伺服壓力機(jī)新型減速機(jī)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

崔敏超，趙升噸，陳 超，朱 駿，李 雪

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)工作瞬間主要依靠飛輪提供所需的能量，其整體設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是能量，因此對(duì)減速機(jī)構(gòu)的要求主要是需要達(dá)到一定的傳動(dòng)比，使壓力機(jī)滿足工件成形時(shí)的速度和成形力要求[1]。近年來，新型伺服壓力機(jī)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了使壓力機(jī)滑塊的運(yùn)動(dòng)控制性更好，需要盡量減少折算到伺服電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而使伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的加（減）速性能更好。為此，伺服壓力機(jī)往往取消慣量大、可儲(chǔ)存和釋放能量的飛輪，而主要依靠電機(jī)的瞬時(shí)扭矩來提供滑塊的壓制力，其傳動(dòng)系統(tǒng)的主要要求是力，根據(jù)工作行程中的最大總負(fù)荷、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比和增力比、伺服電機(jī)的過載倍數(shù)來選擇伺服電機(jī)的扭矩和容量[2]。為獲得較大的噸位，無飛輪的伺服壓力機(jī)一般需要選用大容量的伺服電機(jī)，極大提高了伺服壓力機(jī)的成本，同時(shí)伺服電機(jī)的功率也制約了壓力機(jī)噸位的提高，而伺服壓力機(jī)中電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速往往偏低，發(fā)揮不了電機(jī)高轉(zhuǎn)速的優(yōu)勢(shì)[3]。

因此，伺服壓力機(jī)對(duì)減速機(jī)構(gòu)提出了新的要求，其減速機(jī)構(gòu)應(yīng)能滿足更大的傳動(dòng)比和增力比，傳統(tǒng)壓力機(jī)上一級(jí)皮帶傳動(dòng)和一級(jí)或兩級(jí)齒輪傳動(dòng)所能達(dá)到的傳動(dòng)比已經(jīng)不能滿足伺服壓力機(jī)的需要。越來越多的新型伺服壓力機(jī)采用了新型的減速形式來滿足對(duì)于傳動(dòng)比和增力比的要求，從而盡可能發(fā)揮電機(jī)高轉(zhuǎn)速的優(yōu)勢(shì)[4]。

1 傳統(tǒng)伺服壓力機(jī)減速器的不足

如圖1所示，傳統(tǒng)壓力機(jī)一般采用一級(jí)皮帶和兩級(jí)齒輪減速的形式，包含電機(jī)、大帶輪、小帶輪、第一級(jí)大齒輪、第一級(jí)小齒輪、第二級(jí)大齒輪、第二級(jí)小齒輪，傳動(dòng)比約為7～25。這種結(jié)構(gòu)主要存在以下不足：

圖1 傳統(tǒng)伺服壓力機(jī)減速形式原理圖

（1）能夠達(dá)到的最大傳動(dòng)比小。傳統(tǒng)的皮帶和齒輪減速形式，由于普通圓柱齒輪所能達(dá)到的最大傳動(dòng)比有限，因此能夠達(dá)到的最大傳動(dòng)比小，不能滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服壓力機(jī)對(duì)減速機(jī)構(gòu)大傳動(dòng)比的需求。

（2）噪聲大，振動(dòng)大。齒輪傳動(dòng)由于傳動(dòng)過程中僅有1～2對(duì)齒接觸傳動(dòng)，平穩(wěn)性差，在一對(duì)齒進(jìn)入嚙合時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲，使整個(gè)壓力機(jī)運(yùn)行時(shí)噪聲和振動(dòng)都很大[5]。

（3）體積和重量大。齒輪傳動(dòng)時(shí)，當(dāng)要實(shí)現(xiàn)較大傳動(dòng)比和功率時(shí)，大齒輪需要做的很大，以滿足傳動(dòng)比和齒的彎曲強(qiáng)度的要求，此時(shí)在減速器中造成了很大的空間浪費(fèi)，給潤(rùn)滑和布置帶來了難度。

（4）精度差。皮帶傳動(dòng)精度差，當(dāng)伺服壓力機(jī)需要精確控制滑塊下行量時(shí)，由于減速機(jī)構(gòu)自身的誤差，使滑塊的速度和位置難以預(yù)測(cè)，造成整個(gè)伺服壓力機(jī)精度下降。

2 伺服壓力機(jī)新型減速器發(fā)展趨勢(shì)

