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)和精密減速器。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)可以在性能上基本滿足中國(guó)企業(yè)的需求?？墒菍?duì)于精密減速器，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”計(jì)劃將其列入重點(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)外在精密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 RV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，諧波減速器則是一種靠波發(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) 結(jié)構(gòu)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發(fā)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)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的，不僅克服了一般針擺傳動(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12、1931 年勞倫茲勃朗在德國(guó)慕尼黑創(chuàng)建了“賽古樂(lè)”股份有限公司，最先開始了擺線減速器的制造和銷售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)一步的發(fā)展。6、 1956年，日本納博克公司發(fā)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)和納博克合并組成Nabtesco( 納博特斯克 ) 公司，并取得快速發(fā)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)的發(fā)展，美國(guó)人馬瑟在薄殼彈性變形理論基礎(chǔ)上，應(yīng)用金屬的撓性和彈性力學(xué)原理發(fā)明出來(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、精密設(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)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)和銷售各種精密減速裝置，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)了精密行星齒輪減速機(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)誤差控制在精密范圍內(nèi)。HDSI最初只是在其國(guó)內(nèi)發(fā)展，與之有著長(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)， 2012 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)。2011 年 1 月， HDSI在華成立設(shè)立哈默納2科( 上海 ) 商貿(mào)有限公司，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)支持及售后服務(wù)。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)，基本上主導(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)了精密行星齒輪減速機(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)誤差控制在精密范圍內(nèi)。RV減速器和諧波減速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)RV減速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)RV 減速器可以分為兩部分，第一部分分為正齒輪減速機(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)行減速。第二部分為差動(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。在曲柄軸的偏心部分，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，則RV齒輪由于曲柄軸的偏心運(yùn)動(dòng)也進(jìn)行偏心運(yùn)動(dòng)。此時(shí)如果曲柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，則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)。3諧波減速的機(jī)械結(jié)構(gòu)諧波減速器主要由三個(gè)基本構(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、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則與剛輪完全脫開。4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)行，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，結(jié)構(gòu)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， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 傳動(dòng)比范圍較大， 效率較高，應(yīng)用極廣， i=75500 。（ 2) 柔輪固定 , 剛輪輸出波發(fā)生器主動(dòng)，單級(jí)減速，結(jié)構(gòu)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=75500 。(3) 波發(fā)生器固定剛輪輸出5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=1.0021.015。6RV減速器與諧波減速器的性能對(duì)比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用小的體積傳遞大的轉(zhuǎn)矩，又加上在結(jié)構(gòu)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)定位結(jié)構(gòu)， 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、7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)控制裝置的最佳選擇。特別是對(duì)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)，等需要精密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)可比擬的優(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 70320 ，在某些裝置中可達(dá)到 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)相同的情況下， 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) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)少、安裝方便。僅有三個(gè)基本構(gòu)件，且輸入與輸出軸同軸線，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。(6) 體積小、重量輕。與一般減速機(jī)比較，輸出力矩相同時(shí)，諧波齒輪減速機(jī)的體積可減小2 3，重量可減輕12.(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)法比擬的。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。8