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1、.RV減速器與諧波減速器的調(diào)研報告 當我們在無限憧憬機器人時代的時候,我們卻很少知道在機器人的所有零部件中,有兩樣東西一直是我們國人無法跨越過去的障礙,那就是伺服電機和精密減速器。隨著自動化和電子電氣理論的日趨成熟,國人在伺服電機方面已經(jīng)邁出了堅實的一步,雖然在目前國內(nèi)的伺服電機75%仍然依靠進口,但對于中小功率的伺服電機,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,特別是機器人關節(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)庫當中,翻遍所有關于生產(chǎn)這兩種減速器的國產(chǎn)廠家,我們?nèi)匀浑y以找出哪怕一家
2、產(chǎn)品可以在性能上滿足國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)的需求。 直到今天,中國仍然不具備設計和制造這兩種減速器的能力。十二五時期,國家863計劃將其列入重點攻克的技術瓶頸。國內(nèi)頂尖大學和科研機構(gòu)幾年攻關也只有論文,沒有實物。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)成型了近半個世紀的鴻溝？為什么機器人要用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減速器和諧波減速器與上述幾種減速的區(qū)別在于,RV減速器
3、是行星減速器和擺線減速器的組成的一個二級減速器,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動和動力的齒輪傳動。這兩種減速器相對于其它減速器而言,具有以下的優(yōu)勢：傳動速比大,承載能力高,傳動精度高,傳動效率高、運動平穩(wěn),結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)少、安裝方便,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RV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機構(gòu),它是用外擺
4、線作為齒廓曲線的,這就是最早期的針擺行星傳動,由于兩個嚙合齒輪其中之一采用了針輪的形式,這種傳動也被稱做擺線針輪行星齒輪傳動。RV傳動一種全新的傳動方式,它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動的基礎上發(fā)展出來的,不僅克服了一般針擺傳動的缺點,而且因為具有體積小、重量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動平穩(wěn)等一系列優(yōu)點。 1、1926年德國人勞倫茲勃朗于創(chuàng)造性地提出RV減速機原理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合作協(xié)議,并生產(chǎn)銷售；4、1944年,日本帝人精機成立,這個未來的RV減速機
5、霸主,在飛機制造、紡織機械、機床等多個行業(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,使擺線傳動得到了進一步的發(fā)展。6、1956年,日本納博克公司發(fā)售全球第一個自動門,在市場上展露頭角。7、1980年左右,日本帝人精機提出RV傳動理論,著手應用于機器人行業(yè)。8、1986年,日本帝人精機RV減速機正式大規(guī)模生產(chǎn),取得成功；9、20XX,帝人精機和納博克合并組成Nabtesco公司,并取得快速發(fā)展,現(xiàn)在已成為RV減速機行業(yè)的領頭羊,占據(jù)了60%以上的市場,特別在中/重負荷機器人上,其RV減速機市場占有率高達90%。諧波減速器的誕生20世紀50年代中期,隨著
6、全球科學技術的發(fā)展,美國人馬瑟在薄殼彈性變形理論基礎上,應用金屬的撓性和彈性力學原理發(fā)明出來一種新型諧波傳動技術。諧波傳動技術主要應用于航空航天、工業(yè)機器人、精密設備儀器、雷達通訊設備、印刷機械、紡織機械、半導體工業(yè)晶圓傳送裝置、印刷包裝機械、醫(yī)療器械、金屬成型機械、儀器儀表、光學制造儀器、核設施及空氣動力實驗研究等領域。 諧波傳動這項新型技術的出現(xiàn)便引起了各國的重視。1970年引入日本,隨之誕生了日本第一家整體運動控制的領軍企業(yè)-日本HarmonicDriveSystemsInc.。日本HDSI公司生產(chǎn)的HarmonicDrive諧波減速器,具有輕量、小型、傳動效率高、減速范圍廣、精度高等特
