機(jī)器人用RV減速器論文綜述

.摘要本文整理了近三年國(guó)關(guān)于機(jī)器人用RV減速器的文獻(xiàn)，介紹了RV減速器的根本機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)原理，總結(jié)了國(guó)理論研究的趨勢(shì)及其主要成果，概述了在力學(xué)分析，傳動(dòng)精度、擺線輪齒廓修形和測(cè)量系統(tǒng)的新的方案。關(guān)鍵詞： RV減速器，擺線輪齒廓，傳動(dòng)精度，測(cè)量系統(tǒng)一、引言RV減速器構(gòu)造緊湊、壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高、振動(dòng)小、傳動(dòng)精度高、保養(yǎng)便利，與諧波減速器相比，擺線類傳動(dòng)的承載能力高一倍以上，扭轉(zhuǎn)剛度高三倍以上。RV減速器是工業(yè)機(jī)器人的核心部件，占工業(yè)機(jī)器人本錢的比重高達(dá)30%以上，目前中國(guó)市場(chǎng)的減速器根本被進(jìn)口品牌壟斷，生產(chǎn)RV減速器最著名的是日本的FANUC,這是制約國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人本錢的第一因素。近年來(lái)我國(guó)針對(duì)高精度，高可靠性，批量化，輕量化進(jìn)展了關(guān)于擺線輪齒廓、修形、構(gòu)造設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析的研究，提出了相關(guān)的公式、算法以及測(cè)試系統(tǒng)。二、RV減速器的根本構(gòu)造和傳動(dòng)原理1、根本構(gòu)造RV C Rotary Voector)減速器是在擺線針輪行星傳動(dòng)的根底上開展而來(lái)的一種新型傳動(dòng)。減速器由第一級(jí)漸開線齒輪行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與第二級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩局部組成的封閉的差動(dòng)輪系，如圖1所示。圖1 RV減速器傳動(dòng)原理圖2、傳動(dòng)原理這種傳動(dòng)原理是利用一組平行四連桿機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)的組合的系統(tǒng)，第一級(jí)傳動(dòng)包括相互嚙合的輸入齒輪1和兩個(gè)漸開線行星輪2，漸開線行星輪2固定安裝在兩相互平行的曲軸H上;第二級(jí)擺線傳動(dòng)中曲軸H與行星輪固連在一起，擺線輪3安裝在曲軸H相位相差180。的兩個(gè)偏心軸凸輪上，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)行星輪2通過(guò)曲柄軸H帶動(dòng)擺線輪3做偏心平面運(yùn)動(dòng)，與針齒4形成少齒差嚙合。 RV減速器從組成形式來(lái)看，屬于2K-V型行星減速器，由K-H-V型和2 K-H型行星傳動(dòng)復(fù)合組合而成。構(gòu)造主要由輸出漸開線齒輪1和針齒殼5這兩個(gè)中心輪和一個(gè)行星架H為根本構(gòu)件，具有2K-H型的傳動(dòng)構(gòu)造;分析部傳動(dòng)構(gòu)造可知，其傳動(dòng)構(gòu)造為H-3-4-6，仍然屬于K-H-V型，只是將原來(lái)的單一轉(zhuǎn)臂中心輸入改變成2個(gè)或3個(gè)均勻分布的轉(zhuǎn)臂輸入。圖2 RV減速器傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)圖三、特點(diǎn)及應(yīng)用1、特點(diǎn)RV減速器關(guān)鍵有以下特點(diǎn)(1)它是一個(gè)封閉的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，構(gòu)造緊湊、與一般的齒輪減速器在體積和重量上有很大的優(yōu)勢(shì)。(2) RV減速器上有三個(gè)均勻分布的雙偏心軸(轉(zhuǎn)臂)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)并能獲得高的位置精度，偏心軸的數(shù)量增加，同時(shí)滾動(dòng)軸承的數(shù)量增加，其增加了軸承的壽命。