RV減速器傳動(dòng)精度及固有特性研究

程發(fā)龍

摘要：RV減速器由于具有長(zhǎng)而可靠的使用壽命、大范圍可能的傳動(dòng)比、在動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下極其可靠的功能、緊湊的設(shè)計(jì)和高效率等許多優(yōu)良特性而被廣泛應(yīng)用.RV減速器所具有的特性使得其在工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊中的應(yīng)用較多也較為廣泛.新時(shí)代背景下工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用規(guī)模增加，特別是相關(guān)高精度化的需求愈加旺盛.RV減速器是工業(yè)機(jī)器人的重要核心部件之一需要具備更高的傳動(dòng)精度.本文在分析RV減速器結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)影響RV減速器傳動(dòng)精度的因素進(jìn)行分析，并就如何提高RV減速器的傳動(dòng)精度進(jìn)行分析闡述.

關(guān)鍵詞：RV減速器;傳動(dòng)特性;精度

中圖分類號(hào)：TH132.46? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）04-0095-04

1 引言

工業(yè)是一個(gè)國(guó)家發(fā)展的重要基礎(chǔ)，隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用能夠有效地提高工業(yè)生產(chǎn)的效率及質(zhì)量.相較于國(guó)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步較晚，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人中的一些核心部件都需要進(jìn)口.

隨著智能化和數(shù)字化的到來，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)逐漸應(yīng)用于國(guó)家發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域.減速器是影響工業(yè)機(jī)器人質(zhì)量和水平的重要部件，也標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平.精密齒輪RV系列是機(jī)床、工廠機(jī)器人、裝配設(shè)備、輸送機(jī)等需要精密定位、高剛度、高沖擊負(fù)荷能力的相關(guān)領(lǐng)域精密機(jī)械控制的理想減速器.

2 RV減速器的結(jié)構(gòu)

RV減速器是由行星齒輪傳動(dòng)和行星擺線傳動(dòng)組成的兩級(jí)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于其由中心圓盤支撐的封閉、超靜定和組合行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有傳動(dòng)比大、體積小、剛度大、承載能力大、傳動(dòng)效率高和傳動(dòng)精度高等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置中[1]，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖2-1所示.

RV減速器的擺線齒輪以相反的方向繞其自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)輸入旋轉(zhuǎn)的角度，因?yàn)檩S具有一體化結(jié)構(gòu).擺線減速器包含由銷或行星齒輪組成的內(nèi)齒輪，對(duì)減速器系統(tǒng)產(chǎn)生雙速減速效果，最近已在機(jī)器人中流行起來.這是因?yàn)樗鼈兛梢援a(chǎn)生比相同尺寸的普通擺線減速器更大的減速率，普通擺線減速器通過將擺線齒輪運(yùn)動(dòng)直接平移通過輸入偏心軸來減速.RV減速器的結(jié)構(gòu)基于其傳動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，包括擺線齒輪、銷齒輪箱、銷齒輪、曲軸和軸承孔等部件.為了提高裝配精度，必須進(jìn)行高精度加工，因此RV減速器通常成本和銷售價(jià)格都很高.

下面RV減速器的主要零部件進(jìn)行說明：

2.1 輸入齒輪軸

在擺線針輪減速器的理想設(shè)計(jì)中，輸入齒輪的齒形可以與風(fēng)輪上的所有銷齒接觸，其中一半的銷齒參與載荷傳遞.同時(shí)，擺線齒輪上的輸出孔可以與輸出盤上的所有銷保持接觸，并且輸出銷的一半傳遞負(fù)載.

2.2 漸開線行星輪

行星輪以齒輪軸為中心互成120°對(duì)稱安裝，與輸入齒輪軸相嚙合，輸入齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)三個(gè)行星輪以同樣的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，通過梯形鍵與曲柄軸固聯(lián)，帶動(dòng)曲柄軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而完成RV減速器的第一級(jí)減速任務(wù)[2].復(fù)合行星齒輪的裝配條件比簡(jiǎn)單的行星齒輪更嚴(yán)格，而且它們必須以相對(duì)正確的初始方向裝配，否則它們的齒不能同時(shí)與行星兩端的太陽輪和環(huán)形齒輪嚙合，復(fù)合行星齒輪能以相同或更小的體積容易獲得更大的傳動(dòng)比.

2.3 曲柄軸

三個(gè)曲柄軸分別通過梯形鍵與三個(gè)行星輪相對(duì)應(yīng)聯(lián)接固定在一起，在進(jìn)行轉(zhuǎn)速求解時(shí)將兩者看成一個(gè)整體，通過安裝在曲柄軸偏心部分上的圓柱滾子軸承，將動(dòng)力傳遞給擺線輪，作為RV減速器第二級(jí)減速的輸入部分[3].