隨著伺服壓力機(jī)對(duì)減速形式的要求，新型減速形式越來越多地在壓力機(jī)上采用[6]，其主要發(fā)展方向有以下幾種形式。

2.1 行星齒輪減速形式

近幾年來，隨著零件加工精度的提高，行星齒輪機(jī)構(gòu)在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7]，隨著伺服壓力機(jī)的發(fā)展，行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也越來越多地在壓力機(jī)中采用，行星齒輪的主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）行星齒輪傳動(dòng)效率高，與普通齒輪相比，同等體積和重量下，行星齒輪傳動(dòng)承載能力強(qiáng)，傳遞功率大。行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般具有3個(gè)或多個(gè)行星輪，中心輪、行星輪和內(nèi)齒輪的配合形成分流機(jī)構(gòu)。通常情況下，一個(gè)太陽輪的周圍會(huì)均勻分布著幾個(gè)行星輪，這些行星輪可以共同分擔(dān)傳動(dòng)扭矩，從而使每個(gè)行星輪所承受的扭矩較小。由于行星輪是均勻布置，行星輪間可以互相平衡受到的作用力。此外，行星輪與內(nèi)齒輪的嚙合方式為內(nèi)嚙合，而內(nèi)嚙合的承載能力一般比外嚙合的高。在配置合理的情況下，行星齒輪的傳動(dòng)效率一般在97%～99%。以上特點(diǎn)決定了行星齒輪具有傳動(dòng)效率高、承載能力強(qiáng)、傳遞功率大的優(yōu)點(diǎn)[8]。

（2）在相同條件下，行星齒輪傳動(dòng)的體積一般可以做的比較小，結(jié)構(gòu)更為緊湊。由于幾個(gè)行星輪共同分擔(dān)載荷，因此齒輪的模數(shù)可以取的比較小，這樣齒輪的尺寸就可以相應(yīng)減小。在滿足行星齒輪傳動(dòng)條件的前提下，行星輪數(shù)越多，其外形尺寸就可以做的越小。此外，行星輪和內(nèi)齒輪的嚙合方式為內(nèi)嚙合，可以有效利用內(nèi)齒輪內(nèi)的空間，從而使整體結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸減小。

（3）多齒嚙合，有效減弱熱模鍛壓力機(jī)鍛壓時(shí)的沖擊和振動(dòng)，傳動(dòng)更為平穩(wěn)。太陽輪、行星輪和內(nèi)齒輪在傳動(dòng)過程中多齒嚙合，有效利用齒輪的承載能力。熱模鍛壓力機(jī)在鍛壓過程中產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)可以由多個(gè)齒來承載，因此，行星齒輪傳動(dòng)抗沖擊和振動(dòng)的能力非常強(qiáng)。

（4）行星齒輪的傳動(dòng)方式比較多，可實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比。行星齒輪傳動(dòng)的方式有NW型、NN型、N型和NGW型等。對(duì)于NGW型的行星齒輪，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比可取為3～9。對(duì)于N型的行星齒輪，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比可取為7～136。如果只考慮傳遞運(yùn)動(dòng)，行星齒輪的傳動(dòng)比最高可達(dá)上千[9]。

目前已有一些伺服壓力機(jī)上采用了行星齒輪減速機(jī)構(gòu)[10]，如圖2是一種雙電機(jī)的伺服壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖。

圖2 采用行星齒輪減速器的伺服壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

2.2 擺線針輪減速形式

擺線針輪減速器是近年來有望在壓力機(jī)上采用的一種新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[11]，其主要特點(diǎn)有：

（1）極高的減速比和高的傳動(dòng)效率，擺線針輪減速單級(jí)傳動(dòng)的減速比就能達(dá)到1∶87，同時(shí)還能保證效率在90%以上；如果采用多級(jí)擺線針輪減速，減速比可以做到更大。

（2）擺線針輪減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小，由于擺線針輪傳動(dòng)中包含行星傳動(dòng)原理，輸入軸和輸出軸可以做到同一條軸線上，使減速機(jī)構(gòu)的尺寸可以盡可能的小[12]。

（3）擺線針輪減速器運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲小。擺線針齒同時(shí)嚙合的齒數(shù)較多，重合度大，同時(shí)可通過設(shè)計(jì)使得其中零部件獲得平衡，這使得擺線針輪減速機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)和噪聲都遠(yuǎn)小于普通齒輪傳動(dòng)。

（4）機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，壽命長(zhǎng)。擺線針輪減速機(jī)構(gòu)主要零件高碳鉻鋼材料，經(jīng)淬火處理（HRC58～62）可獲得高強(qiáng)度，磨損率比較?。煌瑫r(shí)在傳動(dòng)過程中，部分傳動(dòng)接觸為滾動(dòng)摩擦，比原本的齒輪滑動(dòng)摩擦接觸磨損率低的多，所以整個(gè)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定可靠，經(jīng)久耐用[13]。

