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1、...wd RV減速器與諧波減速器的調(diào)研報(bào)告 當(dāng)我們?cè)跓o(wú)限憧憬機(jī)器人時(shí)代的時(shí)候，我們卻很少知道在機(jī)器人的所有零部件中，有兩樣?xùn)|西一直是我們國(guó)人無(wú)法跨越過(guò)去的障礙，那就是伺服電機(jī)和精細(xì)減速器。隨著自動(dòng)化和電子電氣理論的日趨成熟，國(guó)人在伺服電機(jī)方面已經(jīng)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，雖然在目前國(guó)內(nèi)的伺服電機(jī)75%仍然依靠進(jìn)口，但對(duì)于中小功率的伺服電機(jī)，中國(guó)不少企業(yè)，如深圳的英威騰、匯川科技，大連的安迪的產(chǎn)品已經(jīng)可以在性能上根本滿足中國(guó)企業(yè)的需求?？墒菍?duì)于精細(xì)減速器，特別是機(jī)器人關(guān)節(jié)上需要使用的RV減速器和諧波減速器，目前國(guó)內(nèi)的研究仍然停留在論文和數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，翻遍所有關(guān)于生產(chǎn)這兩種減速器的國(guó)產(chǎn)廠家，我

2、們?nèi)匀浑y以找出哪怕一家產(chǎn)品可以在性能上滿足國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的需求。 直到今天，中國(guó)仍然不具備設(shè)計(jì)和制造這兩種減速器的能力。“十二五〞時(shí)期，國(guó)家“863〞方案將其列入重點(diǎn)攻克的技術(shù)瓶頸。國(guó)內(nèi)頂尖大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)幾年攻關(guān)也只有論文，沒(méi)有實(shí)物。那么，我們與國(guó)外在精細(xì)減速器方面的差距到底在哪里？為什么在專利技術(shù)早已公開的今天，我們?nèi)匀浑y以跨過(guò)這道已經(jīng)成型了近半個(gè)世紀(jì)的鴻溝？ 為什么機(jī)器人要用RV減速器和諧波減速器？ 我們常用的減速大致有下面幾類；擺線減速器、硬齒面圓柱齒輪減速器、行星齒輪減速器、軟齒面減速器、三環(huán)減速器、起重機(jī)減速器、蝸桿減速器、軸裝式硬齒面減速器、無(wú)級(jí)變速器。而R

3、V減速器和諧波減速器與上述幾種減速的區(qū)別在于，RV減速器是行星減速器和擺線減速器的組成的一個(gè)二級(jí)減速器，諧波減速器那么是一種靠波發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的齒輪傳動(dòng)。這兩種減速器相對(duì)于其它減速器而言，具有以下的優(yōu)勢(shì)：(1)傳動(dòng)速比大，(2)承載能力高，(3)傳動(dòng)精度高，(4)傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，(5)構(gòu)造簡(jiǎn)單、零件數(shù)少、安裝方便，(6)體積小、重量輕，。傳統(tǒng)的齒輪減速器體積大，重量重，減速比小，傳統(tǒng)效率低下，特別是在無(wú)法消除多級(jí)減速后的累積誤差，對(duì)于機(jī)器人在控制末端精度要求甚高的工況下，目前只有RV和諧波減速器可以勝任。 RV減速器和諧波減速器的開

4、展史 RV減速器的誕生 德國(guó)人勞倫茲·勃朗于1926年創(chuàng)造性地提出了一種少齒差行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是用外擺線作為齒廓曲線的，這就是最早期的針擺行星傳動(dòng)，由于兩個(gè)嚙合齒輪其中之一采用了針輪的形式，這種傳動(dòng)也被稱做擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)。 　　RV傳動(dòng)一種全新的傳動(dòng)方式，它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動(dòng)的根底上開展出來(lái)的，不僅克制了一般針擺傳動(dòng)的缺點(diǎn)，而且因?yàn)榫哂畜w積小、重量輕、傳動(dòng)比范圍大、壽命長(zhǎng)、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)等一系列優(yōu)點(diǎn)。 1、1926年德國(guó)人勞倫茲·勃朗于創(chuàng)造性地提出RV減速機(jī)原理 　　2、1931年勞倫茲·勃朗在德國(guó)慕尼黑創(chuàng)立了“賽古樂(lè)〞股份，最先開場(chǎng)了擺線減

