机器人用RV减速器的论文综述

20130157机自8邱怡霖1摘要本文整理了近三年国内关于机器人用RV减速器的文献，介绍了RV减速器的基本机构和传动原理，总结了国内理论研究的趋势及其主要成果，概述了在力学分析，传动精度、摆线轮齿廓修形和测量系统的新的方案。关键词：RV减速器，摆线轮齿廓，传动精度，测量系统一、引言RV减速器结构紧凑、寿命长、传动比大、传动效率高、振动小、传动精度高、保养便利，与谐波减速器相比，摆线类传动的承载能力高一倍以上，扭转刚度高三倍以上。RV减速器是工业机器人的核心部件，占工业机器人成本的比重高达30%以上，目前中国市场的减速器基本被进口品牌垄断，生产RV减速器最著名的是日本的FANUC,这是制约国产工业机器人成本的第一因素。近年来我国针对高精度，高可靠性，批量化，轻量化进行了关于摆线轮齿廓、修形、结构设计、强度分析的研究，提出了相关的公式、算法以及测试系统。二、RV减速器的基本结构和传动原理1、基本结构RVCRotaryVoector)减速器是在摆线针轮行星传动的基础上发展而来的一种新型传动。减速器由第一级渐开线齿轮行星传动机构与第二级摆线针轮行星传动机构两部分组成的封闭的差动轮系，如图1所示。图1RV减速器传动原理图20130157机自8邱怡霖22、传动原理这种传动原理是利用一组平行四连杆机构和齿轮机构的组合的系统，第一级传动包括相互啮合的输入齿轮1和两个渐开线行星轮2，渐开线行星轮2固定安装在两相互平行的曲轴H上;第二级摆线传动中曲轴H与行星轮固连在一起，摆线轮3安装在曲轴H相位相差180。的两个偏心轴凸轮上，运转时行星轮2通过曲柄轴H带动摆线轮3做偏心平面运动，与针齿4形成少齿差啮合。RV减速器从组成形式来看，属于2K-V型行星减速器，由K-H-V型和2K-H型行星传动复合组合而成。结构主要由输出渐开线齿轮1和针齿壳5这两个中心轮和一个行星架H为基本构件，具有2K-H型的传动结构;分析内部传动结构可知，其传动结构为H-3-4-6，仍然属于K-H-V型，只是将原来的单一转臂中心输入改变成2个或3个均匀分布的转臂输入。图2RV减速器传动运动图三、特点及应用1、特点RV减速器关键有以下特点(1)它是一个封闭的传动机构，结构紧凑、与一般的齿轮减速器在体积和重量上有很大的优势。(2)RV减速器上有三个均匀分布的双偏心轴(转臂)，运动平稳并能获得高的位置精度，偏心轴的数量增加，同时滚动轴承的数量增加，其增加了轴承的寿命。(3)传递效率达到0.850.92、输入轴与输出轴的速比范围大，即i=31一171，由传动比计算20130157机自8邱怡霖3公式可知，在摆线轮齿数固定的情况下，只要将太阳轮同行星轮齿数进行变化，能获得比较多的值。(4)噪音小，RV减速器的两端采用行星架和刚性盘来支撑，比普通的悬臂梁输出机构扭转刚度大，并且抗冲击能力强。(5)RV机构在传递动力时，摆线轮与针齿两轮同时接触啮合的数量理论上有二分之一，承受过载能力比较强。(6)只要设计合理，保证制造装配精度，就可以获得高精度，小于r的回差。2、应用RV减速器作为一种新型的二级封闭传动，其不仅在精密机械传动、精密仪器、纺织机械、航天等领域运用，目前在工业机器机械手转臂、旋转轴上也占有主导地位，基于RV减速器的高刚度、高回转精度，所以在关节型工业机器人中，一般情况下前4关节基本都采用RV减速器，轻载时，第五和第六关节可用谐波减速器，重载时，工业机器人所有关节上都需用RV减速器。目前在机器人行业中，有谐波与RV两种减速器，两者相比较，RV减速器拥有精度高、耐冲击、刚度大、回差小等优势，在自动化机器人领域，减速器作为传递动力的重要部件，必须具有高的转动精度与位置精度，因而，在高精度工业机器人关节传动过程中，与谐波减速器相比较，RV减速器具不可替代的作用。四、摆线轮齿廓的形成与修形1.形成摆线轮齿廓形成有外滚法和内滚法两种，如图3所示，外滚法中，此时半径r的滚圆在半径R基圆的圆周上作纯滚动，滚圆圆周上任意一点C的轨迹CCC1C称为外摆线。