,HDSI產(chǎn)品還開發(fā)了精密行星齒輪減速機(jī)HarmonicPlanetary。獨(dú)特的內(nèi)齒圈形變工藝,可使行星齒輪嚙合得更緊、消除背隙,從而將傳動(dòng)誤差控制在精密范圍內(nèi)。HDSI最初只是在其國內(nèi)發(fā)展,與之有著長

8、久合作關(guān)系的有安川電機(jī)、三菱電機(jī)及發(fā)那科等企業(yè)。 　　近年來,中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)進(jìn)入新的歷史機(jī)遇期,以ABB、KUKA、安川、發(fā)那科為代表的國際機(jī)器人企業(yè)紛紛大舉進(jìn)入中國,設(shè)立工廠,搶占市場份額。在中國,如手機(jī)制造、半導(dǎo)體、液晶生產(chǎn)機(jī)械等行業(yè),對小型機(jī)器人的需求也是越來越旺盛,然而對于國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人而言,特別是諧波減速器、伺服電機(jī)、控制系統(tǒng)等還需大量依賴進(jìn)口,這就導(dǎo)致了其競爭力還與國外企業(yè)有差距,但是這些又是工業(yè)機(jī)器人的上游部件、關(guān)鍵部件。據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)盟統(tǒng)計(jì),20XX中國共進(jìn)口工業(yè)機(jī)器人約2.2萬臺,中國將是全球增長最快的工業(yè)機(jī)器人市場。HDSI的諧波減速器是小型工業(yè)機(jī)器人<2

9、0kg以下>或者關(guān)節(jié)臂上不可取代的部件,這為其拓展中國大陸市場帶來了新的契機(jī)。20XX1月,HDSI在華成立設(shè)立哈默納科<上海>商貿(mào)有限公司,該公司為其在華投資設(shè)立的全資銷售子公司。主要負(fù)責(zé)HDSI產(chǎn)品在中國大陸的銷售、選型等技術(shù)支持及售后服務(wù)。 HDSI早期的產(chǎn)品主要是減速機(jī)等機(jī)械產(chǎn)品,時(shí)至今日,HDSI的主打產(chǎn)品又加上了眾多的機(jī)電一體化產(chǎn)品。在減速機(jī)方面,HDSI主要有HarmonicDrive<諧波齒輪傳動(dòng)減速機(jī)>和HarmonicPlanetary<行星齒輪減速機(jī)>。其生產(chǎn)的HarmonicDrive諧波減速機(jī),基本上主導(dǎo)了主要國際市場,具有其他減速機(jī)不具備的特點(diǎn)：高旋轉(zhuǎn)精度/高定位

10、精度、小型/輕量、傳動(dòng)效率高、高減速比、減速范圍廣、精度高、高轉(zhuǎn)矩容量、無齒隙、高效率及安靜運(yùn)行等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各種傳動(dòng)系統(tǒng)中。為了涵蓋諧波減速機(jī)不能覆蓋到的低減速比領(lǐng)域,HDSI產(chǎn)品還開發(fā)了精密行星齒輪減速機(jī)HarmonicPlanetary。獨(dú)特的內(nèi)齒圈形變工藝,可以使得行星齒輪嚙合得更緊、消除背隙,從而將傳動(dòng)誤差控制在精密范圍內(nèi)。 RV減速器和諧波減速器的機(jī)械結(jié)構(gòu) RV減速器的機(jī)械結(jié)構(gòu) RV減速器可以分為兩部分,第一部分分為正齒輪減速機(jī)構(gòu),輸入軸的旋轉(zhuǎn)從輸入齒輪傳遞到直齒輪,按齒數(shù)比進(jìn)行減速。。第二部分為差動(dòng)齒輪減速機(jī)構(gòu),直齒輪與曲柄軸相連接,變?yōu)榈诙p速部的輸入。在曲柄軸的偏

