机器人核心部件减速机的原理解析,看完就知道难点在哪里

工业机器人广泛应用于汽车制造、电器设备生产、食品机械加工等产业制造上,随着我国人工费用的增长,机器人替代人工的趋势越来越明显,而机器人生产出来的产品一致性好、装配精度高等优点也越来越受到厂商的重视。

目前,全球机器人的成本主要构成为:减速机35%左右,伺服机20%左右,控制系统15%左右,机器人本体的机械加工只占15%左右。全球高端机器人主要由ABB、Fanuc和Kuka等少数几家国际机器人公司控制,而它们所使用的精密减速75%为日本公司制造。

机器人行业应用的精密减速机可分为三种:RV减速机、谐波减速机和 行星减速机,三者在市场的上的份额占比约为:40%、40%、20%。

在关节型机器人中,一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置,谐波减速器一般放置在小臂、腕部或手部。

RV减速器是旋转矢量(Rotary Vector)减速器的简称,最早由日本发明,它是传统摆线针轮和行星齿轮传动装置的一个新的混合种,RV减速器的传动比较大(30-260)。

RV减速机的原理很早就已经公开,而且未有专利保护,这和我们大家一直听到的有所出入,但是整个行业RV减速机80%市场仍由日本占据,主要品牌是纳博特斯克和住友。

RV减速器结构

RV减速机的传动装置是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成,为一封闭差动轮系。

主动的太阳轮1与输入轴相连,如果渐开线中心轮1顺时针方向旋转,它将带动三个呈120°布置的行星轮2在绕中心轮轴心公转的同时还有逆时针方向自转,三个曲柄轴3与行星轮2相固连而同速转动,两片相位差180°的摆线轮4铰接在三个曲柄轴上,并与固定的针轮相啮合,在其轴线绕针轮轴线公转的同时,还将反方向自转,即顺时针转动。输出机构(即行星架)6由装在其上的三对曲柄轴支撑轴承来推动,把摆线轮上的自转矢量以1:1的速比传递出来。(如下图)

RV-E是两级减速齿轮,第一级减速是输入齿轮和正齿轮的外啮合,三个正齿轮(spur gear)以120°的间隔对称于输出轴。

第二级减速透过正齿轮驱动偏心轴,带动安装在偏心轴上的RV齿轮,引起两个RV齿轮的偏心运动。两个RV齿轮以180°的相位差带动输出轴,以提供平衡载荷。

RV-C是两级减速齿轮,第一级减速是输入齿轮和第一中心齿轮的外啮合,然后第二中心齿轮与正齿轮的外啮合。三个正齿轮以120°的间隔对称于输出轴。

第二级减速透过正齿轮驱动偏心轴,带动安装在偏心轴上的RV齿轮,引起两个RV齿轮的偏心运动。两个RV齿轮以180°的相位差带动输出轴,以提供平衡载荷。

RV的减速原理

在外壳的内环圈内装有圆柱形的滚针,RV齿轮的偏心运动引起滚针与摆线形RV轮齿的啮合和脱离,产生多组RV轮齿与滚针同时啮合,提高负载能力。 由于RV齿数比滚针少1个数目,因此当偏心轴旋转一周时,如果固定外壳 (case),则RV齿轮与输入轴同向转1个齿的角度。

输出端可以是传动轴(shaft)或外壳(case)。如果外壳固定,则传动轴为输出,输出为同方向。如果传动轴固定,外壳为输出,输出的方向恰好相反。更换固定和输出部件,可以得到不同的传动比。

RV减速机难点

RV减速器制造核心难点在各项工艺的密切配合,包括:齿面热处理、加工精度、零件对称性、成组技术、装配精度等,这些工艺总装公差总分配带来的结果是产品的磨损和寿命。

国内RV减速机厂家主要有南通振康和恒丰泰,南通振康2017年的年产量达到200多台,产品已被多家机器人厂商试用,包括国外的ABB、KUKA、发那科以及国内的埃夫特、埃斯顿等企业等。

减速机实现减速是通过大小齿轮之间传动,其转速与齿数成反比的简单原理来实现的。但是要实现大的传动比,如果用我们平常看到的圆柱齿轮,那整个齿轮速器的体积将会非常大,如果要做到尽量小的体积,怎么办呢?

谐波减速机就是把齿轮内嵌进去!

谐波减速机(harmonic gear drive )主要由波发生器、柔性齿轮、柔性轴承、刚性齿轮四个基本构件组成。

谐波减速机结构

谐波传动减速器,是一种靠波发生器装配上柔性轴承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。(如下图)

解析概括为四个点:

马达轴连接波发生器,机械手臂连接柔性齿轮圈的硬底座

柔性齿轮圈比刚性齿轮圈少N个齿轮位

波发生器转一圈,柔性齿轮圈移动N个齿轮位

可以达到很高的减速比

因此谐波减速机的技术难点主要体现在柔轮寿命和加工精度上。

1970年10月,长谷川齿车株式会社与美国USM公司达成协议双方各出资50%,在东京都大田区南六乡3丁目24番13号成立了Harmonic Drive Systems Inc(哈默纳科)。这家公司2002年和2004年分别在德国和美国上市发行股票,成立德国和美国子公司,分别负责欧美地区的产品销售。哈默纳科日本公司、德国公司、美国公司基本垄断了全球谐波减速机市场。

我国从1961年开始谐波传动方面的研制工作。到目前为止,我国几十家单位从事这方面的研究和生产工作,并先后研制成了多种类型的谐波齿轮传动装置。我国现阶段的谐波传动装置的制造能力只相当于日本八十年代的水平,国内谐波传动产业存在的主要问题是规模偏小,且产品种类少,研究开发人员和投入不足等。

总的来说,我国在精密减速机方面受制于材料和精密度加工两大领域

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