2.4 擺線輪

兩擺線輪對(duì)稱分布，相位差180°，與曲柄軸通過圓柱滾子軸承相接觸，繞輸入齒輪軸軸線做偏心轉(zhuǎn)動(dòng)，在輸入扭矩的作用下，零件的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榻钦较颍刃灰频恼较驗(yàn)槊總€(gè)零件的運(yùn)動(dòng)方向[5].

2.5 行星架

以軸線為中心，行星架和輸出盤成120°對(duì)稱分布，曲柄軸通過圓錐滾子軸承與行星架相聯(lián)接，行星架為行星輪和曲柄軸的轉(zhuǎn)動(dòng)起支撐作用，同時(shí)隨曲柄軸繞輸入齒輪軸軸線做公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng).

2.6 輸出盤

輸出盤與第一級(jí)的固定環(huán)形齒輪的殼體滾子接觸，并且能夠圍繞其自身的軸自由旋轉(zhuǎn).中心圓盤沿與輸入軸相反的方向旋轉(zhuǎn)，可以圍繞軸軸線自由旋轉(zhuǎn)，輸出盤不動(dòng)，殼體反過來提供輸出動(dòng)力進(jìn)行輸出，實(shí)現(xiàn)RV減速器二級(jí)減速.

2.7 殼體

殼體的作用是承載各零部件，此外還可作為輸出端：當(dāng)輸出盤與行星架固定式時(shí)，殼體則作為輸出機(jī)構(gòu)進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而完成RV減速器目標(biāo)二級(jí)減速任務(wù).

3 RV傳動(dòng)原理及其特點(diǎn)

3.1 RV減速器的傳動(dòng)原理

RV減速器傳動(dòng)過程首先通過輸入齒輪軸輸入動(dòng)力，與一級(jí)漸開線行星輪的嚙合傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)第一次減速;行星輪在曲柄軸上固定，從而帶動(dòng)曲柄軸繞中心輪公轉(zhuǎn)，同時(shí)進(jìn)行自轉(zhuǎn)帶動(dòng)擺線輪;擺線輪與針齒輪做嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過反饋帶動(dòng)曲柄軸將傳動(dòng)行星架和輸入盤.隨著擺線盤的旋轉(zhuǎn)，與組件的其它減速部件發(fā)生兩個(gè)接觸點(diǎn).

首先，盤的外表面相對(duì)于環(huán)形齒輪箱的輥?zhàn)踊瑒?dòng)，其次，盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與低速軸的輥?zhàn)酉嗷プ饔?擺線盤本身以與高速軸相反的方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，盤的外邊緣上的凸起逐漸與連接到環(huán)形齒輪箱內(nèi)周的輥?zhàn)咏雍?這種相互作用以降低的速度產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn).對(duì)于高速軸的每一次完整旋轉(zhuǎn)，擺線盤以相反的方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)擺線齒長(zhǎng).通常，圓盤周圍的擺線齒比固定環(huán)形齒輪殼體中的銷少一個(gè)，導(dǎo)致實(shí)際減速比等于圓盤上擺線齒數(shù)，擺線盤的減小的旋轉(zhuǎn)通過與盤內(nèi)包含的孔接合的驅(qū)動(dòng)銷和輥傳遞到低速軸.隨著同時(shí)承受接觸和傳遞載荷的滾子（齒）數(shù)量的增加，最大應(yīng)力值減小，提供了更大的扭矩傳遞能力，并提供了異常平穩(wěn)、無振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)，這種系統(tǒng)通常包括兩個(gè)圓盤和一個(gè)雙偏心凸輪.對(duì)于具有相應(yīng)較小扭矩容量的較小單元尺寸，可以使用由單個(gè)偏心凸輪驅(qū)動(dòng)的單個(gè)盤系統(tǒng).

