RV减速器和谐波减速器

RV减速器与谐波减速器的调研报告 当我们在无限憧憬机器人时代的时候，我们却很少知道在机器人的所有零部件中，有两样东西一直是我们国人无法跨越过去的障碍，那就是伺服电机和精密减速器。随着自动化和电子电气理论的日趋成熟，国人在伺服电机方面已经迈出了坚实的一步，虽然在目前国内的伺服电机75%仍然依靠进口，但对于中小功率的伺服电机，中国不少企业，如深圳的英威腾、汇川科技，大连的安迪的产品已经可以在性能上基本满足中国企业的需求。可是对于精密减速器，特别是机器人关节上需要使用的RV减速器和谐波减速器，目前国内的研究仍然停留在论文和数据库当中，翻遍所有关于生产这两种减速器的国产厂家，我们仍然难以找出哪怕一家产品可以在性能上满足国内机器人产业的需求。 直到今天，中国仍然不具备设计和制造这两种减速器的能力。“十二五”时期，国家“863”计划将其列入重点攻克的技术瓶颈。国内顶尖大学和科研机构几年攻关也只有论文，没有实物。那么，我们与国外在精密减速器方面的差距到底在哪里？为什么在专利技术早已公开的今天，我们仍然难以跨过这道已经成型了近半个世纪的鸿沟？为什么机器人要用RV减速器和谐波减速器？ 我们常用的减速大致有下面几类；摆线减速器、硬齿面圆柱齿轮减速器、行星齿轮减速器、软齿面减速器、三环减速器、起重机减速器、蜗杆减速器、轴装式硬齿面减速器、无级变速器。而RV减速器和谐波减速器与上述几种减速的区别在于，RV减速器是行星减速器和摆线减速器的组成的一个二级减速器，谐波减速器则是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。这两种减速器相对于其它减速器而言，具有以下的优势：(1)传动速比大，(2)承载能力高，(3)传动精度高，(4)传动效率高、运动平稳，(5)结构简单、零件数少、安装方便，(6)体积小、重量轻，。传统的齿轮减速器体积大，重量重，减速比小，传统效率低下，特别是在无法消除多级减速后的累积误差，对于机器人在控制末端精度要求甚高的工况下，目前只有RV和谐波减速器可以胜任。RV减速器和谐波减速器的发展史RV减速器的诞生 德国人劳伦兹勃朗于1926年创造性地提出了一种少齿差行星传动机构，它是用外摆线作为齿廓曲线的，这就是最早期的针摆行星传动，由于两个啮合齿轮其中之一采用了针轮的形式，这种传动也被称做摆线针轮行星齿轮传动。RV传动一种全新的传动方式，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且因为具有体积小、重量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点。 1、1926年德国人劳伦兹勃朗于创造性地提出RV减速机原理2、1931年劳伦兹勃朗在德国慕尼黑创建了“赛古乐”股份有限公司，最先开始了摆线减速器的制造和销售3、1939年，日本住友公司和“赛古乐”公司签定了技术合作协议，并生产销售；4、1944年，日本帝人精机成立，这个未来的RV减速机霸主，在飞机制造、纺织机械、机床等多个行业硕果累累；5、1950年-1960年，摆线磨床的出现，解决了摆线齿形的精度不高的难题，使摆线传动得到了进一步的发展。6、1956年，日本纳博克公司发售全球第一个自动门，在市场上展露头角。7、1980年左右，日本帝人精机提出RV传动理论，着手应用于机器人行业。8、1986年，日本帝人精机RV减速机正式大规模生产，取得成功；9、2003年，帝人精机和纳博克合并组成Nabtesco(纳博特斯克)公司，并取得快速发展，现在已成为RV减速机行业的领头羊，占据了60%以上的市场，特别在中/重负荷机器人上，其RV减速机市场占有率高达90%。谐波减速器的诞生 20世纪50年代中期，随着全球科学技术的发展，美国人马瑟在薄壳弹性变形理论基础上，应用金属的挠性和弹性力学原理发明出来一种新型谐波传动技术。谐波传动技术主要应用于航空航天、工业机器人、精密设备仪器、雷达通讯设备、印刷机械、纺织机械、半导体工业晶圆传送装置、印刷包装机械、医疗器械、金属成型机械、仪器仪表、光学制造仪器、核设施及空气动力实验研究等领域。 谐波传动这项新型技术的出现便引起了各国的重视。1970年引入日本，随之诞生了日本第一家整体运动控制的领军企业-日本HarmonicDriveSystemsInc.