吳素珍,陳丹

（1.河南工程學院,河南鄭州451191；2.大連交通大學,遼寧大連116028）

隨著科學技術的發(fā)展,在機械、航空、汽車工業(yè)等領域采用機器人代替人力已是走向高水平工業(yè)化的發(fā)展方向.機器人技術受到各國政府的高度重視,用于機器人關節(jié)傳動的主要裝置也受到眾多研究者的關注.本文將用于機器人關節(jié)傳動的主要傳動裝置加以歸納和總結(jié),以方便工業(yè)機器人關節(jié)傳動精密傳動減速器的理論研究和使用研究.

1 國內(nèi)外精密傳動的發(fā)展現(xiàn)狀

目前,精密齒輪傳動類型主要有濾波傳動、諧波傳動、擺線針輪傳動、RV傳動等.日本、德國、美國、丹麥等國的精密傳動研制在材料和制造工藝方面處于國際領先水平[1-3].

濾波齒輪傳動是由重慶大學梁錫昌、王家序教授發(fā)明的一種結(jié)構緊湊、體積相對小、大傳動比的新型精密傳動機構,目前還處于研究階段[4].

從20世紀50年代起,美國、日本等發(fā)達國家就開始進行諧波齒輪傳動的研究,其中以USM公司規(guī)模最大.我國從20世紀60年代就開始諧波方面的研制工作,但到目前為止國內(nèi)諧波齒輪的專業(yè)生產(chǎn)廠家仍然很少.

擺線針輪傳動和RV傳動是由德國人發(fā)明,后來日本人引進并發(fā)展壯大的技術.德國、日本等國家關于擺線針輪傳動和RV傳動研制生產(chǎn)已經(jīng)形成系列化、批量化[5-11].在國內(nèi),中國人第一次見到擺線針輪行星傳動減速器是20世紀70年代在北京的一次展覽會上.由于其具有輸入輸出同軸性、傳動比大、效率高、結(jié)構緊湊等特點,引起了不少科研人員的注意.目前我國大連交通大學等院校及研究機構研制的擺線針輪傳動和RV傳動產(chǎn)品,主要技術性能指標已達到了國際先進水平,但在國際上同日本的最新RV系列產(chǎn)品還有一定的差距,需要進一步在提高傳動精度設計理論和RV減速器批量生產(chǎn)上進行研究.

2 機器人關節(jié)傳動用新型減速器

2.1 濾波齒輪傳動

濾波齒輪減速器屬于NN型少齒差減速器,由偏心減速機構、濾波花鍵機構、三向止推軸承3大部分組成[12].偏心減速機構由內(nèi)齒輪、鋼球、偏心輪、滾動軸承組成；濾波花鍵機構由鋼球、偏心輪、圓柱齒輪和內(nèi)齒輪組成[4-6].濾波減速器實物圖和主要零部件如圖1所示,傳動結(jié)構如圖2所示.

圖1 濾波減速器Fig.1 Filteringgear reducer

圖2 濾波傳動結(jié)構Fig.2 Structure chart of filter transmission

濾波齒輪傳動傳動原理如圖3所示.

圖3 濾波齒輪傳動傳動原理Fig.3 Transmission principle diagram of filteringgear principles

圖3中偏心軸H為輸入端,齒輪1為輸出端,雙聯(lián)齒輪3與固定內(nèi)齒輪4嚙合實現(xiàn)了第1級傳動,雙聯(lián)齒輪2、3與輸出內(nèi)齒輪嚙合實現(xiàn)了第2級傳動.偏心軸的旋轉(zhuǎn)中心與固定內(nèi)齒輪、輸出內(nèi)齒輪的旋轉(zhuǎn)中心同軸,當通過偏心軸輸入轉(zhuǎn)矩時,由于雙聯(lián)齒輪的偏心,及輸入齒輪是固定的,雙聯(lián)齒輪2、3一方面繞自身軸線自轉(zhuǎn),同時還繞偏心軸旋轉(zhuǎn)中心公轉(zhuǎn),雙聯(lián)齒輪2、3所受兩方面的力同時作用于與其嚙合的輸出內(nèi)齒輪1,獲得輸出運動.

濾波齒輪傳動具有傳動精度高、可靠性高、壽命長、傳遞扭矩大、能耗低、體積小、傳動比大,結(jié)構相對簡單等優(yōu)點.廣泛應用于航天、航空、運載等領域[13].