5、速器的制造和銷售 　　3、1939年，日本住友公司和“賽古樂(lè)〞公司簽定了技術(shù)合作協(xié)議，并生產(chǎn)銷售； 　　4、1944年，日本帝人精機(jī)成立，這個(gè)未來(lái)的RV減速機(jī)霸主，在飛機(jī)制造、紡織機(jī)械、機(jī)床等多個(gè)行業(yè)碩果累累； 　　5、1950年-1960年，擺線磨床的出現(xiàn)，解決了擺線齒形的精度不高的難題，使擺線傳動(dòng)得到了進(jìn)一步的開展。 　　6、1956年，日本納博克公司出售全球第一個(gè)自動(dòng)門，在市場(chǎng)上展露頭角。 　　7、1980年左右，日本帝人精機(jī)提出RV傳動(dòng)理論，著手應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè)。 　　8、1986年，日本帝人精機(jī)RV減速機(jī)正式大規(guī)模生產(chǎn)，取得成功； 　　9、2003年，帝人精機(jī)和納博克合

6、并組成Nabtesco(納博特斯克)公司，并取得快速開展，現(xiàn)在已成為RV減速機(jī)行業(yè)的領(lǐng)頭羊，占據(jù)了60%以上的市場(chǎng)，特別在中/重負(fù)荷機(jī)器人上，其RV減速機(jī)市場(chǎng)占有率高達(dá)90%。 諧波減速器的誕生 20世紀(jì)50年代中期，隨著全球科學(xué)技術(shù)的開展，美國(guó)人馬瑟在薄殼彈性變形理論根底上，應(yīng)用金屬的撓性和彈性力學(xué)原理創(chuàng)造出來(lái)一種新型諧波傳動(dòng)技術(shù)。諧波傳動(dòng)技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天、工業(yè)機(jī)器人、精細(xì)設(shè)備儀器、雷達(dá)通訊設(shè)備、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、半導(dǎo)體工業(yè)晶圓傳送裝置、印刷包裝機(jī)械、醫(yī)療器械、金屬成型機(jī)械、儀器儀表、光學(xué)制造儀器、核設(shè)施及空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域。 諧波傳動(dòng)這項(xiàng)新型技術(shù)的出現(xiàn)便引起了各國(guó)

7、的重視。1970年引入日本，隨之誕生了日本第一家整體運(yùn)動(dòng)控制的領(lǐng)軍企業(yè)-日本HarmonicDriveSystemsInc.(簡(jiǎn)稱HDSI)。日本HDSI公司生產(chǎn)的HarmonicDrive諧波減速器，具有輕量、小型、傳動(dòng)效率高、減速范圍廣、精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種傳動(dòng)系統(tǒng)中。HDSI主要生產(chǎn)和銷售各種精細(xì)減速裝置，當(dāng)之無(wú)愧為整體運(yùn)動(dòng)控制的領(lǐng)軍企業(yè)。為了涵蓋諧波減速器不能覆蓋到的低減速比領(lǐng)域，HDSI產(chǎn)品還開發(fā)了精細(xì)行星齒輪減速機(jī)HarmonicPlanetary。獨(dú)特的內(nèi)齒圈形變工藝，可使行星齒輪嚙合得更緊、消除背隙，從而將傳動(dòng)誤差控制在精細(xì)范圍內(nèi)。HDSI最初只是在其國(guó)內(nèi)開展，與之有