而通常减速器上所用的摆线轮齿廓是滚圆内的一点M1的轨迹，其中OM=e为偏心距。内滚法中，滚圆半径rb、基圆半径rg，且rbrg，偏心距为滚圆半径与基圆半径差e=rb-rg，滚圆在基圆上纯滚动，此时滚圆圆周上的点C的轨迹CCC1C为外摆线，滚圆圆周外上的一点M的轨迹为短副外摆线。这两种摆线齿廓形成方法虽不同，但在一定条件下可以形成同一条外摆线或短幅外摆线。20130157机自8邱怡霖4图3外滚法和内滚法形成摆线齿廓图2、修形工程实际中，零部件制造安装过程中必然存在各种误差，同时为了获得一定的侧隙以便于润滑的需要，以及考虑装拆方便、补偿尺寸链误差等，摆线轮设计时必须进行适当的修形。根据摆线轮加工原理，摆线轮齿形修形有三种基本方法，一是移距修形，磨削摆线齿廓时，将磨头相对加工台移动微小距离;二是等距修形，磨削摆线齿廓时，使磨头的半径增大微小值;三是转角修形，磨出标准摆线轮齿廓后，再使加工台转动微小角度，然后继续磨削，形成新的摆线齿廓。三种修形方法可以可组合修形。近年来，国内外学者在摆线轮的齿形及载荷分布等方面开展了大量研究。李力行等回提出了有隙啮合的齿形修正方法及较为准确的受力分析方法和计算公式。关天民等提出了一套摆线轮齿形修形下的齿面受力分析理论，并对针齿和摆线轮齿的接触状态进行了有限元分析。得出大量结论，“正等距+正移距”修形会使摆线轮的相对转角大于零而引起较大的回转误差，而“负等距+负移距”修形能使摆线轮相对转角小于零从而补偿或减小由于针齿销孔配合间隙等因素引起的较大侧隙，从而使综合回差相应减小。参考得出的齿廓方程为：式中:20130157机自8邱怡霖5pr——移距修形量rpr——等距修形量'1k——移距后的短幅系数（ppprraz/k'1）魏波等进一步对比研究了基于正等距加负移距修形的两种典型摆线轮齿廓修形优化模型，探讨了两种模型优化参数下摆线针轮传动的负荷及初始侧隙分布、齿形齿廓和回转精度等性能影响规律，确定最优模型，为RV传动机构摆线轮的进一步优化设计提供理论参考依据。模型1和模型2的优化参数同一径向间隙下模型1和径向间隙优化模型（简称模型3）的优化参数同一径向间隙下模型2和模型3的优化参数得出的结论为：（1）各正等距加负移距修形模型的优化参数存在一定的差异，摆线轮齿廓与理论齿廓间的间隙大致相等，且分布较为均匀，趋近转角修形齿廓共扼齿廓的程度一致。(2)各个模型优化参数下，摆线针轮传动的接触齿对数相等，最大接触载荷存在差异。模型1与模型1、模型2与模型2在传动过程中的载荷分布以及初始侧隙保持一致，但是模型1与模型2在载荷方面存在细微的差异，前者的载荷及初始间隙的分布更均匀。因此，都具有良好的啮合性能及较高的传动稳定性。(3)采用基于法向齿廓间隙的模型1的优化齿廓进行传动时，既能保证同一时刻的多齿对啮合及承载的均匀性，能保证机构能得到良好的润滑及相对较高的回转精度，因而采用优化模型1对RV减速器的摆线轮进行齿廓修形具有更明显的优20130157机自8邱怡霖6势。工程人员可以根据实际需求及生产加工能力选择合适的修形模型。五、结构设计和力学分析1.强度分析通过有限元分析得到结论：1)传动比分配上，为使负载分配到更多的摆线齿上，设计时针齿齿数尽量在30个齿以上;2)行星齿轮悬臂安装在曲轴上，其齿宽方向的啮合印痕向安有曲轴方向偏载;3)两片摆线轮载荷分配并不均匀，靠近输入端的1#摆线轮比靠近输出端的2#摆线轮应力值约大5.6%左右;4)曲轴变形方向与自转相位方向相同，曲轴旋转过程中，在初始自转相位60~60-之间变形较小。2.刚度分析针对RV减速器的结构特点，在ANSYS环境下，构建计及多种影响因素的整机扭转刚度模型，分析影响其扭转刚度特性的主要因素，得出以下结论:(1)轴承刚度是影响整机扭转刚度的主要因素。