2.2 諧波齒輪傳動

諧波齒輪傳動是通過柔輪的彈性變形實現(xiàn)運動傳遞動力的一種的新型傳動[14].其主要由波發(fā)生器、柔輪、剛輪組成.結(jié)構外形圖如4所示.

圖4 諧波齒輪Fig.4 Harmonic gear

諧波齒輪傳動,當波發(fā)生器裝入柔輪后,迫使柔輪在長軸處產(chǎn)生徑向變形成橢圓狀.橢圓的長軸兩端,柔輪外齒與剛輪內(nèi)齒沿全齒高相嚙合,短軸兩端則處于完全脫開狀態(tài),其他各點處于嚙合與脫開的過渡階段.設剛輪固定,波發(fā)生器進行逆時針轉(zhuǎn)動,當其長軸轉(zhuǎn)到圖示嚙入狀態(tài)處時,柔輪進行了順時針旋轉(zhuǎn).當長軸不斷旋轉(zhuǎn)時,柔輪相繼由嚙合轉(zhuǎn)向嚙出,由嚙出轉(zhuǎn)向脫出,由脫開轉(zhuǎn)向嚙入,有嚙入轉(zhuǎn)向嚙合,從而迫使柔輪進行連續(xù)旋轉(zhuǎn)[15].傳動原理如圖5所示.

圖5 諧波傳動傳動原理Fig.5 Transmission principle diagram of harmonic principles

諧波傳動具有運動精度高、傳動比大、質(zhì)量小、體積小、較小的傳動慣量等優(yōu)點,最重要的是能在密閉空間傳遞運動,這一點是其他任何機械傳動無法實現(xiàn)的.其缺點為在諧波齒輪傳動中每轉(zhuǎn)柔輪發(fā)生2次橢圓變形,極易引起材料的疲勞損壞,損耗功率大,同時其引起的扭轉(zhuǎn)變形角達到20′～30′,甚至更大,受軸承間隙等影響可能引起3′～6′回程誤差,不具有自鎖功能.

諧波傳動適用于質(zhì)量和尺寸受限（如小的機械手關節(jié)）、位置精度要求高的場合.如美國的研制NASA空間飛行器,德國的ERS-1/2地球觀測衛(wèi)星的太陽翼與天線驅(qū)動機構,日本的觀測衛(wèi)星,我國“風云”系列衛(wèi)星掃描輻射計、火箭伺服機構等.

2.3 擺線針輪行星傳動

擺線針輪行星傳動是行星輪采用變幅外擺線的一種少齒差行星齒輪傳動,屬于K-H-V行星齒輪傳動.主要由擺線輪、針輪、行星架和輸出結(jié)構4部分組成[16-20].其主要零部件如圖6所示.

圖6 擺線針輪行星傳動的主要零部件Fig.6 Main components of cycloid pin gear planetarygear transmission

擺線針輪行星傳動,當輸入軸1旋轉(zhuǎn)時,通過偏心軸2帶動擺線輪4旋轉(zhuǎn),由于偏心軸上的擺線輪4與針齒3嚙合限制,擺線輪旋轉(zhuǎn)時即繞自身軸線自轉(zhuǎn),又繞輸入軸軸線公轉(zhuǎn),然后借助W輸出機構6,將擺線輪的低速自轉(zhuǎn)動通過銷軸,傳遞給輸出軸5,從而獲得較低的輸出轉(zhuǎn)速.傳動原理如圖7所示.

圖7 擺線針輪行星齒輪傳動原理Fig.7 Transmission principles of cycloid pin gear planetary gear

擺線針輪行星傳動的特點是單級傳動比為6～119,一級傳動效率達0.90～0.95.可代替兩級普通圓柱齒輪減速器,體積可減少1/2～2/3,質(zhì)量約減少1/3～1/2.缺點是擺線針輪減速器的機構太復雜,制造、安裝精度要求太高,轉(zhuǎn)臂軸承受力大,影響軸承壽命和承載能力[21-26].

擺線針輪行星傳動最大傳動功率200 kW,最高輸入轉(zhuǎn)速1 800 r/min,廣泛應用于礦山、化工、起重機械、工程機械等領域[27-31].