11、心部分,通過滾動(dòng)軸承安裝RV齒輪。另外,在外殼內(nèi)側(cè)僅比RV齒輪數(shù)多一個(gè)的針齒,以同等的齒距排列。如果固定外殼轉(zhuǎn)動(dòng)直齒輪,則RV齒輪由于曲柄軸的偏心運(yùn)動(dòng)也進(jìn)行偏心運(yùn)動(dòng)。此時(shí)如果曲柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周,則RV齒輪就會(huì)沿與曲柄軸相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒。這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)被輸出到第2減速部的軸。將軸固定時(shí),外殼側(cè)成為輸出側(cè)。 諧波減速的機(jī)械結(jié)構(gòu) 諧波減速器主要由三個(gè)基本構(gòu)件組成： 〔1帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪〔剛輪,它相當(dāng)于行星系中的中心輪； 〔2帶有外齒圈的柔性齒輪〔柔輪,它相當(dāng)于行星齒輪； 〔3波發(fā)生器H,它相當(dāng)于行星架。 作為減速器使用,通常采用波發(fā)生器主動(dòng)、剛輪固定、柔輪輸出形式

12、。 波發(fā)生器H是一個(gè)桿狀部件,其兩端裝有滾動(dòng)軸承構(gòu)成滾輪,與柔輪1的內(nèi)壁相互壓緊。柔輪為可產(chǎn)生較大彈性變形的薄壁齒輪,其內(nèi)孔直徑略小于波發(fā)生器的總長。波發(fā)生器是使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形的構(gòu)件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪后,迫使柔輪的剖面由原先的圓形變成橢圓形,其長軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合,而短軸兩端附近的齒則與剛輪完全脫開。周長上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過渡狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),柔輪的變形不斷改變,使柔輪與剛輪的嚙合狀態(tài)也不斷改變,由嚙入、嚙合、嚙出、脫開、再嚙入……,周而復(fù)始地進(jìn)行,從而實(shí)現(xiàn)柔輪相對剛輪沿波發(fā)生器H相反方向的緩慢旋轉(zhuǎn)。工作時(shí),固定剛輪,由電機(jī)帶動(dòng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)

13、動(dòng),柔輪作為從動(dòng)輪,輸出轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。在傳動(dòng)過程中,波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周,柔輪上某點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù)稱為波數(shù),以 n 表示。常用的是雙波和三波兩種。雙波傳動(dòng)的柔輪應(yīng)力較小,結(jié)構(gòu)比較簡單,易于獲得大的傳動(dòng)比。故為目前應(yīng)用最廣的一種。 （1） 剛輪固定,柔輪輸出 波發(fā)生器主動(dòng),單級減速,結(jié)構(gòu)簡單,傳動(dòng)比范圍較大,效率較高,應(yīng)用極廣,i=75~500。 （2) 柔輪固定,剛輪輸出 波發(fā)生器主動(dòng),單級減速,結(jié)構(gòu)簡單,傳動(dòng)比范圍較大,效率較高,可用于中小型減速器,i=75~500。 (3) 波發(fā)生器固定—?jiǎng)傒嗇敵? 柔輪主動(dòng),單級微小減速,傳動(dòng)比準(zhǔn)確,適用于高精度微調(diào)傳動(dòng)裝置,i=1.002~1

14、.015。 RV減速器與諧波減速器的性能對比 RV減速器的性能 主要優(yōu)點(diǎn) 傳動(dòng)比范圍大； <2>扭轉(zhuǎn)剛度大,輸出機(jī)構(gòu)即為兩端支承的行星架,用行星架左端的剛性大圓盤輸出,大圓盤與工作機(jī)構(gòu)用螺栓聯(lián)結(jié),其扭轉(zhuǎn)剛度遠(yuǎn)大于一般擺線針輪行星減速器的輸出機(jī)構(gòu)。在額定轉(zhuǎn)矩下,彈性回差??； <3>只要設(shè)計(jì)合理,制造裝配精度保證,就可獲得高精度和小間隙回差； <4>傳動(dòng)效率高； <5>傳遞同樣轉(zhuǎn)矩與功率時(shí)的體積小<或者說單位體積的承載能力大>,RV減速器由于第一級用了三個(gè)行星輪,特別是第二級,擺線針輪為硬齒面多齒嚙合,這本身就決定了它可以用小的體積傳遞大

15、的轉(zhuǎn)矩,又加上在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,讓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)置于行星架的支承主軸承內(nèi),使軸向尺寸大大縮小,所有上述因素使傳動(dòng)總體積大為減小。 主要缺點(diǎn) RV減速器的技術(shù)難點(diǎn)在于該部件需要保證傳遞很大的扭矩,承受很大的過載沖擊,并保證預(yù)期的工作壽命,因而在設(shè)計(jì)上使用了過定位結(jié)構(gòu),這使得零件加工精度要求極高,加工十分困難。 應(yīng)用范圍 RV系列蝸輪減速機(jī)可廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、輸送、水利、化工、食品、飲料、紡織、煙草、包裝、環(huán)保等眾多行業(yè)和領(lǐng)域工藝裝備的機(jī)械減速裝置,深受用戶的好評、是目前現(xiàn)代工業(yè)裝備實(shí)現(xiàn)大速比低噪音、高穩(wěn)定機(jī)械減速傳動(dòng)控制裝置的最佳選擇。特別是對于工業(yè)機(jī)器人,機(jī)床