将轴承刚度视为随载荷非线性变化时能更精确地揭示整机的扭转刚度特性，较将轴承刚度视为常数值时更接近实验测试结果;(2)摆线轮与针齿的啮合数是影响整机扭转刚度平均数值的主要因素之一，但对扭转刚度的变化趋势影响不大;(3)对应曲柄轴自转一周，整机扭转刚度在曲柄轴转角为0°与180°附近取得扭转刚度的最大值，在120°与240°附近取得最小值。六、传动精度分析1.采用单因素叠加法对RV减速器的传动误差和回差进行分析针齿半径误差、等距修形误差是影响回差的主要因素，各部件径向跳动误差和轴承间隙是影响传动误差的主要因素。2.考虑关键部件制造误差和安装误差因素，进行动态传动精度仿真，分析单因素误差和误差组合对RV减速器的动态回差、动态传动精度的影响组合误差与单因素误差对回差影响，仅幅值上变化，各因素对的回差影响趋势没变。20130157机自8邱怡霖7回差:1)随着等距修形量、移距修形量和针齿半径误差的值增加，回差呈线性增加;相同误差值下，等距修形和针齿半径误差对回差影响相同，移距修形量回差影响相对略小于等距修形的影响;2)曲轴偏心误差对回差影响较小，一定范围内，曲轴偏心为负误差时回差线性增加，曲轴偏心为正误差时回差线性减小，曲轴偏心正误差有利于减小回差;随着曲轴孔位置正误差和负误差的增加，回差都逐渐减小，且曲轴孔位置负误差对回差影响略大;3)回差随着摆线轮孔的相位误差增大呈线性减小的趋势，相位误差有利于减小回差;4)曲轴孔误差为负偏差且曲轴偏心量为正偏差时有利于减小回差。传动误差:1)等距修形、针齿半径误差、移距修形量对传动误差影响较小;2)曲轴偏心正负误差对传动精度影响相同3)曲轴偏心误差和曲轴孔位置偏差相反时，偏心误差增加，传动误差呈线性增大;封同，对传动误差相互抵消，反之叠加;当摆线轮上曲轴孔之间距离恒定不变，曲轴孔在摆线轮上的位置误差较小时，向误差(两摆线轮完全一致)与反向误差对传动误差的影响基本一致，当曲轴孔位置误差逐渐增大，同向误差影响明显大于反向误差对传动误差的影响。3.基于权重法的公差设计权重是指某‘指标在整体评价中的相对重要程度。RV减速器设计参数的权重主要取决两个方面:1.该参数的敏感性;2.该参数的名义尺寸。敏感性反应了输入误差对回差的影响程度，敏感性越大，影响程度越大Iz91。另一方面，在零件的实际加工中，对于相同的误差，零件的尺寸越大，加工难度越大，如φ100±0.005的加工难度要远大于φ4士0.005的加工难度。流程见图4。20130157机自8邱怡霖8图4.基于权重法设计流程图七、测试方案及系统1、传动误差测试方案一套简单且经济实用的用于RV减速器传动误差检测的试验装置。根据传动误差的定义，只需要测出输出端和输入端的转角即可计算减速器的传动误差。因此，为了达到这一目的，在减速器的输出端布置一个角度编码器。由于减速器输入是通过伺服电机来控制进行，且电机和减速器通过刚性联轴器来联接，则减速器输入的转角即为电机输出的转角。为了更便于传动误差的检测，得出理论输出转角，而理论输出转角等于电机输出转角与传动比的比值。电机输出转角可以通过编程控制得到，这样只需读取输出端角度编码器的值即可通过计算得到传动误差。测试方案原理图如图4所示。20130157机自8邱怡霖9图4.测试方案原理图2、一种RV减速器综合性能测试系统大连交通大学提供了一种对中装置和一种机器人用RV减速器综合性能测试系统，对中装置能够实现快速、简单及精确地完成RV减速器测试系统传动链的对中调整，综合性能测试系统能够较高精度测量不同系列、不同规格的机器人用RV减速器的运动精度，刚度、回差，保精度寿命和传动效率，能够快速精确地进行国内外同类产品的对比试验，能够验证和完善设计理论和制造方法，对机器人用RV减速器的批量化设计与制造具有重要的意义。对中装置如图5。图5.对中装置示意图3、协同可靠性试验信息系统北方工业大学基于网络技术、数据库技术、数据采集及处理等关键技术，组建RV减速器可靠性数据采集和信息交互技术平台。该平台作为可靠性信息采集及资源共享的载体，实现了数据分析中心和多家产品用户等网络化协同，其功能可以满足可靠性分析的需要。