浅谈工业机器人用精密减速器

今日推荐王文涛 杨斌 2018-10-22 10:54:58
    0 前言
    “智能制造2025”是我国装备制造业发展的重要方向,在这一发展过程中需要大量的以工业机器人为代表的高端智能制造设备装备。构成工业机器人的零部件众多,其中精密减速器是工业机器人中的核心零部件同时也是成本占比较高的零部件。由于材料、技术、精密加工能力等因素的限制我国的精密减速器多数依靠进口,致使我国工业机器人的发展受到了极大的限制,尤其是在未来的发展中对于工业机器人的需求越来越多应当积极做好精密减速器的研究与应用。通过研究来推动技术突破,加快精密减速器的国产化进度以便更好的实现“智能制造2025”这一发展规划。
    1 工业机器人用精密减速器的分类与结构特点
    工业机器人用精密减速器主要分为谐波齿轮减速、RV减速器、摆线针轮行星减速器和精密行星减速器等几大类。上述几大类的工业机器人用精密减速器各有其结构特点和应用范围。
    1.1 谐波齿轮减速器
    谐波齿轮减速器是工业机器人用精密减速器中的重要组成之一,其主要是基于行星齿轮传动的原理所形成的一种新型减速器。谐波齿轮减速器主要由波发生器、柔轮和刚性轮等的零部件所组成。谐波齿轮减速器在运行过程中通过波发生器来控制柔轮产生可控弹性变形并由谐波齿轮减速器中的柔轮和刚轮相互啮合来形成动力和扭矩的传递。谐波齿轮减速器传动精度高、传动比较大且自身质量小、体积小,基于谐波齿轮减速器的上述特点使得谐波齿轮减速器能够用于密闭的空间中实现运动传递。其他机械传动无法实现谐波齿轮减速器的这一特性。
    谐波齿轮减速器在应用过程中的不足是其内部的柔轮将会在转动的过程中每转发生两次椭圆变形,椭圆变形的存在将使得柔轮极易发生疲劳损坏且损耗功率较大。谐波齿轮减速器运行过程中所引起的扭转变形角能够达到25′±5′甚至更大,谐波齿轮减速器运行过程中将会对轴承施加较大的力同时应轴承间隙将会致使谐波齿轮减速器产生一定的回程误差。谐波齿轮减速器现今广泛应用于航空、航天、机器人以及精密加工设备等领域,受技术、加工能力等方面的限制我国专业化生产谐波齿轮减速器的厂家较少。
    1.2 摆线针轮行星减速器
    摆线针轮行星减速器也是应用于工业机器人中精密减速器中重要的一种,摆线针轮行星减速器主要是基于行星式传动原理所发展起来的,摆线针轮行星减速器采用的是摆针线齿啮合传动方式。构成摆线针轮行星减速器的传动装置主要有输入、输出、减速三大部分。摆线针轮行星减速器的输入轴上安装有一个错位180°的双偏心套,同时在偏心套上安装有两个称为转臂的圆柱滚柱轴承形成H机构。
    偏心套上转臂轴承的滚道主要由摆线针轮行星减速器上的两个摆线轮中心孔所构成。摆线针轮行星减速器中的针轮与摆线轮将形成环形排列的针齿相嚙合形式,这一形式所形成的减速机构为齿差为一齿的内啮合。摆线针轮行星减速器所形成的减速传动是由行星轮采用变幅外摆线所形成的一种少齿差行星齿轮传动。摆线针轮行星减速器由于使用了摆线针轮行星传动的形式将比传统的普通圆柱齿轮传动减少至少一半的体积与重量。由于摆线针轮行星减速器的这一复杂结构使得其加工和安装精度要求极高、成本较大。 摆线针轮行星减速器内部的转臂轴承由于承受较大的荷载将致使摆线针轮行星减速器中轴承的使用寿命和承载能力大为降低。摆线针轮行星减速器常用于矿山、化工等领域的机械设备中。
    1.3 RV减速器
    RV减速器集合了行星齿轮减速机的前级和摆线针轮减速器的后级。RV减速器是一种高精度的减速器,其是基于传统的针摆行星传动减速器的基础上所研发出来的。RV减速器通过改进克服了单一针摆传动类减速器所存在的不足,且具有体积更小、重量更小、传动比范围更大、使用寿命长和传动效率高等特点。
    RV减速器具有良好的使用性能,RV减速器结合了摆线针轮行星减速器的优点,RV减速器所采用的摆线针轮行星部分具有较高的零件刚度、运动时接触应力较小、零件的加工和安装精度较高有助于提高RV减速器的精度,在确保传动效率的同时提高了传动的精度。行星传动机构结合紧凑的W输出机构,从而有效地缩小了RV减速器的体积,使其更加紧凑并进一步缩小了体积并减轻了RV减速器的质量。RV减速器中所采用的一齿差或是少齿差传动形式,可以有效地提高RV减速器的减速比,且RV减速器传动比的大小与其中的摆线针轮齿数有着密切的联系,摆线针轮的齿数越多则传动比也越大。摆线针轮传动时所啮合的齿数要远高于渐开线外齿轮传动时所啮合的齿数,由于所啮合的齿数较多,所以可以有效地提高承载力。在RV减速器的加工制造中将会对RV减速器中的摆线轮和针轮的轮齿进行淬硬、精磨,通过轮齿硬化可以使齿轮获得更好的加工和齿轮性能,从而使RV减速器获得更长的使用寿命。
    由于RV减速器所具有的这些优点使得RV减速器广泛应用于工业机器人、机床、医疗检测设备等多个领域中。相较于谐波传动减速器能够获得更多的疲劳强度、刚度和使用寿命,不同于谐波减速器长时间使用后所导致的柔轮的磨损将会导致运动精度大幅降低的问题,RV减速器的回差精度较为稳定。基于RV减速器的这一特性其在工业机器人所要求的高精度传动领域中得到了较为广泛的应用。我国现今应用于工业机器人领域的RV减速器90%左右依赖进口,为增强工业机器人使用占比应当更好地做好对于RV减速器的研究与应用。
    1.4 精密行星减速器
    精密行星减速器主要是由行星轮、太阳轮和外齿圈所组成,行星减速机由于结构的特点其传动比一般不会超过10。相对于其他类型的减速器精密行星减速器具有较高的刚性和精度以及高传动效率和扭矩。由于精密行星减速器自身特点其多应用于步进电机和伺服电机的减速传动,用以降低传动电机的转速、提升扭矩。
    2 工业机器人用精密减速器的几个关键技术指标
    评价工业机器人用精密减速器的几个关键技术指标有以下几方面:扭转刚度、启动转矩、传动精度、空程、背隙、传动效率以及传动误差等。做好工业机器人用精密减速器技术指标的建立和完善用以对工业机器人用精密减速器进行全方位、综合性的评价,对提高工业机器人用精密减速器的研发和应用有着极为重要的意义。
    结语
    工业机器人的发展离不开精密减速器,尤其是随着装备制造业的转型升级,大量的工业机器人未来将需要装备工业机器人用精密减速器。应当积极加强工业机器人用精密减速器的研究和生产,提高国产工业机器人用精密减速器在精密减速器市场的占比。
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