擺線針輪減速器的以上特點(diǎn)，有利于減小壓力機(jī)對(duì)電機(jī)容量的需求，減少壓力機(jī)的維修次數(shù)，提高壽命，因此近年來有學(xué)者研究在伺服壓力機(jī)上采用擺線針輪減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)形式，其主要結(jié)構(gòu)形式如圖3、4所示。

圖3 擺線針輪伺服壓力機(jī)

2.3 少齒差行星齒輪減速形式

少齒差行星齒輪傳動(dòng)是新型行星傳動(dòng)的一種，由一個(gè)外齒輪和一個(gè)內(nèi)齒輪組成一對(duì)內(nèi)齒牙嚙合的咬緊齒輪副，內(nèi)外齒輪的齒數(shù)相差很小，故稱為少齒差行星齒輪傳動(dòng)。少齒差行星齒輪傳動(dòng)幾乎適合一切功率和速率范圍的傳動(dòng)，因此受到各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為機(jī)械傳動(dòng)方面研究的重點(diǎn)[14]。

少齒差行星齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)有[15]：

圖4 擺線針輪減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）少齒差行星齒輪傳動(dòng)對(duì)加工設(shè)備要求少，加工成本低，用普通的漸開線齒輪刃具或機(jī)床就能進(jìn)行加工，也不需要特殊的材料，普通的齒輪材料就可加工。

（2）減速比范圍大，根據(jù)實(shí)際需要，少齒差行星齒輪傳動(dòng)的單級(jí)減速比最小為10，最大可到1000以上。

（3）結(jié)構(gòu)形式多，可根據(jù)不同場(chǎng)合的需求有不同的布置形式，可應(yīng)用的范圍很廣，其輸入軸和輸出軸可選在布置在同一軸線上或不在同一軸線上，輸入軸可以是單個(gè)也可以是多個(gè)。

（4）結(jié)構(gòu)緊湊，占用體積小，相同功率的減速機(jī)構(gòu)重量輕。與傳統(tǒng)減速器相比，相同功率下，少齒差行星齒輪傳動(dòng)體積和重量均可減少1/3～2/3。

（5）傳動(dòng)效率高。有研究表明，當(dāng)少齒差行星齒輪傳動(dòng)減速比范圍為10～200時(shí)，效率為80%～94%，之后傳動(dòng)效率隨著減速比的增大而減小。

（6）多齒嚙合傳動(dòng)，重合度大，承載能力大，壽命長(zhǎng)。少齒差行星齒輪傳動(dòng)是內(nèi)嚙合傳動(dòng)，兩嚙合的齒一個(gè)為凹齒，另一個(gè)為凸齒，兩齒的曲率中心在同一方向。由于內(nèi)齒圈和行星齒輪齒數(shù)相差很小，曲率半徑接近相等，因此接觸面積大，這使得齒輪的接觸強(qiáng)度大大提高。

少齒差行星齒輪減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)平穩(wěn)，中心的外齒輪可以做的很大，因此在螺旋壓力機(jī)中有直接采用少齒差行星齒輪傳動(dòng)作為減速和傳動(dòng)部件，將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過減速增矩后轉(zhuǎn)變成螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)滑塊上下移動(dòng)。圖5為采用少齒差行星齒輪傳動(dòng)的螺旋壓力機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖[16]。

圖5 采用少齒差行星齒輪減速機(jī)構(gòu)的螺旋壓力機(jī)

2.4 諧波齒輪減速形式

諧波減速器是在航空航天領(lǐng)域發(fā)展起來的一種新型機(jī)械傳動(dòng)方式，其主要結(jié)構(gòu)包括剛輪、柔輪和波發(fā)生器，波發(fā)生器為橢圓截面結(jié)構(gòu)，柔輪為薄壁筒狀的外齒輪，剛輪為剛度很大的內(nèi)齒圈。當(dāng)諧波減速器工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使柔輪發(fā)生可控的彈性變形，由于波發(fā)生器為橢圓狀，因此將使柔輪發(fā)生長(zhǎng)軸不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的橢圓形彈性變形，這將使得柔輪在剛輪上發(fā)生錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，柔輪軸線發(fā)生緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減速。其主要的優(yōu)點(diǎn)有[17][18]：

（1）元件數(shù)量少，相同傳動(dòng)功率重量輕。諧波齒輪傳動(dòng)的主要構(gòu)件只有三個(gè)：波發(fā)生器、柔輪、剛輪。它與傳統(tǒng)普通減速器相比元件數(shù)量減少，同時(shí)柔輪的薄壁結(jié)構(gòu)也使得整個(gè)減速器重量減輕。

（2）適合大傳動(dòng)比，可選傳動(dòng)比范圍廣。單級(jí)諧波傳動(dòng)比可在50～300之間，一般選擇75～200之間；雙級(jí)諧波傳動(dòng)比可在3000～60000之間，非常適合小型輕便機(jī)械壓力機(jī)，例如用于板料折彎的折彎?rùn)C(jī)[19]。

