RV減速器和諧波減速器

RV 減速器與諧波減速器的調(diào)研報告 當(dāng)我們在無限憧憬機(jī)器人時代的時候， 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)， 如深圳的英威騰、 匯川科技， 大連的安迪的產(chǎn)品已經(jīng)可以在性能上基本滿足中國企業(yè)的需求。 可是對于精密減 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： (1) 傳動速比大， (2) 承載能力高， (3) 傳動精度高， (4) 傳動效率高、運(yùn)動平穩(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 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(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， 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(chǔ)上發(fā)展出來的，不僅克 服了一般針擺傳動的缺點(diǎn)，而且因?yàn)榫哂畜w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(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(jìn)一步的發(fā)展。 6、 1956 年，日本納博克公司發(fā)售全球第一個自動門，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、2003 年，帝人精機(jī)和納博克合并組成  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技術(shù)。 諧波傳動技術(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)施及空氣動力實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域。 諧波傳動這項(xiàng)新型技術(shù)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(yùn)動控制的領(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(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 (IFR) 統(tǒng)計(jì)， 2012 年中國共進(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 (20kg 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)。 2011 年 1 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(yùn)行等特 點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種傳動系統(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(yùn)動也進(jìn)行偏心運(yùn)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)。 波減速的機(jī)械 構(gòu) 波減速器主要由三個基本構(gòu)件 成： （ 1） 有內(nèi) 圈的 性 （ ），它相當(dāng)于行星系中的中心 ； （ 2） 有外 圈的柔性 （柔 ），它相當(dāng)于行星 ； （ 3）波 生器 H，它相當(dāng)于行星架。 作 減速器使用，通常采用波 生器主 、 固定、柔 出形式。 波 生器 H 是一個桿狀部件， 其兩端裝有 承構(gòu)成 ， 與柔 1 的內(nèi)壁相互 。 柔 可 生 大 性 形的薄壁 ， 其內(nèi)孔直徑略小于波 生器的 。 波 生器是使 柔 生可控 性 形的構(gòu)件。 當(dāng)波 生器裝入柔 后， 迫使柔 的剖面由原先的 形 成 形，其 兩端附近的 與 的 完全 合， 而短 兩端附近的 與 完全脫開。 周 上其他區(qū)段的 于 合和脫離的 渡狀 。 當(dāng)波 生器沿 示方向 ， 柔 的 形不斷改 ，使柔 與 的 合狀 也不斷改 ，由 入、 合、 出、脫開、再 入??， 周而復(fù)始地 行， 從而 柔 相 沿波 生器 H 相反方向的 慢旋 。 工作 ，固定 ，由 機(jī) 波 生器 ，柔 作 從 ， 出 ， 運(yùn) 。在 程中，波 生器 一周，柔 上某點(diǎn) 形的循 次數(shù)稱 波數(shù)，以 n 表示。常用的 是雙波和三波兩種。 雙波 的柔 力 小， 構(gòu)比 ，易于 得大的 比。 故 目前 用最廣的一種。 （ 1） 固定，柔 出 波 生器主 ， 減速， 構(gòu) ， 比范 大， 效率 高， 用極廣， i=75~500 。 （ 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—剛輪輸出 柔輪主動，單級微小減速，傳動比準(zhǔn)確，適用于高精度微調(diào)傳動裝置， i=1.002~1.015 。 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) (l) 傳動比范圍大； (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) 傳動效率高； (5) 傳遞同樣轉(zhuǎn)矩與功率時的體積小 ( 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的轉(zhuǎn)矩，又加上在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，讓傳動機(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)械減速傳動控制裝置的最佳選擇。 特別是對于工業(yè) 機(jī)器人，機(jī)床加工臺，焊接定位器，自動托盤，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) 傳動速比大。 單級諧波齒輪傳動速比范圍為 70~320 ，在某些裝置中可達(dá)到 1000，多級傳動速比可達(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波齒輪傳動中同時嚙合的齒數(shù)多，雙波傳動同時嚙合的齒 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) 傳動精度高。這是因?yàn)橹C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(bǔ)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(jī)傳動空程小，適用于反向轉(zhuǎn)動。 (4) 傳動效率高、運(yùn)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 ( 故為普通漸開線齒輪傳動的百分之— ) ，所以，輪齒磨損小，效率高 ( 可達(dá) 69%~96％ ) 。又由于嚙入和嚙出時，齒輪的兩側(cè)都參加工作， 因而無沖擊現(xiàn)象，運(yùn)動平穩(wěn)。 (5) 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。 (6) 體積小、重量輕。與一般減速機(jī)比較，輸出力矩相同時，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。利用柔輪的柔性特點(diǎn)，輪傳動的這一可貴優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)有其他傳動無法比擬的。 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)動慣量和起動力矩大，不宜用于小功率的跟蹤傳動。 (3) 不能用于傳動速比小于 35 的場合。 (4) 采用滾子波發(fā)生器 ( 自由變形波 ) 的諧波傳動，其瞬時傳動比不是常數(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。