7、點,被廣泛應用于各種傳動系統(tǒng)中。HDSI主要生產(chǎn)和銷售各種精密減速裝置,當之無愧為整體運動控制的領軍企業(yè)。為了涵蓋諧波減速器不能覆蓋到的低減速比領域,HDSI產(chǎn)品還開發(fā)了精密行星齒輪減速機HarmonicPlanetary。獨特的內(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,與之有著長久合作關系的有安川電機、三菱電機及發(fā)那科等企業(yè)。近年來,中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)進入新的歷史機遇期,以ABB、KUKA、安川、發(fā)那科為代表的國際機器人企業(yè)紛紛大舉進入中國,設立工廠,搶占市場份額。在中國,如手機制造、半導體、液晶生產(chǎn)機械等行業(yè),對小型機器
8、人的需求也是越來越旺盛,然而對于國內(nèi)的工業(yè)機器人而言,特別是諧波減速器、伺服電機、控制系統(tǒng)等還需大量依賴進口,這就導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)機器人的上游部件、關鍵部件。據(jù)國際機器人聯(lián)盟統(tǒng)計,20XX中國共進口工業(yè)機器人約2.2萬臺,中國將是全球增長最快的工業(yè)機器人市場。HDSI的諧波減速器是小型工業(yè)機器人或者關節(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。20XX1月,HDSI在華成立設立哈默納科商貿(mào)有限公司,該公司為其在華投資設立的全資銷售子公司。主要負責HDSI產(chǎn)品在中國大陸的銷售、選型等技術支持及售后服務。HDSI早期的產(chǎn)品主要是減速機等機械產(chǎn)品,時
9、至今日,HDSI的主打產(chǎn)品又加上了眾多的機電一體化產(chǎn)品。在減速機方面,HDSI主要有HarmonicDrive和HarmonicPlanetary。其生產(chǎn)的HarmonicDrive諧波減速機,基本上主導了主要國際市場,具有其他減速機不具備的特點：高旋轉(zhuǎn)精度/高定位精度、小型/輕量、傳動效率高、高減速比、減速范圍廣、精度高、高轉(zhuǎn)矩容量、無齒隙、高效率及安靜運行等特點,被廣泛應用于各種傳動系統(tǒng)中。為了涵蓋諧波減速機不能覆蓋到的低減速比領域,HDSI產(chǎn)品還開發(fā)了精密行星齒輪減速機HarmonicPlanetary。獨特的內(nèi)齒圈形變工藝,可以使得行星齒輪嚙合得更緊、消除背隙,從而將傳動誤差控制在精密
10、范圍內(nèi)。RV減速器和諧波減速器的機械結(jié)構(gòu)RV減速器的機械結(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)比進行減速。第二部分為差動齒輪減速機構(gòu),直齒輪與曲柄軸相連接,變?yōu)榈诙p速部的輸入。在曲柄軸的偏心部分,通過滾動軸承安裝RV齒輪。另外,在外殼內(nèi)側(cè)僅比RV齒輪數(shù)多一個的針齒,以同等的齒距排列。如果固定外殼轉(zhuǎn)動直齒輪,則RV齒輪由于曲柄軸的偏心運動也進行偏心運動。此時如果曲柄軸轉(zhuǎn)動一周,則RV齒輪就會沿與曲柄軸相反的方向轉(zhuǎn)動一個齒。這個轉(zhuǎn)動被輸出到第2減速部的軸。將軸固定時,外殼側(cè)成為輸出側(cè)。諧波減速的機械結(jié)構(gòu) 諧波減速器主要由三個基本構(gòu)件組
11、成： 1帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪剛輪,它相當于行星系中的中心輪； 2帶有外齒圈的柔性齒輪柔輪,它相當于行星齒輪； 3波發(fā)生器H,它相當于行星架。作為減速器使用,通常采用波發(fā)生器主動、剛輪固定、柔輪輸出形式。波發(fā)生器H是一個桿狀部件,其兩端裝有滾動軸承構(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)。當波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉(zhuǎn)動時,柔
12、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,周而復始地進行,從而實現(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,固定剛輪,由電機帶動波發(fā)生器轉(zhuǎn)動,柔輪作為從動輪,輸出轉(zhuǎn)動,帶動負載運動。在傳動過程中,波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周,柔輪上某點變形的循環(huán)次數(shù)稱為波數(shù),以 n 表示。常用的是雙波和三波兩種。雙波傳動的柔輪應力較小,結(jié)構(gòu)比較簡單,易于獲得大的傳動比。故為目前應用最廣的一種。（1） 剛輪固定,柔輪輸出波發(fā)生器主動,單級減速,結(jié)構(gòu)簡單,傳動比范圍較大,效率較高,應用極廣,i=75500。（2) 柔輪固定,剛輪輸出波發(fā)生器主動,單級減速,結(jié)構(gòu)簡單,傳動比范