（3）傳動(dòng)時(shí)多齒嚙合。雙波諧波傳動(dòng)同時(shí)嚙合齒數(shù)可達(dá)30%，甚至更多。而在普通齒輪傳動(dòng)中，同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有2%～7%，對(duì)于直齒圓柱漸開線齒輪同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有1～2對(duì)。正是由于同時(shí)嚙合齒數(shù)多這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使諧波傳動(dòng)的精度高，整體承載能力大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大速比、小體積[20]。

（4）運(yùn)動(dòng)精度高。由于多齒嚙合，一般情況下，諧波齒輪與相同精度的普通齒輪相比，其運(yùn)動(dòng)精度能提高四倍左右。

（5）傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲很小。齒的嚙入、嚙出是隨著柔輪的變形，通過錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，逐漸進(jìn)入和逐漸退出剛輪齒間的，不同于普通齒輪的接觸，嚙合過程中齒面接觸，滑移速度小，且無突然變化。

（6）傳動(dòng)效率高。與相同速比的其他傳動(dòng)相比，諧波傳動(dòng)由于運(yùn)動(dòng)部件數(shù)量少，而且嚙合齒面的速度很低，因此效率很高，隨傳動(dòng)比的不同，效率有很大變化，傳動(dòng)效率最高可達(dá)96%，這是因?yàn)殄e(cuò)齒運(yùn)動(dòng)可使齒面的磨損很小。

（7）可很好地實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)動(dòng)。研究表明在諧波齒輪傳動(dòng)的三個(gè)主要部件中，可以任意兩個(gè)主動(dòng)，第三個(gè)從動(dòng)（與行星齒輪類似），實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變。那么如果讓波發(fā)生器和剛輪主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，柔輪從動(dòng)，就可以構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而方便地實(shí)現(xiàn)快慢速工作狀況。這一點(diǎn)可以使小型壓力機(jī)具備多個(gè)進(jìn)給速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材料的加工。

諧波減速器適合于精度較高的小型伺服壓力機(jī)中，能夠精確實(shí)現(xiàn)各種成形過程的控制，如圖6、7是采用諧波傳動(dòng)的伺服折彎?rùn)C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[21]，該伺服折彎?rùn)C(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)板料彎曲過程的精確控制。

圖6 采用諧波減速機(jī)構(gòu)的伺服折彎?rùn)C(jī)

圖7 諧波減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

（1）行星齒輪減速機(jī)構(gòu)。目前已經(jīng)有一些電動(dòng)伺服壓力機(jī)上采用行星齒輪傳動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的皮帶和齒輪傳動(dòng)，隨著生產(chǎn)力的提高，今后對(duì)伺服壓力機(jī)的需求會(huì)越來越廣，采用行星齒輪減速機(jī)構(gòu)的伺服壓力機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，承載能力強(qiáng)，將會(huì)成為很有競(jìng)爭(zhēng)力的一種減速形式。

（2）擺線針輪減速機(jī)構(gòu)。擺線針輪減速機(jī)構(gòu)是一種高效率、低磨損率、低噪聲的新型減速機(jī)構(gòu)，當(dāng)壓力機(jī)應(yīng)用在一些不便于維修、要求壓力機(jī)壽命長(zhǎng)、維修次數(shù)少的場(chǎng)合時(shí)，此時(shí)采用擺線針輪減速機(jī)構(gòu)的伺服壓力機(jī)將會(huì)因其突出的穩(wěn)定、可靠性能受到重視。

（3）少齒差行星齒輪減速機(jī)構(gòu)。少齒差行星齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，它幾乎適用于一切功率和速率范圍。隨著伺服螺旋壓力機(jī)的發(fā)展，少齒差行星齒輪傳動(dòng)也在壓力機(jī)上得到了應(yīng)用。由于少齒差行星齒輪傳動(dòng)的中心輪可以做的很大，因此可以替代螺旋壓力機(jī)的飛輪，同時(shí)兼顧減速傳動(dòng)和飛輪的作用，具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

（4）諧波齒輪減速機(jī)構(gòu)。諧波齒輪減速機(jī)構(gòu)最早是在航空航天領(lǐng)域提出來的，隨著伺服壓力機(jī)發(fā)展的高端化和精密化，它也在壓力機(jī)領(lǐng)域受到了關(guān)注。在一些需要精密控制的場(chǎng)合（如板料折彎?rùn)C(jī)控制板料回彈），采用諧波齒輪減速的伺服折彎?rùn)C(jī)具有巨大的優(yōu)勢(shì)，它可以精確控制板料的折彎成形，實(shí)現(xiàn)對(duì)板料的高精度折彎。

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