(3)傳遞效率到達(dá)、輸入軸與輸出軸的速比圍大，即i=31一171，由傳動(dòng)比計(jì)算公式可知，在擺線輪齒數(shù)固定的情況下，只要將太陽(yáng)輪同行星輪齒數(shù)進(jìn)展變化，能獲得比擬多的值。(4)噪音小，RV減速器的兩端采用行星架和剛性盤來(lái)支撐，比普通的懸臂梁輸出機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度大，并且抗沖擊能力強(qiáng)。(5) RV機(jī)構(gòu)在傳遞動(dòng)力時(shí)，擺線輪與針齒兩輪同時(shí)接觸嚙合的數(shù)量理論上有二分之一，承受過(guò)載能力比擬強(qiáng)。(6)只要設(shè)計(jì)合理，保證制造裝配精度，就可以獲得高精度，小于r的回差。2、應(yīng)用RV減速器作為一種新型的二級(jí)封閉傳動(dòng)，其不僅在精細(xì)機(jī)械傳動(dòng)、精細(xì)儀器、紡織機(jī)械、航天等領(lǐng)域運(yùn)用，目前在工業(yè)機(jī)器機(jī)械手轉(zhuǎn)臂、旋轉(zhuǎn)軸上也占有主導(dǎo)地位，基于RV減速器的高剛度、高回轉(zhuǎn)精度，所以在關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人中，一般情況下前4關(guān)節(jié)根本都采用RV減速器，輕載時(shí)，第五和第六關(guān)節(jié)可用諧波減速器，重載時(shí)，工業(yè)機(jī)器人所有關(guān)節(jié)上都需用RV減速器。目前在機(jī)器人行業(yè)中，有諧波與RV兩種減速器，兩者相比擬，RV減速器擁有精度高、耐沖擊、剛度大、回差小等優(yōu)勢(shì)，在自動(dòng)化機(jī)器人領(lǐng)域，減速器作為傳遞動(dòng)力的重要部件，必須具有高的轉(zhuǎn)動(dòng)精度與位置精度，因而，在高精度工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)過(guò)程中，與諧波減速器相比擬，RV減速器具不可替代的作用。四、擺線輪齒廓的形成與修形1.形成擺線輪齒廓形成有外滾法和滾法兩種，如圖3所示，外滾法中，此時(shí)半徑r的滾圓在半徑R基圓的圓周上作純滾動(dòng)，滾圓圓周上任意一點(diǎn)C的軌跡稱為外擺線。而通常減速器上所用的擺線輪齒廓是滾圓的一點(diǎn)M1的軌跡，其中=e為偏心距。滾法中，滾圓半徑rb、基圓半徑rg，且rb>rg，偏心距為滾圓半徑與基圓半徑差e=rb-rg，滾圓在基圓上純滾動(dòng)，此時(shí)滾圓圓周上的點(diǎn)C的軌跡為外擺線，滾圓圓周外上的一點(diǎn)M的軌跡為短副外擺線。這兩種擺線齒廓形成方法雖不同，但在一定條件下可以形成同一條外擺線或短幅外擺線。圖3 外滾法和滾法形成擺線齒廓圖2、修形工程實(shí)際中，零部件制造安裝過(guò)程中必然存在各種誤差，同時(shí)為了獲得一定的側(cè)隙以便于潤(rùn)滑的需要，以及考慮裝拆方便、補(bǔ)償尺寸鏈誤差等，擺線輪設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)展適當(dāng)?shù)男扌巍８鶕?jù)擺線輪加工原理，擺線輪齒形修形有三種根本方法，一是移距修形，磨削擺線齒廓時(shí)，將磨頭相對(duì)加工臺(tái)移動(dòng)微小距離;二是等距修形，磨削擺線齒廓時(shí)，使磨頭的半徑增大微小值;三是轉(zhuǎn)角修形，磨出標(biāo)準(zhǔn)擺線輪齒廓后，再使加工臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)微小角度，然后繼續(xù)磨削，形成新的擺線齒廓。三種修形方法可以可組合修形。近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者在擺線輪的齒形及載荷分布等方面開展了大量研究。力行等回提出了有隙嚙合的齒形修正方法及較為準(zhǔn)確的受力分析方法和計(jì)算公式。關(guān)天民等提出了一套擺線輪齒形修形下的齒面受力分析理論，并對(duì)針齒和擺線輪齒的接觸狀態(tài)進(jìn)展了有限元分析。