殼體固定的情況下，輸入齒輪軸（1）提供動(dòng)力，通過輸出盤-6輸出動(dòng)力，假如齒輪軸（1）順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，行星輪（2）與曲柄軸（3）為整體，一邊繞輸入齒輪軸（4）的軸線公轉(zhuǎn)，同時(shí)以逆時(shí)針方向自轉(zhuǎn)完成高速段第一次減速，主減速器一是改變動(dòng)力傳動(dòng)的方向，二是作為傳動(dòng)的延伸，為每個(gè)齒輪提供共同的傳動(dòng)比.曲柄軸（3）的轉(zhuǎn)動(dòng)作為二級(jí)減速的轉(zhuǎn)動(dòng)輸入，曲柄軸（3）與擺線輪（4）接觸后將動(dòng)力傳遞給擺線輪（4），之后擺線輪與針齒輪（5）做內(nèi)嚙合式的滾動(dòng)摩擦反饋給曲柄軸（3），帶動(dòng)曲柄軸（3）一起繞輸入齒輪軸（1）的軸線做以順時(shí)針為方向的公轉(zhuǎn)完成二級(jí)減速;曲柄軸（3）分別與行星架（7）和輸出盤（5）相接，曲柄軸繞輸入齒輪軸（1）的做以順時(shí)針為方向公轉(zhuǎn)的同時(shí)，行星架（7）和輸出盤（6）也隨曲柄軸一起做繞輸入齒輪軸（1）的軸線的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)作為最終輸出轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速的比值即為RV減速器傳動(dòng)比.RV減速器的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3-1所示.

3.2 RV減速器的傳動(dòng)特點(diǎn)

RV減速器采用兩級(jí)擺線設(shè)計(jì)，具有高傳動(dòng)比、高扭矩和強(qiáng)的沖擊負(fù)荷能力，采用滾動(dòng)接觸元件，減少磨損，延長(zhǎng)使用壽命.同時(shí)，RV減速器由于獨(dú)特的針齒結(jié)構(gòu)的擺線設(shè)計(jì)，具有低齒隙的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)減速器相比，具有更高的精度和抗沖擊性.RV減速器由大的內(nèi)部角支撐軸承組成，這些軸承提供大的力矩能力，并且不需要外部支撐裝置.RV減速器由于集成角支承軸承，具有剛度高、承受外力矩能力強(qiáng)、無需外力支承的特點(diǎn)，不僅減少了零部件數(shù)量，而且節(jié)省了成本，也增加了操作的可靠性.擺線輪和針輪嚙合力的影響程度由大到小依次為擺線輪齒數(shù)、短振幅系數(shù)和針齒中心半徑，針齒半徑相對(duì)較小.

在RV減速器傳動(dòng)中，核心傳動(dòng)部分為擺線針輪傳動(dòng)，而核心傳動(dòng)部分為擺線針輪傳動(dòng)，其精度直接影響RV減速器的傳動(dòng)精度、穩(wěn)定性乃至整體性能.減速器的擺線針齒是100%的連續(xù)接觸，保證極低的側(cè)隙和高的沖擊負(fù)荷能力，由于兩個(gè)擺線齒輪的低速旋轉(zhuǎn)，兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)能夠減小振動(dòng)，同時(shí)由于減小了輸入耦合尺寸而減小了慣性.RV減速器也有各種各樣的比率，可以通過在第一階段的直齒輪組合得到，在整RV減速器中使用滾動(dòng)接觸部件有助于出色的啟動(dòng)效率、低側(cè)隙、低磨損和長(zhǎng)的使用壽命.傳動(dòng)誤差反映了輸入軸和輸出軸之間的角傳動(dòng)精度，當(dāng)輸入齒輪固定時(shí)，指定扭矩沿兩個(gè)方向施加到輸出軸上，并且測(cè)量彈性.在零負(fù)載（死點(diǎn)）時(shí)，滯回區(qū)上下邊界映射之間的距離-φ最大為1弧分鐘.機(jī)器人RV減速器還提供了多齒嚙合，同時(shí)，平衡雙圓盤結(jié)構(gòu)的偏置振動(dòng)、高重疊系數(shù)以及具有適當(dāng)間隙的滾子接觸，以避免齒輪干涉，從而有效降低噪音和振動(dòng).RV減速器采用滾動(dòng)接觸元件設(shè)計(jì)獨(dú)特的針擺線輪齒，有利于減少磨損，減小間隙，使其比傳統(tǒng)減速機(jī)具有更強(qiáng)的抗沖擊性能，并進(jìn)一步減小間隙.RV減速器具有承載大的內(nèi)部軸承，以實(shí)現(xiàn)更大的承載能力，從而降低外部支撐設(shè)備的要求，從而減少設(shè)計(jì)時(shí)間和安裝成本.真正的對(duì)稱齒輪設(shè)計(jì)，以及所有的軸滾珠軸承支撐，保證了恒定性能的使用周期，并允許在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到額定峰值扭矩的5倍.

