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機器人核心部件減速機的原理解析,看完就知道難點在哪里

發布時間:2021年3月8日上午8:32

工業機器人廣泛應用于汽車制造、電器設備生產、食品機械加工等產業制造上,隨著我國人工費用的增長,機器人替代人工的趨勢越來越明顯,而機器人生產出來的產品一致性好、裝配精度高等優點也越來越受到廠商的重視。

目前,全球機器人的成本主要構成為:減速機35%左右,伺服機20%左右,控制系統15%左右,機器人本體的機械加工只占15%左右。全球高端機器人主要由ABB、Fanuc和Kuka等少數幾家國際機器人公司控制,而它們所使用的精密減速75%為日本公司制造。

機器人行業應用的精密減速機可分為三種:RV減速機、諧波減速機和 行星減速機,三者在市場的上的份額占比約為:40%、40%、20%。

在關節型機器人中,一般將RV減速器放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置,諧波減速器一般放置在小臂、腕部或手部。

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RV減速器是旋轉矢量(Rotary Vector)減速器的簡稱,由日本發明,它是傳統擺線針輪和行星齒輪傳動裝置的一個新的混合種,RV減速器的傳動比較大(30-260)。

RV減速機的原理很早就已經公開,而且未有專利保護,這和我們大家一直聽到的有所出入,但是整個行業RV減速機80%市場仍由日本占據,主要品牌是納博特斯克和住友。

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RV減速器結構

RV減速機的傳動裝置是由漸開線圓柱齒輪行星減速機構和第二級擺線針輪行星減速機構兩部分組成,為一封閉差動輪系。

主動的太陽輪1與輸入軸相連,如果漸開線中心輪1順時針方向旋轉,它將帶動三個呈120°布置的行星輪2在繞中心輪軸心公轉的同時還有逆時針方向自轉,三個曲柄軸3與行星輪2相固連而同速轉動,兩片相位差180°的擺線輪4鉸接在三個曲柄軸上,并與固定的針輪相嚙合,在其軸線繞針輪軸線公轉的同時,還將反方向自轉,即順時針轉動。輸出機構(即行星架)6由裝在其上的三對曲柄軸支撐軸承來推動,把擺線輪上的自轉矢量以1:1的速比傳遞出來。(如下圖)

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RV-E是兩級減速齒輪,減速是輸入齒輪和正齒輪的外嚙合,三個正齒輪(spur gear)以120°的間隔對稱于輸出軸。

第二級減速透過正齒輪驅動偏心軸,帶動安裝在偏心軸上的RV齒輪,引起兩個RV齒輪的偏心運動。兩個RV齒輪以180°的相位差帶動輸出軸,以提供平衡載荷。

機器人核心部件減速機的原理解析,看完就知道難點在哪里
機器人核心部件減速機的原理解析,看完就知道難點在哪里

RV-C是兩級減速齒輪,減速靠輸入齒輪和中心齒輪的外嚙合,然后第二中心齒輪與正齒輪的外嚙合。三個正齒輪以120°的間隔對稱于輸出軸。

第二級減速透過正齒輪驅動偏心軸,帶動安裝在偏心軸上的RV齒輪,引起兩個RV齒輪的偏心運動。兩個RV齒輪以180°的相位差帶動輸出軸,以提供平衡載荷。

機器人核心部件減速機的原理解析,看完就知道難點在哪里
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RV的減速原理

在外殼的內環圈內裝有圓柱形的滾針,RV齒輪的偏心運動引起滾針與擺線形RV輪齒的嚙合和脫離,產生多組RV輪齒與滾針同時嚙合,提高負載能力。 由于RV齒數比滾針少1個數目,因此當偏心軸旋轉一周時,如果固定外殼 (case),則RV齒輪與輸入軸同向轉1個齒的角度。

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輸出端可以是傳動軸(shaft)或外殼(case)。如果外殼固定,則傳動軸為輸出,輸出為同方向。如果傳動軸固定,外殼為輸出,輸出的方向恰好相反。更換固定和輸出部件,可以得到不同的傳動比。

RV減速機難點

RV減速器制造核心難點在各項工藝的密切配合,包括:齒面熱處理、加工精度、零件對稱性、成組技術、裝配精度等,這些工藝總裝公差總分配帶來的結果是產品的磨損和壽命。

國內RV減速機廠家主要有南通振康和恒豐泰,南通振康2017年的年產量達到200多臺,產品已被多家機器人廠商試用,包括國外的ABB、KUKA、發那科以及國內的埃夫特、埃斯頓等企業等。

減速機實現減速是通過大小齒輪之間傳動,其轉速與齒數成反比的簡單原理來實現的。但是要實現大的傳動比,如果用我們平??吹降膱A柱齒輪,那整個齒輪速器的體積將會非常大,如果要做到盡量小的體積,怎么辦呢?

諧波減速機就是把齒輪內嵌進去!

諧波減速機(harmonic gear drive )主要由波發生器、柔性齒輪、柔性軸承、剛性齒輪四個基本構件組成。

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諧波減速機結構

諧波傳動減速器,是一種靠波發生器裝配上柔性軸承使柔性齒輪產生可控彈性變形,并與剛性齒輪相嚙合來傳遞運動和動力的齒輪傳動。(如下圖)

機器人核心部件減速機的原理解析,看完就知道難點在哪里
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解析概括為四個點:

馬達軸連接波發生器,機械手臂連接柔性齒輪圈的硬底座

柔性齒輪圈比剛性齒輪圈少N個齒輪位

波發生器轉一圈,柔性齒輪圈移動N個齒輪位

可以達到很高的減速比

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因此諧波減速機的技術難點主要體現在柔輪壽命和加工精度上。

1970年10月,長谷川齒車株式會社與美國USM公司達成協議雙方各出資50%,在東京都大田區南六鄉3丁目24番13號成立了Harmonic Drive Systems Inc(哈默納科)。這家公司2002年和2004年分別在德國和美國上市發行股票,成立德國和美國子公司,分別負責歐美地區的產品銷售。哈默納科日本公司、德國公司、美國公司基本壟斷了全球諧波減速機市場。

我國從1961年開始諧波傳動方面的研制工作。到目前為止,我國幾十家單位從事這方面的研究和生產工作,并先后研制成了多種類型的諧波齒輪傳動裝置。我國現階段的諧波傳動裝置的制造能力只相當于日本八十年代的水平,國內諧波傳動產業存在的主要問題是規模偏小,且產品種類少,研究開發人員和投入不足等。

總的來說,我國在精密減速機方面受制于材料和精密度加工兩大領域。



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