得出大量結(jié)論，"正等距+正移距修形會(huì)使擺線輪的相對(duì)轉(zhuǎn)角大于零而引起較大的回轉(zhuǎn)誤差，而"負(fù)等距+負(fù)移距修形能使擺線輪相對(duì)轉(zhuǎn)角小于零從而補(bǔ)償或減小由于針齒銷孔配合間隙等因素引起的較大側(cè)隙，從而使綜合回差相應(yīng)減小。參考得出的齒廓方程為：式中:移距修形量等距修形量移距后的短幅系數(shù)波等進(jìn)一步比照研究了基于正等距加負(fù)移距修形的兩種典型擺線輪齒廓修形優(yōu)化模型，探討了兩種模型優(yōu)化參數(shù)下擺線針輪傳動(dòng)的負(fù)荷及初始側(cè)隙分布、齒形齒廓和回轉(zhuǎn)精度等性能影響規(guī)律，確定最優(yōu)模型，為RV傳動(dòng)機(jī)構(gòu)擺線輪的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。模型1和模型2的優(yōu)化參數(shù)同一徑向間隙下模型1和徑向間隙優(yōu)化模型簡(jiǎn)稱模型3的優(yōu)化參數(shù)同一徑向間隙下模型2和模型3的優(yōu)化參數(shù)得出的結(jié)論為：1各正等距加負(fù)移距修形模型的優(yōu)化參數(shù)存在一定的差異，擺線輪齒廓與理論齒廓間的間隙大致相等，且分布較為均勻，趨近轉(zhuǎn)角修形齒廓共扼齒廓的程度一致。 (2)各個(gè)模型優(yōu)化參數(shù)下，擺線針輪傳動(dòng)的接觸齒對(duì)數(shù)相等，最大接觸載荷存在差異。模型1與模型、模型2與模型在傳動(dòng)過(guò)程中的載荷分布以及初始側(cè)隙保持一致，但是模型1與模型2在載荷方面存在細(xì)微的差異，前者的載荷及初始間隙的分布更均勻。因此，都具有良好的嚙合性能及較高的傳動(dòng)穩(wěn)定性。(3) 采用基于法向齒廓間隙的模型1的優(yōu)化齒廓進(jìn)展傳動(dòng)時(shí)，既能保證同一時(shí)刻的多齒對(duì)嚙合及承載的均勻性，能保證機(jī)構(gòu)能得到良好的潤(rùn)滑及相對(duì)較高的回轉(zhuǎn)精度，因而采用優(yōu)化模型1對(duì)RV減速器的擺線輪進(jìn)展齒廓修形具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。工程人員可以根據(jù)實(shí)際需求及生產(chǎn)加工能力選擇適宜的修形模型。五、 構(gòu)造設(shè)計(jì)和力學(xué)分析1.強(qiáng)度分析通過(guò)有限元分析得到結(jié)論： 1)傳動(dòng)比分配上，為使負(fù)載分配到更多的擺線齒上，設(shè)計(jì)時(shí)針齒齒數(shù)盡量在30個(gè)齒以上; 2)行星齒輪懸臂安裝在曲軸上，其齒寬方向的嚙合印痕向安有曲軸方向偏載; 3)兩片擺線輪載荷分配并不均勻，靠近輸入端的1#擺線輪比靠近輸出端的2#擺線輪應(yīng)力值約大5 .6%左右;4)曲軸變形方向與自轉(zhuǎn)相位方向一樣，曲軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在初始自轉(zhuǎn)相位之間變形較小。2.剛度分析針對(duì)RV減速器的構(gòu)造特點(diǎn)，在ANSYS環(huán)境下，構(gòu)建計(jì)及多種影響因素的整機(jī)扭轉(zhuǎn)剛度模型，分析影響其扭轉(zhuǎn)剛度特性的主要因素，得出以下結(jié)論:(1)軸承剛度是影響整機(jī)扭轉(zhuǎn)剛度的主要因素。將軸承剛度視為隨載荷非線性變化時(shí)能更準(zhǔn)確地提醒整機(jī)的扭轉(zhuǎn)剛度特性，較將軸承剛度視為常數(shù)值時(shí)更接近實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果;(2)擺線輪與針齒的嚙合數(shù)是影響整機(jī)扭轉(zhuǎn)剛度平均數(shù)值的主要因素之一，但對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的變化趨勢(shì)影響不大;(3)對(duì)應(yīng)曲柄軸自轉(zhuǎn)一周，整機(jī)扭轉(zhuǎn)剛度在曲柄軸轉(zhuǎn)角為0°與180°附近取得扭轉(zhuǎn)剛度的最大值，在120°與240°附近取得最小值。六、傳動(dòng)精度分析1. 