4 RV減速器傳動(dòng)精度的分析與控制

RV減速器以精密運(yùn)動(dòng)控制專用的平板為中心的減速器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、剛度高等特點(diǎn)，其強(qiáng)度足以抵抗過載情況.此外，自由間隙、微轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)和低慣量的優(yōu)點(diǎn)保證了快速加速度、超精密定位和平滑運(yùn)動(dòng).在理論上，RV減速器擺線盤的所有齒都與環(huán)形齒輪的相應(yīng)滾子接觸，其中一半傳遞載荷.然而，實(shí)際情況并非如此，因?yàn)榄h(huán)形齒輪的滾子和擺線盤的齒之間存在一定的間隙，以便補(bǔ)償擺線盤制造過程中產(chǎn)生的誤差，為潤(rùn)滑提供更好的條件，實(shí)現(xiàn)減速器的更容易組裝和拆卸等等.這些間隙的大小直接影響擺線盤齒和齒圈輥之間接觸時(shí)出現(xiàn)的接觸力的分布，意味著隨著間隙尺寸的增加，傳遞載荷的相應(yīng)元件的數(shù)量正在減少.擺線盤與齒圈和輸出輥接觸，接觸力的值取決于間隙的大小，即傳遞載荷的擺線盤齒（環(huán)形齒輪的滾子）的數(shù)量.

第一級(jí)行星齒輪由輸入軸、中心論、行星輪等部分構(gòu)成.擺線針輪傳動(dòng)由曲柄軸、擺線輪、針輪等部分構(gòu)成.RV減速器的偏心軸與輸出軸連接，保證了偏心軸與針齒殼同步轉(zhuǎn)動(dòng)，其輸出軸和輸入軸是一條直線，結(jié)構(gòu)得到了加強(qiáng)，節(jié)省了空間，因此在相同的齒輪減速器和蝸桿減速器減速比下，RV減速器尺寸更加緊湊.RV減速器二級(jí)減速的擺線針輪減速部分輸出速度就是RV減速器經(jīng)過減速所最后輸出的速度，機(jī)器人專用RV減速器對(duì)驅(qū)動(dòng)精度、承載能力要求很高.齒隙是影響精度的重要指標(biāo)之一.RV減速器設(shè)計(jì)中必須嚴(yán)格控制齒隙.齒隙會(huì)導(dǎo)致輸出軸和輸入軸之間在短時(shí)間內(nèi)失去軌跡.將產(chǎn)生輸出中斷.RV減速器傳動(dòng)過程中存在輸出損耗.運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系變得非線性.此外，齒隙也會(huì)影響反饋控制系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)品質(zhì).因此，RV減速器的齒隙必須要嚴(yán)格的控制，才能保證減速器的正常動(dòng)力傳動(dòng)要求.

目前機(jī)器人可使用的許多類型的減速器中，通常都使用平面齒輪減速器和諧波驅(qū)動(dòng)器.擺線減速器（RV減速器）是當(dāng)今使用的最常見類型的平心齒輪減速器.擺線傳動(dòng)從20世紀(jì)30年代到現(xiàn)在一直是受歡迎的減速器，因?yàn)榕c行星齒輪系相比，它體積小、重量輕、速度快，并且在單個(gè)階段具有很高的機(jī)械優(yōu)勢(shì).然而，由于加工過程中的變化，擺線驅(qū)動(dòng)器中存在齒隙，將降低穩(wěn)定性以及固有噪聲和振動(dòng)，特別是在高速時(shí).大多數(shù)用于自動(dòng)化制造的機(jī)器人都使用諧波驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)上兩個(gè)機(jī)器人或者三個(gè)接頭和擺線減速器.在全尺寸機(jī)器人中，擺線減速器用于所有六個(gè)關(guān)節(jié).諧波減速器和擺線減速器即使在一個(gè)階段也能表現(xiàn)出顯著的減速比，并且由于它們的齒數(shù)比很大，即使在小尺寸時(shí)也能傳遞大扭矩;因此，它們主要用于需要緊湊結(jié)構(gòu)、大負(fù)載能力和高精度位置控制的機(jī)器人.這些減速器越來越專門用于測(cè)量齒形制造技術(shù)和裝配技能等應(yīng)用.隨著半導(dǎo)體制造和航天工業(yè)等領(lǐng)域?qū)Ω吖δ艿男枨蟛粩嘣黾?，從滿足用戶需求的角度來看，擺線和諧波減速器有望繼續(xù)發(fā)展.

5 結(jié)語

隨著制造自動(dòng)化，機(jī)器人越來越多地從事人類工作.因此，使用精密減速器對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂位置的精確控制變得至關(guān)重要.曲線齒廓，如擺線或漸開線齒廓，通常用于精密減速器，RV減速器能夠?qū)崿F(xiàn)高精度控制，廣泛用于操縱機(jī)器人系統(tǒng).本文在分析RV減速器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)RV減速器傳動(dòng)特性，傳動(dòng)精度進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，以供參考.

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