RV減速器和諧波減速器

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1、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%B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，

2、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?！笆濉睍r(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(zhuān)利技術(shù)早已公開(kāi)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(lèi)；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。

3、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

4、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(chēng)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 2、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(kāi)始了

5、擺線減速器的制造和銷(xiāo)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(xiāo)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(mén)，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Nabtes

6、co（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艱上的市場(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一 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

7、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(chēng)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(xiāo)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(kāi)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

8、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ABBKUKA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(lài)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

9、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 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(xiāo)售子公司。主要負(fù)責(zé)HDSI產(chǎn)品 在中國(guó)大陸的銷(xiāo)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

10、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(kāi)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

11、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)被車(chē)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

12、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(kāi)。 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(kāi)、再?lài)? 入……，周而復(fù)始地進(jìn)行，

13、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(chēng)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=75~500。 (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=75~500。

14、(3)波發(fā)生器固定一剛輪輸出 i=1.002?1.015 。 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, KB1造林堿速機(jī)標(biāo)袍組件 外型尺寸圖 RV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) (1) 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(pán)輸出， 大圓盤(pán)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

15、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、 煙草、包裝、環(huán)保等眾多行業(yè)和領(lǐng)域

16、工藝裝備的機(jī)械減速裝置，深受用戶(hù)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(pán)，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70~320，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

17、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(kāi)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

18、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。