(简称HDSI)。日本HDSI公司生产的HarmonicDrive谐波减速器，具有轻量、小型、传动效率高、减速范围广、精度高等特点，被广泛应用于各种传动系统中。HDSI主要生产和销售各种精密减速装置，当之无愧为整体运动控制的领军企业。为了涵盖谐波减速器不能覆盖到的低减速比领域，HDSI产品还开发了精密行星齿轮减速机HarmonicPlanetary。独特的内齿圈形变工艺，可使行星齿轮啮合得更紧、消除背隙，从而将传动误差控制在精密范围内。HDSI最初只是在其国内发展，与之有着长久合作关系的有安川电机、三菱电机及发那科等企业。近年来，中国工业机器人产业进入新的历史机遇期，以ABB、KUKA、安川、发那科为代表的国际机器人企业纷纷大举进入中国，设立工厂，抢占市场份额。在中国，如手机制造、半导体、液晶生产机械等行业，对小型机器人的需求也是越来越旺盛，然而对于国内的工业机器人而言，特别是谐波减速器、伺服电机、控制系统等还需大量依赖进口，这就导致了其竞争力还与国外企业有差距，但是这些又是工业机器人的上游部件、关键部件。据国际机器人联盟(IFR)统计，2012年中国共进口工业机器人约2.2万台，中国将是全球增长最快的工业机器人市场。HDSI的谐波减速器是小型工业机器人(20kg以下)或者关节臂上不可取代的部件，这为其拓展中国大陆市场带来了新的契机。2011年1月，HDSI在华成立设立哈默纳科(上海)商贸有限公司，该公司为其在华投资设立的全资销售子公司。主要负责HDSI产品在中国大陆的销售、选型等技术支持及售后服务。HDSI早期的产品主要是减速机等机械产品，时至今日，HDSI的主打产品又加上了众多的机电一体化产品。在减速机方面，HDSI主要有HarmonicDrive(谐波齿轮传动减速机)和HarmonicPlanetary(行星齿轮减速机)。其生产的HarmonicDrive谐波减速机，基本上主导了主要国际市场，具有其他减速机不具备的特点：高旋转精度/高定位精度、小型/轻量、传动效率高、高减速比、减速范围广、精度高、高转矩容量、无齿隙、高效率及安静运行等特点，被广泛应用于各种传动系统中。为了涵盖谐波减速机不能覆盖到的低减速比领域，HDSI产品还开发了精密行星齿轮减速机HarmonicPlanetary。独特的内齿圈形变工艺，可以使得行星齿轮啮合得更紧、消除背隙，从而将传动误差控制在精密范围内。RV减速器和谐波减速器的机械结构RV减速器的机械结构 RV减速器可以分为两部分，第一部分分为正齿轮减速机构，输入轴的旋转从输入齿轮传递到直齿轮，按齿数比进行减速。第二部分为差动齿轮减速机构，直齿轮与曲柄轴相连接，变为第二减速部的输入。在曲柄轴的偏心部分，通过滚动轴承安装RV齿轮。另外，在外壳内侧仅比RV齿轮数多一个的针齿，以同等的齿距排列。如果固定外壳转动直齿轮，则RV齿轮由于曲柄轴的偏心运动也进行偏心运动。此时如果曲柄轴转动一周，则RV齿轮就会沿与曲柄轴相反的方向转动一个齿。这个转动被输出到第2减速部的轴。将轴固定时，外壳侧成为输出侧。谐波减速的机械结构 谐波减速器主要由三个基本构件组成： （1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮），它相当于行星系中的中心轮； （2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮），它相当于行星齿轮； （3）波发生器H，它相当于行星架。作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。波发生器H是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成滚轮，与柔轮1的内壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器的总长。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿图示方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器H相反方向的缓慢旋转。工作时，固定刚轮，由电机带动波发生器转动，柔轮作为从动轮，输出转动，带动负载运动。