RV減速器和諧波減速器精編版

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?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)機器人產(chǎn)業(yè)的需求。直到今天，中國仍然不具備設(shè)計和制造這兩種減速器的能力?！笆濉?時期，國家“ 863”計劃將其列入重點攻克的技術(shù)瓶頸。國內(nèi)頂尖大學和科研機構(gòu)幾年攻關(guān)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(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：(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，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12、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，日本帝人精機成立，這個未來的RV減速機霸主，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(yīng)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、2003 年，帝人精機和納博克合并組成Nabtesco( 納博特斯克 ) 公司，并取得快速發(fā)展，現(xiàn)在已成為RV減速機行業(yè)的領(lǐng)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，隨著全球科學技術(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)機器人、精密設(shè)備儀器、雷達通訊設(shè)備、印刷機械、紡織機械、半導(dǎo)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(shè)施及空氣動力實驗研究等領(lǐng)域。諧波傳動這項新型技術(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，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，當之無愧為整體運動控制的領(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(guān)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(shè)立工廠，搶占市場份額。在中國，如手機制造、半導(dǎo)體、 液晶生產(chǎn)機械等行業(yè)，對小型機器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(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)機器人的上游部件、關(guān)鍵部件。 據(jù)國際機器人聯(lián)盟 (IFR) 統(tǒng)計， 2012 年中國共進口工業(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(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。2011 年 1 月， HDSI在華成立設(shè)立哈默納2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。主要負責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)品主要是減速機等機械產(chǎn)品，時至今日，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(諧波齒輪傳動減速機) 和HarmonicPlanetary(行星齒輪減速機) 。其生產(chǎn)的HarmonicDrive諧波減速機，基本上主導(dǎo)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(yīng)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(lǐng)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)。3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。4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(yīng)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(yīng)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(yīng)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5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。6RV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(l) 傳動比范圍大；(2) 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?。?3) 只要設(shè)計合理，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(shù)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(yù)期的工作壽命， 因而在設(shè)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(yīng)用范圍RV系列蝸輪減速機可廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、輸送、水利、化工、食品、飲料、紡織、7煙草、 包裝、環(huán)保等眾多行業(yè)和領(lǐng)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(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(1) 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。(2) 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。(3) 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。(4) 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 ( 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 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。與一般減速機比較，輸出力矩相同時，諧波齒輪減速機的體積可減小2 3，重量可減輕12.(7) 可向密閉空間傳遞運動。利用柔輪的柔性特點，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(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(shè)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(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。8