8、著長(zhǎng)久合作關(guān)系的有安川電機(jī)、三菱電機(jī)及發(fā)那科等企業(yè)。 　　近年來(lái)，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)進(jìn)入新的歷史機(jī)遇期，以ABB、KUKA、安川、發(fā)那科為代表的國(guó)際機(jī)器人企業(yè)紛紛大舉進(jìn)入中國(guó)，設(shè)立工廠，搶占市場(chǎng)份額。在中國(guó)，如手機(jī)制造、半導(dǎo)體、液晶生產(chǎn)機(jī)械等行業(yè)，對(duì)小型機(jī)器人的需求也是越來(lái)越旺盛，然而對(duì)于國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人而言，特別是諧波減速器、伺服電機(jī)、控制系統(tǒng)等還需大量依賴進(jìn)口，這就導(dǎo)致了其競(jìng)爭(zhēng)力還與國(guó)外企業(yè)有差距，但是這些又是工業(yè)機(jī)器人的上游部件、關(guān)鍵部件。據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟(IFR)統(tǒng)計(jì)，2021年中國(guó)共進(jìn)口工業(yè)機(jī)器人約2.2萬(wàn)臺(tái)，中國(guó)將是全球增長(zhǎng)最快的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。HDSI的諧波減速器是小型工業(yè)機(jī)器

9、人(20kg以下)或者關(guān)節(jié)臂上不可取代的部件，這為其拓展中國(guó)大陸市場(chǎng)帶來(lái)了新的契機(jī)。2021年1月，HDSI在華成立設(shè)立哈默納科(上海)商貿(mào)，該公司為其在華投資設(shè)立的全資銷售子公司。主要負(fù)責(zé)HDSI產(chǎn)品在中國(guó)大陸的銷售、選型等技術(shù)支持及售后效勞。 HDSI早期的產(chǎn)品主要是減速機(jī)等機(jī)械產(chǎn)品，時(shí)至今日，HDSI的主打產(chǎn)品又加上了眾多的機(jī)電一體化產(chǎn)品。在減速機(jī)方面，HDSI主要有HarmonicDrive(諧波齒輪傳動(dòng)減速機(jī))和HarmonicPlanetary(行星齒輪減速機(jī))。其生產(chǎn)的HarmonicDrive諧波減速機(jī)，根本上主導(dǎo)了主要國(guó)際市場(chǎng)，具有其他減速機(jī)不具備的特點(diǎn)：高旋轉(zhuǎn)精度/高定位

10、精度、小型/輕量、傳動(dòng)效率高、高減速比、減速范圍廣、精度高、高轉(zhuǎn)矩容量、無(wú)齒隙、高效率及安靜運(yùn)行等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種傳動(dòng)系統(tǒng)中。為了涵蓋諧波減速機(jī)不能覆蓋到的低減速比領(lǐng)域，HDSI產(chǎn)品還開發(fā)了精細(xì)行星齒輪減速機(jī)HarmonicPlanetary。獨(dú)特的內(nèi)齒圈形變工藝，可以使得行星齒輪嚙合得更緊、消除背隙，從而將傳動(dòng)誤差控制在精細(xì)范圍內(nèi)。 RV減速器和諧波減速器的機(jī)械構(gòu)造 RV減速器的機(jī)械構(gòu)造 RV減速器可以分為兩局部，第一局部分為正齒輪減速機(jī)構(gòu)，輸入軸的旋轉(zhuǎn)從輸入齒輪傳遞到直齒輪，按齒數(shù)比進(jìn)展減速。。第二局部為差動(dòng)齒輪減速機(jī)構(gòu)，直齒輪與曲柄軸相連接，變?yōu)榈诙p速部的輸入。在曲柄軸的偏

11、心局部，通過(guò)滾動(dòng)軸承安裝RV齒輪。另外，在外殼內(nèi)側(cè)僅比RV齒輪數(shù)多一個(gè)的針齒，以同等的齒距排列。如果固定外殼轉(zhuǎn)動(dòng)直齒輪，那么RV齒輪由于曲柄軸的偏心運(yùn)動(dòng)也進(jìn)展偏心運(yùn)動(dòng)。此時(shí)如果曲柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，那么RV齒輪就會(huì)沿與曲柄軸相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒。這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)被輸出到第2減速部的軸。將軸固定時(shí)，外殼側(cè)成為輸出側(cè)。 諧波減速的機(jī)械構(gòu)造 諧波減速器主要由三個(gè)根本構(gòu)件組成： 〔1〕帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪〔剛輪〕，它相當(dāng)于行星系中的中心輪； 〔2〕帶有外齒圈的柔性齒輪〔柔輪〕，它相當(dāng)于行星齒輪； 〔3〕波發(fā)生器H，它相當(dāng)于行星架。 作為減速器使用，通常采用波發(fā)生器主動(dòng)、剛輪固定