在传动过程中，波发生器转一周，柔轮上某点变形的循环次数称为波数，以 n 表示。常用的是双波和三波两种。双波传动的柔轮应力较小，结构比较简单，易于获得大的传动比。故为目前应用最广的一种。（1） 刚轮固定，柔轮输出波发生器主动，单级减速，结构简单，传动比范围较大，效率较高，应用极广，i=75500。（2) 柔轮固定,刚轮输出波发生器主动，单级减速，结构简单，传动比范围较大，效率较高，可用于中小型减速器，i=75500。(3) 波发生器固定刚轮输出柔轮主动，单级微小减速，传动比准确，适用于高精度微调传动装置，i=1.0021.015。RV减速器与谐波减速器的性能对比RV减速器的性能 主要优点 (l)传动比范围大； (2)扭转刚度大，输出机构即为两端支承的行星架，用行星架左端的刚性大圆盘输出，大圆盘与工作机构用螺栓联结，其扭转刚度远大于一般摆线针轮行星减速器的输出机构。在额定转矩下，弹性回差小； (3)只要设计合理，制造装配精度保证，就可获得高精度和小间隙回差； (4)传动效率高； (5)传递同样转矩与功率时的体积小(或者说单位体积的承载能力大)，RV减速器由于第一级用了三个行星轮，特别是第二级，摆线针轮为硬齿面多齿啮合，这本身就决定了它可以用小的体积传递大的转矩，又加上在结构设计中，让传动机构置于行星架的支承主轴承内，使轴向尺寸大大缩小，所有上述因素使传动总体积大为减小。 主要缺点 RV减速器的技术难点在于该部件需要保证传递很大的扭矩，承受很大的过载冲击，并保证预期的工作寿命，因而在设计上使用了过定位结构，这使得零件加工精度要求极高，加工十分困难。 应用范围 RV系列蜗轮减速机可广泛应用于冶金、矿山、输送、水利、化工、食品、饮料、纺织、烟草、包装、环保等众多行业和领域工艺装备的机械减速装置，深受用户的好评、是目前现代工业装备实现大速比低噪音、高稳定机械减速传动控制装置的最佳选择。特别是对于工业机器人，机床加工台，焊接定位器，自动托盘，运输机械手，数控机床刀库，等需要精密定位又需要传递大扭矩的设备，RV减速器更是显现出来无可比拟的优势。谐波减速器的性能 主要优点 (1)传动速比大。单级谐波齿轮传动速比范围为70320，在某些装置中可达到1000，多级传动速比可达30000以上。它不仅可用于减速，也可用于增速的场合。 (2)承载能力高。这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的30以上，而且柔轮采用了高强度材料，齿与齿之间是面接触。 (3)传动精度高。这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，误差平均化，即多齿啮合对误差有相互补偿作用，故传动精度高。在齿轮精度等级相同的情况下，传动误差只有普通圆柱齿轮传动的1/4左右。同时可采用微量改变波发生器的半径来增加柔轮的变形使齿隙很小，甚至能做到无侧隙啮合，故谐波齿轮减速机传动空程小，适用于反向转动。 (4)传动效率高、运动平稳。由于柔轮轮齿在传动过程中作均匀的径向移动，因此，即使输入速度很高，轮齿的相对滑移速度仍是极低(故为普通渐开线齿轮传动的百分之)，所以，轮齿磨损小，效率高(可达69%96)。又由于啮入和啮出时，齿轮的两侧都参加工作，因而无冲击现象，运动平稳。 (5)结构简单、零件数少、安装方便。仅有三个基本构件，且输入与输出轴同轴线，所以结构简单，安装方便。 (6)体积小、重量轻。与一般减速机比较，输出力矩相同时，谐波齿轮减速机的体积可减小 23，重量可减轻12. (7)可向密闭空间传递运动。利用柔轮的柔性特点，轮传动的这一可贵优点是现有其他传动无法比拟的。 主要缺点 (1)柔轮周期性地发生变形，因而产生交变应力，使之易于产生疲劳破坏。 (2)转动惯量和起动力矩大，不宜用于小功率的跟踪传动。 (3)不能用于传动速比小于35的场合。 (4)采用滚子波发生器(自由变形波)的谐波传动，其瞬时传动比不是常数。 (5)散热条件差。 应用范围 谐波齿轮减速机在航空、航天、能源、航海、造船、仿生机械、常用军械、机床、仪表、电子设备、矿山冶金、交通运输、起重机械、石油化工机械、纺织机械、农业机械以及医疗器械等方面得到日益广泛的应用，特别是在高动态性能的伺服系统中，采用谐波齿轮传动更显示出其优越性。它传递的功率从几十瓦到几十千瓦，但大功率的谐波齿轮传动多用于短期工作场合。