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减速器:工业机器人不可或缺的明珠

发表时间:2018-06-13

减速器:工业机器人不可或缺的明珠

2.1 技术分析:RV与谐波减速器占据主流地位

伺服电机由于脉动信号的驱动,本身具备调速功能,那么机器人为何需要减速器?

由于工业机器人需要重复、可靠地完成大量工序任务,对其定位精度和重复定位精度要求很高,因此需要专门的减速器以保证精度。减速器的另一作用是传递负载:当负载较大时,伺服电机功率有限导致输出扭矩较小,此时需要通过减速器来提高扭矩。此外,伺服电机在低频运转下容易发热和出现低频振动,对于长时间和周期性工作的机器人这都不利于确保其精确、可靠地运行。

精密减速器的存在使伺服电机在一个合适的速度下运转,并精确地将转速降到机器人各部位需要的速度,提高机械体刚性的同时输出更大的力矩。与通用减速器相比,机器人关节减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。

工业机器人用精密减速机主要分为5类,不同类型的精密减速机在传动效率、减速比方面各不相同。衡量精密减速机的主要指标包括:扭转刚度、传动精度、启动转矩、空程、背隙、传动误差、传动效率等。

目前,大量应用于多关节机器人的减速器主要有两种:RV减速器和谐波减速器。相比于谐波减速器,RV减速器具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型机器人中,一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置;而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部;二者之间适用的场景不同,属于相辅相成的关系。而行星减速器一般用在直角坐标机器人上。

RV(Rotary Vector)减速器:在摆线针轮行星传动的基础上发展而来,结构主要分为两级:第一级为渐开线圆柱齿轮传动,第二级为摆线针轮行星传动,包括转臂曲柄、摆线轮、针齿壳,特点在于承受大负载的同时保证高精度。因此,其技术难点主要在于工艺和装配方面:1.材料成型技术。RV减速齿轮需要具有耐磨性和高刚性,对于材料成型过程提出了较高要求,尤其是材料化学元素控制、表面热处理方面。2.精密加工及装配技术。RV减速器的减速比较高,具备无侧隙、微进给的特点,这就需要特殊部件加工和精密装配技术。

工作原理:1.第一减速部:伺服电机的旋转从输入齿轮传递至正齿轮,按二者的齿数比进行减速;曲轴直接与正齿轮相连,以相同的转速旋转。2.曲轴部:曲轴旋转,带动偏心部的RV齿轮进行偏心运动。3.第二减速部:另一方面,针齿数目比RV齿轮的齿数多1个;如果曲轴旋转1圈,RV齿轮与针齿接触的同时进行1圈的偏心运动,使得RV齿轮沿着相反方向旋转1个齿数的距离,并通过曲轴传递至输出轴,实现减速。而总体减速比为第一、第二减速部的减速比之积。

谐波减速器:基于行星齿轮传动发展起来,由波发生器、柔轮、刚轮和轴承组成。其工作原理在于依靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形,而柔轮比钢轮少N个齿轮位。因此,当波发生器转一圈,柔轮移动N个齿轮位,产生了所谓的错齿运动,从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。谐波减速器是通过柔轮的弹性变形来实现传动,其优势是传动比大、零部件数目少;其缺点是弹性变形回差大,这就不可避免地会影响机器人的动态特性抗冲击能力等。

从国内外产品技术指标来看,国外产品信息相对完善,每种规格对应的各技术指标都有精确的数值呈现。而国内在这方面略显欠缺,表明国内企业在检测能力方面的不足,缺少严格的质量管理体系。目前,国产减速器还存在两方面的问题:1.产品系列不健全。日本纳博具备全系列产品,基本上可以应用于所有领域,其RV-N系列产品还处于专利保护期,而国内产品系列相对残缺;2.一致性问题。国产减速器在实际使用环境下的性能,与实验室性能无法完全匹配,个别产品存在漏油、精度降低等情况,是阻碍国产减速器进军高端市场的原因之一。

从RV减速器的技术指标来看,对比纳博RV-E系列和南通振康的产品,可以看到在同一输出转速和输入功率下,二者的输出扭矩范围相当,说明国内产品在传动效率上已经可以与国外媲美。然而工艺水平是限制RV减速器发展的主要原因,例如非标特殊轴承是RV减速器的精密机构,其间隙需根据零部件加工尺寸动态调整。为了结构紧凑,薄壁角接触球轴承精度要求较高,加预紧力后轴承的游隙为零。因此,今后需要在传动精度、扭转刚度等方面加强研究。

从谐波减速器的技术指标来看,国内的苏州绿的和中技克美的减速比范围与日本哈默纳科水平相当,产品性能基本满足要求,目前已经大量应用于国产机器人。而国外产品在输出扭矩、平均寿命和一致性等技术指标上依然占据优势。

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