12、、柔輪輸出形式。 波發(fā)生器H是一個(gè)桿狀部件，其兩端裝有滾動(dòng)軸承構(gòu)成滾輪，與柔輪1的內(nèi)壁相互壓緊。柔輪為可產(chǎn)生較大彈性變形的薄壁齒輪，其內(nèi)孔直徑略小于波發(fā)生器的總長(zhǎng)。波發(fā)生器是使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形的構(gòu)件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪后，迫使柔輪的剖面由原先的圓形變成橢圓形，其長(zhǎng)軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合，而短軸兩端附近的齒那么與剛輪完全脫開。周長(zhǎng)上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過(guò)渡狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔輪的變形不斷改變，使柔輪與剛輪的嚙合狀態(tài)也不斷改變，由嚙入、嚙合、嚙出、脫開、再嚙入……，周而復(fù)始地進(jìn)展，從而實(shí)現(xiàn)柔輪相對(duì)剛輪沿波發(fā)生器H相反方向的緩慢旋轉(zhuǎn)。工作時(shí)，固定剛輪，由電

13、機(jī)帶動(dòng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)，柔輪作為從動(dòng)輪，輸出轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。在傳動(dòng)過(guò)程中，波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周，柔輪上某點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù)稱為波數(shù)，以 n 表示。常用的是雙波和三波兩種。雙波傳動(dòng)的柔輪應(yīng)力較小，構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，易于獲得大的傳動(dòng)比。故為目前應(yīng)用最廣的一種。 （1） 剛輪固定，柔輪輸出 波發(fā)生器主動(dòng)，單級(jí)減速，構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳動(dòng)比范圍較大，效率較高，應(yīng)用極廣，i=75~500。 （2) 柔輪固定,剛輪輸出 波發(fā)生器主動(dòng)，單級(jí)減速，構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳動(dòng)比范圍較大，效率較高，可用于中小型減速器，i=75~500。 (3) 波發(fā)生器固定—?jiǎng)傒嗇敵? 柔輪主動(dòng)，單級(jí)微小減速，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，適用于高精度微調(diào)傳動(dòng)裝置，i

14、=1.002~1.015。 RV減速器與諧波減速器的性能比照 RV減速器的性能 主要優(yōu)點(diǎn) (l)傳動(dòng)比范圍大； (2)扭轉(zhuǎn)剛度大，輸出機(jī)構(gòu)即為兩端支承的行星架，用行星架左端的剛性大圓盤輸出，大圓盤與工作機(jī)構(gòu)用螺栓聯(lián)結(jié)，其扭轉(zhuǎn)剛度遠(yuǎn)大于一般擺線針輪行星減速器的輸出機(jī)構(gòu)。在額定轉(zhuǎn)矩下，彈性回差?。? (3)只要設(shè)計(jì)合理，制造裝配精度保證，就可獲得高精度和小間隙回差； (4)傳動(dòng)效率高； (5)傳遞同樣轉(zhuǎn)矩與功率時(shí)的體積小(或者說(shuō)單位體積的承載能力大)，RV減速器由于第一級(jí)用了三個(gè)行星輪，特別是第二級(jí)，擺線針輪為硬齒面多齒嚙合，這本身就決定了它可以

15、用小的體積傳遞大的轉(zhuǎn)矩，又加上在構(gòu)造設(shè)計(jì)中，讓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)置于行星架的支承主軸承內(nèi)，使軸向尺寸大大縮小，所有上述因素使傳動(dòng)總體積大為減小。 主要缺點(diǎn) RV減速器的技術(shù)難點(diǎn)在于該部件需要保證傳遞很大的扭矩，承受很大的過(guò)載沖擊，并保證預(yù)期的工作壽命，因而在設(shè)計(jì)上使用了過(guò)定位構(gòu)造，這使得零件加工精度要求極高，加工十分困難。 應(yīng)用范圍 RV系列蝸輪減速機(jī)可廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、輸送、水利、化工、食品、飲料、紡織、煙草、包裝、環(huán)保等眾多行業(yè)和領(lǐng)域工藝裝備的機(jī)械減速裝置，深受用戶的好評(píng)、是目前現(xiàn)代工業(yè)裝備實(shí)現(xiàn)大速比低噪音、高穩(wěn)定機(jī)械減速傳動(dòng)控制裝置的最正確選擇。特別是對(duì)