采用單因素疊加法對(duì)RV減速器的傳動(dòng)誤差和回差進(jìn)展分析針齒半徑誤差、等距修形誤差是影響回差的主要因素，各部件徑向跳動(dòng)誤差和軸承間隙是影響傳動(dòng)誤差的主要因素。2. 考慮關(guān)鍵部件制造誤差和安裝誤差因素，進(jìn)展動(dòng)態(tài)傳動(dòng)精度仿真，分析單因素誤差和誤差組合對(duì)RV減速器的動(dòng)態(tài)回差、動(dòng)態(tài)傳動(dòng)精度的影響組合誤差與單因素誤差對(duì)回差影響，僅幅值上變化，各因素對(duì)的回差影響趨勢(shì)沒(méi)變?；夭?1)隨著等距修形量、移距修形量和針齒半徑誤差的值增加，回差呈線性增加;一樣誤差值下，等距修形和針齒半徑誤差對(duì)回差影響一樣，移距修形量回差影響相對(duì)略小于等距修形的影響;2)曲軸偏心誤差對(duì)回差影響較小，一定圍，曲軸偏心為負(fù)誤差時(shí)回差線性增加，曲軸偏心為正誤差時(shí)回差線性減小，曲軸偏心正誤差有利于減小回差;隨著曲軸孔位置正誤差和負(fù)誤差的增加，回差都逐漸減小，且曲軸孔位置負(fù)誤差對(duì)回差影響略大;3)回差隨著擺線輪孔的相位誤差增大呈線性減小的趨勢(shì)，相位誤差有利于減小回差;4)曲軸孔誤差為負(fù)偏差且曲軸偏心量為正偏差時(shí)有利于減小回差。傳動(dòng)誤差:1)等距修形、針齒半徑誤差、移距修形量對(duì)傳動(dòng)誤差影響較小;2)曲軸偏心正負(fù)誤差對(duì)傳動(dòng)精度影響一樣3)曲軸偏心誤差和曲軸孔位置偏差相反時(shí)，偏心誤差增加，傳動(dòng)誤差呈線性增大;封同，對(duì)傳動(dòng)誤差相互抵消，反之疊加;當(dāng)擺線輪上曲軸孔之間距離恒定不變，曲軸孔在擺線輪上的位置誤差較小時(shí)，向誤差(兩擺線輪完全一致)與反向誤差對(duì)傳動(dòng)誤差的影響根本一致，當(dāng)曲軸孔位置誤差逐漸增大，同向誤差影響明顯大于反向誤差對(duì)傳動(dòng)誤差的影響。3. 基于權(quán)重法的公差設(shè)計(jì)權(quán)重是指*指標(biāo)在整體評(píng)價(jià)中的相對(duì)重要程度。RV減速器設(shè)計(jì)參數(shù)的權(quán)重主要取決兩個(gè)方面:1.該參數(shù)的敏感性;2.該參數(shù)的名義尺寸。敏感性反響了輸入誤差對(duì)回差的影響程度，敏感性越大，影響程度越大Iz91。另一方面，在零件的實(shí)際加工中，對(duì)于一樣的誤差，零件的尺寸越大，加工難度越大，如100±0.005的加工難度要遠(yuǎn)大于4士0.005的加工難度。流程見圖4。圖4.基于權(quán)重法設(shè)計(jì)流程圖七、測(cè)試方案及系統(tǒng)1、 傳動(dòng)誤差測(cè)試方案一套簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的用于RV減速器傳動(dòng)誤差檢測(cè)的試驗(yàn)裝置。根據(jù)傳動(dòng)誤差的定義，只需要測(cè)出輸出端和輸入端的轉(zhuǎn)角即可計(jì)算減速器的傳動(dòng)誤差。因此，為了到達(dá)這一目的，在減速器的輸出端布置一個(gè)角度編碼器。由于減速器輸入是通過(guò)伺服電機(jī)來(lái)控制進(jìn)展，且電機(jī)和減速器通過(guò)剛性聯(lián)軸器來(lái)聯(lián)接，則減速器輸入的轉(zhuǎn)角即為電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)角。為了更便于傳動(dòng)誤差的檢測(cè)，得出理論輸出轉(zhuǎn)角，而理論輸出轉(zhuǎn)角等于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與傳動(dòng)比的比值。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角可以通過(guò)編程控制得到，這樣只需讀取輸出端角度編碼器的值即可通過(guò)計(jì)算得到傳動(dòng)誤差。測(cè)試方案原理圖如圖4所示。圖4.