2.4 RV傳動減速器

RV傳動是在擺線針輪行星傳動的基礎上發(fā)展起來的一種新型精密傳動,屬于2K-V行星齒輪傳動[32].外形結(jié)構如圖8所示.

圖8 RV減速器外形結(jié)構Fig.8 Configuration of RV reducer

RV傳動減速器是一種2級行星齒輪傳動減速機構.第1級減速是通過中心齒輪0與行星齒輪2嚙合,按照中心齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比進行減速.傳動過程中如果漸開線中心輪1順時針轉(zhuǎn)動,那么行星輪2既繞自身軸線逆時針自轉(zhuǎn),同時繞中心輪軸線公轉(zhuǎn),第1級傳動中的漸開線行星輪2與曲柄軸3連成一體,并通過偏心軸3帶動擺線輪4作偏心運動,作為第2級傳動部分的輸入,第2級減速是擺線輪4與針輪5嚙合減速.擺線輪與針輪嚙合傳動過程中,擺線輪在繞針輪軸線公轉(zhuǎn)的同時,還將反方向自轉(zhuǎn),即順時針轉(zhuǎn)動.最后,傳動力通過曲柄軸推動行星架輸出機構順時針方向轉(zhuǎn)動.傳動原理如圖9所示.

圖9 RV減速器傳動原理Fig.9 Transmission principles of RV reducer

RV針擺傳動具有傳動比范圍大,只改變漸開線齒輪的齒數(shù)比就可獲得很多傳動比；傳動精度高,傳動誤差為1′以下,回差誤差在1.5′以下；傳動機構置于行星架的支承主軸承內(nèi),軸向尺寸大大減??；RV齒輪和銷同時嚙合數(shù)多,承載能力大；采用雙柱支撐機構,扭轉(zhuǎn)剛性大、振動小,耐沖擊性強[33].

RV傳動減速器已很大程度上逐漸取代單純的擺線針輪傳動裝置,已廣泛應用于機械、航空、汽車工業(yè)等領域[34-35].

3 機器人關節(jié)傳動用各類減速器對比分析

結(jié)合工業(yè)機器人性能、功能要求,各類精密傳動減速器的性能指標對比如表1所示[4,13-14,16-19,36].

表1 精密減速器性能參數(shù)對比Tab.1 Contrast table precision reducer performance parameters

由表1可知,諧波傳動是通過柔輪的彈性變形實現(xiàn)運動傳遞,其彈性變形大,從而在傳遞載荷時的彈性變形回差也大,這就不可避免地會影響機器人的動態(tài)特性、抗沖擊能力等,而且其運動精度還會隨著使用時間增長而顯著降低；濾波減速器還處于初級研究階段；而RV傳動裝置運動可靠性、保精度及壽命均高于其他齒輪傳動機構,另外RV減速器還具有加一次潤滑劑可以使用很長時間、壽命長、剛度好、減速比大、低振動、高精度、傳動效率高、保養(yǎng)便利等優(yōu)點,非常適于在機器人上使用.

4 結(jié)論與討論

目前機器人關節(jié)傳動裝置主要是諧波傳動和RV傳動.但由于諧波傳動裝置柔輪的彈性變形引起較大的回差,從而影響工業(yè)機器人的定位精度及動態(tài)特性,RV針擺傳動裝置代替諧波傳動裝置是機器人關節(jié)用減速裝置的必然趨勢.在國外,RV減速器已實現(xiàn)系列化、批量化生產(chǎn),而我國還處于開發(fā)過程中.我國應提高機器人用減速器的制造工藝,注意新型材料選用,努力實現(xiàn)系列化、批量化生產(chǎn).另外,今后我國在機器人RV減速器研制方面,應制定合理的零件制造工藝和可以補償相關零件制造誤差的裝配工藝；嚴格控制影響減速器傳動準確性、傳動平穩(wěn)性及載荷分布均勻性誤差的主要因素,合理控制各公差范圍；增強減速器的扭轉(zhuǎn)剛度.需深入系統(tǒng)地研究RV傳動裝置優(yōu)化設計理論與制造技術,努力開發(fā)新機型,提高我國自有知識產(chǎn)權的RV針擺驅(qū)動器的設計水平和性能,減少對國外技術的依賴,提高RV針擺驅(qū)動器的國產(chǎn)化技術水平.

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