16、于工業(yè)機(jī)器人，機(jī)床加工臺(tái)，焊接定位器，自動(dòng)托盤，運(yùn)輸機(jī)械手，數(shù)控機(jī)床刀庫(kù)，等需要精細(xì)定位又需要傳遞大扭矩的設(shè)備，RV減速器更是顯現(xiàn)出來(lái)無(wú)可比較的優(yōu)勢(shì)。 諧波減速器的性能 主要優(yōu)點(diǎn) (1)傳動(dòng)速比大。單級(jí)諧波齒輪傳動(dòng)速比范圍為70~320，在某些裝置中可到達(dá)1000，多級(jí)傳動(dòng)速比可達(dá)30000以上。它不僅可用于減速，也可用于增速的場(chǎng)合。 (2)承載能力高。這是因?yàn)橹C波齒輪傳動(dòng)中同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，雙波傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒數(shù)可達(dá)總齒數(shù)的30％以上，而且柔輪采用了高強(qiáng)度材料，齒與齒之間是面接觸。 (3)傳動(dòng)精度高。這是因?yàn)橹C波齒輪傳動(dòng)中同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，誤差平均化，即多齒

17、嚙合對(duì)誤差有相互補(bǔ)償作用，故傳動(dòng)精度高。在齒輪精度等級(jí)一樣的情況下，傳動(dòng)誤差只有普通圓柱齒輪傳動(dòng)的1/4左右。同時(shí)可采用微量改變波發(fā)生器的半徑來(lái)增加柔輪的變形使齒隙很小，甚至能做到無(wú)側(cè)隙嚙合，故諧波齒輪減速機(jī)傳動(dòng)空程小，適用于反向轉(zhuǎn)動(dòng)。 (4)傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。由于柔輪輪齒在傳動(dòng)過(guò)程中作均勻的徑向移動(dòng)，因此，即使輸入速度很高，輪齒的相對(duì)滑移速度仍是極低(故為普通漸開線齒輪傳動(dòng)的百分之—)，所以，輪齒磨損小，效率高(可達(dá)69%~96％)。又由于嚙入和嚙出時(shí)，齒輪的兩側(cè)都參加工作，因而無(wú)沖擊現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。 (5)構(gòu)造簡(jiǎn)單、零件數(shù)少、安裝方便。僅有三個(gè)根本構(gòu)件，且輸入與輸出

18、軸同軸線，所以構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝方便。 (6)體積小、重量輕。與一般減速機(jī)比較，輸出力矩一樣時(shí)，諧波齒輪減速機(jī)的體積可減小 2／3，重量可減輕1／2. (7)可向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)。利用柔輪的柔性特點(diǎn)，輪傳動(dòng)的這一可貴優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)有其他傳動(dòng)無(wú)法比較的。 主要缺點(diǎn) (1)柔輪周期性地發(fā)生變形，因而產(chǎn)生交變應(yīng)力，使之易于產(chǎn)生疲勞破壞。 (2)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和起動(dòng)力矩大，不宜用于小功率的跟蹤傳動(dòng)。 (3)不能用于傳動(dòng)速比小于35的場(chǎng)合。 (4)采用滾子波發(fā)生器(自由變形波)的諧波傳動(dòng)，其瞬時(shí)傳動(dòng)比不是常數(shù)。 (5)散熱條件差。 應(yīng)用范圍 諧波齒輪減速機(jī)在航空、航天、能源、航海、造船、仿生機(jī)械、常用軍械、機(jī)床、儀表、電子設(shè)備、礦山冶金、交通運(yùn)輸、起重機(jī)械、石油化工機(jī)械、紡織機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械以及醫(yī)療器械等方面得到日益廣泛的應(yīng)用，特別是在高動(dòng)態(tài)性能的伺服系統(tǒng)中，采用諧波齒輪傳動(dòng)更顯示出其優(yōu)越性。它傳遞的功率從幾十瓦到幾十千瓦，但大功率的諧波齒輪傳動(dòng)多用于短期工作場(chǎng)合。