16、加工臺,焊接定位器,自動(dòng)托盤,運(yùn)輸機(jī)械手,數(shù)控機(jī)床刀庫,等需要精密定位又需要傳遞大扭矩的設(shè)備,RV減速器更是顯現(xiàn)出來無可比擬的優(yōu)勢。 諧波減速器的性能 主要優(yōu)點(diǎn) <1>傳動(dòng)速比大。單級諧波齒輪傳動(dòng)速比范圍為70~320,在某些裝置中可達(dá)到1000,多級傳動(dòng)速比可達(dá)30000以上。它不僅可用于減速,也可用于增速的場合。 <2>承載能力高。這是因?yàn)橹C波齒輪傳動(dòng)中同時(shí)嚙合的齒數(shù)多,雙波傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒數(shù)可達(dá)總齒數(shù)的30％以上,而且柔輪采用了高強(qiáng)度材料,齒與齒之間是面接觸。 <3>傳動(dòng)精度高。這是因?yàn)橹C波齒輪傳動(dòng)中同時(shí)嚙合的齒數(shù)多,誤差平均化,即多齒嚙合對誤差有相互補(bǔ)

17、償作用,故傳動(dòng)精度高。在齒輪精度等級相同的情況下,傳動(dòng)誤差只有普通圓柱齒輪傳動(dòng)的1/4左右。同時(shí)可采用微量改變波發(fā)生器的半徑來增加柔輪的變形使齒隙很小,甚至能做到無側(cè)隙嚙合,故諧波齒輪減速機(jī)傳動(dòng)空程小,適用于反向轉(zhuǎn)動(dòng)。 <4>傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。由于柔輪輪齒在傳動(dòng)過程中作均勻的徑向移動(dòng),因此,即使輸入速度很高,輪齒的相對滑移速度仍是極低<故為普通漸開線齒輪傳動(dòng)的百分之—>,所以,輪齒磨損小,效率高<可達(dá)69%~96％>。又由于嚙入和嚙出時(shí),齒輪的兩側(cè)都參加工作,因而無沖擊現(xiàn)象,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。 <5>結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)少、安裝方便。僅有三個(gè)基本構(gòu)件,且輸入與輸出軸同軸線,所以結(jié)構(gòu)

18、簡單,安裝方便。 <6>體積小、重量輕。與一般減速機(jī)比較,輸出力矩相同時(shí),諧波齒輪減速機(jī)的體積可減小 2／3,重量可減輕1／2. <7>可向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)。利用柔輪的柔性特點(diǎn),輪傳動(dòng)的這一可貴優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)有其他傳動(dòng)無法比擬的。 主要缺點(diǎn) <1>柔輪周期性地發(fā)生變形,因而產(chǎn)生交變應(yīng)力,使之易于產(chǎn)生疲勞破壞。 <2>轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和起動(dòng)力矩大,不宜用于小功率的跟蹤傳動(dòng)。 <3>不能用于傳動(dòng)速比小于35的場合。 <4>采用滾子波發(fā)生器<自由變形波>的諧波傳動(dòng),其瞬時(shí)傳動(dòng)比不是常數(shù)。 <5>散熱條件差。 應(yīng)用范圍 諧波齒輪減速機(jī)在航空、航天、能源、航海、造船、仿生機(jī)械、常用軍械、機(jī)床、儀表、電子設(shè)備、礦山冶金、交通運(yùn)輸、起重機(jī)械、石油化工機(jī)械、紡織機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械以及醫(yī)療器械等方面得到日益廣泛的應(yīng)用,特別是在高動(dòng)態(tài)性能的伺服系統(tǒng)中,采用諧波齒輪傳動(dòng)更顯示出其優(yōu)越性。它傳遞的功率從幾十瓦到幾十千瓦,但大功率的諧波齒輪傳動(dòng)多用于短期工作場合。 5 / 5