13、圍較大,效率較高,可用于中小型減速器,i=75500。(3) 波發(fā)生器固定剛輪輸出柔輪主動,單級微小減速,傳動比準確,適用于高精度微調(diào)傳動裝置,i=1.0021.015。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 傳動比范圍大； 扭轉(zhuǎn)剛度大,輸出機構(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,大圓盤與工作機構(gòu)用螺栓聯(lián)結(jié),其扭轉(zhuǎn)剛度遠大于一般擺線針輪行星減速器的輸出機構(gòu)。在額定轉(zhuǎn)矩下,彈性回差?。?只要設計合理,制造裝配精度保證,就可獲得高精度和小間隙回差； 傳動效率高； 傳遞同樣轉(zhuǎn)矩與功率時的體積小,RV減速器由于第一級用了三個行星輪,特別是第二級,擺線針輪為硬齒面多齒嚙
14、合,這本身就決定了它可以用小的體積傳遞大的轉(zhuǎn)矩,又加上在結(jié)構(gòu)設計中,讓傳動機構(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總體積大為減小。 主要缺點 RV減速器的技術難點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,并保證預期的工作壽命,因而在設計上使用了過定位結(jié)構(gòu),這使得零件加工精度要求極高,加工十分困難。 應用范圍 RV系列蝸輪減速機可廣泛應用于冶金、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)和領域工藝裝備的機械減速裝置,深受用戶的好評、是目前現(xiàn)代工業(yè)裝備實現(xiàn)大速比低噪音、高穩(wěn)定機械減速傳動控制裝置的最佳選擇。特別是對于工業(yè)機器人,機床
15、加工臺,焊接定位器,自動托盤,運輸機械手,數(shù)控機床刀庫,等需要精密定位又需要傳遞大扭矩的設備,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 傳動速比大。單級諧波齒輪傳動速比范圍為70320,在某些裝置中可達到1000,多級傳動速比可達30000以上。它不僅可用于減速,也可用于增速的場合。 承載能力高。這是因為諧波齒輪傳動中同時嚙合的齒數(shù)多,雙波傳動同時嚙合的齒數(shù)可達總齒數(shù)的30以上,而且柔輪采用了高強度材料,齒與齒之間是面接觸。 傳動精度高。這是因為諧波齒輪傳動中同時嚙合的齒數(shù)多,誤差平均化,即多齒嚙合對誤差有相互補償作用,故傳動精度高。在齒輪精度等級相同的情況下,傳動誤差只
16、有普通圓柱齒輪傳動的1/4左右。同時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,故諧波齒輪減速機傳動空程小,適用于反向轉(zhuǎn)動。 傳動效率高、運動平穩(wěn)。由于柔輪輪齒在傳動過程中作均勻的徑向移動,因此,即使輸入速度很高,輪齒的相對滑移速度仍是極低,所以,輪齒磨損小,效率高。又由于嚙入和嚙出時,齒輪的兩側(cè)都參加工作,因而無沖擊現(xiàn)象,運動平穩(wěn)。 結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)少、安裝方便。僅有三個基本構(gòu)件,且輸入與輸出軸同軸線,所以結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便。 體積小、重量輕。與一般減速機比較,輸出力矩相同時,諧波齒輪減速機的體積可減小 23,重量可減輕12. 可向密閉空間傳遞運動。利用柔輪
17、的柔性特點,輪傳動的這一可貴優(yōu)點是現(xiàn)有其他傳動無法比擬的。主要缺點 柔輪周期性地發(fā)生變形,因而產(chǎn)生交變應力,使之易于產(chǎn)生疲勞破壞。 轉(zhuǎn)動慣量和起動力矩大,不宜用于小功率的跟蹤傳動。 不能用于傳動速比小于35的場合。 采用滾子波發(fā)生器的諧波傳動,其瞬時傳動比不是常數(shù)。 散熱條件差。應用范圍 諧波齒輪減速機在航空、航天、能源、航海、造船、仿生機械、常用軍械、機床、儀表、電子設備、礦山冶金、交通運輸、起重機械、石油化工機械、紡織機械、農(nóng)業(yè)機械以及醫(yī)療器械等方面得到日益廣泛的應用,特別是在高動態(tài)性能的伺服系統(tǒng)中,采用諧波齒輪傳動更顯示出其優(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多用于短期工作場合。5 / 5
RV減速器及諧波減速器