測(cè)試方案原理圖2、一種RV減速器綜合性能測(cè)試系統(tǒng)交通大學(xué)提供了一種對(duì)中裝置和一種機(jī)器人用RV減速器綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)中裝置能夠?qū)崿F(xiàn)快速、簡(jiǎn)單及準(zhǔn)確地完成RV減速器測(cè)試系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的對(duì)中調(diào)整，綜合性能測(cè)試系統(tǒng)能夠較高精度測(cè)量不同系列、不同規(guī)格的機(jī)器人用RV減速器的運(yùn)動(dòng)精度，剛度、回差，保精度壽命和傳動(dòng)效率，能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)展國(guó)外同類產(chǎn)品的比照試驗(yàn)，能夠驗(yàn)證和完善設(shè)計(jì)理論和制造方法，對(duì)機(jī)器人用RV減速器的批量化設(shè)計(jì)與制造具有重要的意義。對(duì)中裝置如圖5。圖5.對(duì)中裝置示意圖3、協(xié)同可靠性試驗(yàn)信息系統(tǒng)北方工業(yè)大學(xué)基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及處理等關(guān)鍵技術(shù)，組建RV減速器可靠性數(shù)據(jù)采集和信息交互技術(shù)平臺(tái)。該平臺(tái)作為可靠性信息采集及資源共享的載體，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析中心和多家產(chǎn)品用戶等網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同，其功能可以滿足可靠性分析的需要。此外，該信息系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)廠際的交流合作、信息處理等工作效率的提高，有著極為重要的意義?；贗nternet的遠(yuǎn)程多用戶系統(tǒng)通信模型用戶端功能模型八、展望本文對(duì)最近三年國(guó)關(guān)于RV減速器的論文進(jìn)展了整理，排除國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)的因素，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(guò)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(guò)定位構(gòu)造，這使得零件加工精度要求極高，加工十分困難，機(jī)器人其規(guī)?；a(chǎn)的重要制約則在于加工設(shè)備和加工工藝。而國(guó)的論文多集中于精度，可靠性，構(gòu)造的理論分析，離實(shí)現(xiàn)系列化，批量化生產(chǎn)還有一段距離。參考文獻(xiàn)1衣正堯.日主流機(jī)器人廠家及其在中國(guó)的市場(chǎng),20162.industrialroboti*./fanuc-rv-reducers/3China Weekly News.Research and Markets ;Global and Chinese Industrial Robot Speed Reducer Industry Robot 4冉毅.RV減速器傳動(dòng)精度分析.大學(xué)，20155吳素珍.丹.機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)用精細(xì)減速器研究進(jìn)展.工程學(xué)院.交通大學(xué)，20146貢林歡.工業(yè)機(jī)器人用RV減速器的樣機(jī)試制及試驗(yàn)研究.理工學(xué)院，20157波.周廣武.榮松.周宏軍.RV減速器擺線輪齒廓修形方法比照研究.大學(xué)，20168玉虎.朱臨宇.振宇.兆光.RV減速器扭轉(zhuǎn)剛度特性分析.*大學(xué),20149博.RV減速器擺線輪修形技術(shù)與數(shù)控成形磨齒機(jī)設(shè)計(jì).科技大學(xué)，201510位云成.杰.機(jī)器人用RV減速器傳動(dòng)誤差的測(cè)試.工程學(xué)院，201611領(lǐng)會(huì).燦江.RV減速器協(xié)同可靠性試驗(yàn)信息系統(tǒng)開發(fā).北方工業(yè)大學(xué)，201612 盧琦.吳鑫輝.何衛(wèi)東.機(jī)器人用RV減速器綜合性能測(cè)試系統(tǒng)研究.交通大學(xué),2016. >