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        機(jī)器人RV減速器主軸承的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

        2021-07-22 13:25:44王超俊李智博王東峰孫建勇
        軸承 2021年3期
        關(guān)鍵詞:擺線基面墊片

        王超俊, 李智博 , 王東峰,孫建勇

        (1.河南廣播電視大學(xué),鄭州 450046;2.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司,河南 洛陽(yáng) 471039)

        RV減速器廣泛應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè),具有軸向尺寸小,結(jié)構(gòu)緊湊,速比靈活,運(yùn)轉(zhuǎn)精度高且使用時(shí)間長(zhǎng)等特性,是在擺線行星減速機(jī)構(gòu)形式上建立的二級(jí)封閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[1]。

        目前,由于國(guó)外對(duì)RV減速器技術(shù)的封鎖,加上我國(guó)在該領(lǐng)域的研究起步較晚,造成國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域與國(guó)外差距較大。以其內(nèi)部使用的關(guān)鍵部件主軸承(角接觸球軸承)為例,國(guó)外廠商采用的均為非標(biāo)設(shè)計(jì),但關(guān)于該非標(biāo)軸承的設(shè)計(jì)原理及使用方法鮮有報(bào)道。鑒于此,基于RV減速器的實(shí)際使用工況,介紹主軸承的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

        1 主軸承受力分析

        RV減速器結(jié)構(gòu)如圖1所示,在使用過(guò)程中有行星架輸出(固定減速器外殼)和外殼輸出(固定行星架)2種動(dòng)力輸出方式。主軸承位于減速器外殼與行星架之間,受到減速器外殼與行星架之間的相互作用力,包括軸向力、徑向力及傾覆力矩。

        1—外殼;2—主軸承B;3—墊片B;4—螺栓;5—行星架B;6—圓錐滾子軸承B;7—曲柄軸;8—保持架組件B;9—擺線輪B;10—擺線輪A;11—保持架組件A;12—圓錐滾子軸承A;13—行星架A;14—墊片A;15—主軸承A圖1 RV減速器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of RV reducer

        重載工業(yè)機(jī)器人RV減速器分布示意圖如圖2所示,共裝有6臺(tái)RV減速器。負(fù)載(也稱持重)是工業(yè)機(jī)器人的一項(xiàng)重要指標(biāo),工業(yè)機(jī)器人在工作過(guò)程中工位不斷變化,故作用于機(jī)器人手腕末端的負(fù)載對(duì)于1#,2#,3#RV減速器既可能是軸向力,也可能是徑向力;對(duì)于4#,5#RV減速器,在使用過(guò)程中主要受徑向力;對(duì)于6#RV減速器,不僅受到外部作用力,還要承受機(jī)械手臂的重力,其受力主要為軸向力和傾覆力矩,對(duì)于該位置減速器,必須能夠承受盡可能大的軸向力,且具有良好的抗傾覆力矩能力。

        圖2 RV減速器分布示意圖Fig.2 Distribution diagram of RV reducer

        RV減速器主軸承受力如圖3所示[2],載荷位于減速器外部,無(wú)論減速器在圖2中何位置,外載荷F1,F(xiàn)2將形成施加在主軸承上的傾覆力矩M1。在外載荷下作用下

        圖3 RV減速器主軸承受力示意圖Fig.3 Force diagram of main bearing for RV reducer

        M1=cF1+eF2,

        (1)

        在減速器內(nèi)部也會(huì)形成一個(gè)傾覆力矩M2,

        M2=aFrA+bFrB=M1,

        (2)

        式中:FrA和FrB分別為軸承A和軸承B所受的徑向力;a,b,c,e為作用力臂。

        由(1),(2)式可以看出:軸承抗傾覆力矩性能不僅與其自身徑向承載能力有關(guān),也與其接觸角所決定的受力作用點(diǎn)有關(guān)。

        以RV100C采用的H76/182軸承為例進(jìn)行說(shuō)明,軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 H76/182軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of H76/182 bearing

        參照?qǐng)D3,基于RomaxDesigner建立相應(yīng)軸系模型,軸承中心距L為100 mm,施加外部?jī)A覆力矩M1為1 000 N·m,采用不同接觸角的H76/182軸承進(jìn)行仿真分析,軸承承載能力及徑向變形量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 不同接觸角H76/182軸承的承載能力及徑向變形Tab.2 Load capacity and radial deformation of H76/182 bearings with different contact angles

        由表2可知:接觸角增大,額定載荷減小,但由于該軸承背對(duì)背安裝,接觸角增大時(shí),兩軸承受力支承點(diǎn)間距Lmn也增加;軸承徑向變形量由27.43 μm減小為23.75 μm,說(shuō)明增大接觸角能夠提升整個(gè)減速器軸系抗傾覆力矩能力;同時(shí),接觸角增大能有效提升整個(gè)減速器軸向剛度,適用于受軸向載荷較大的減速器,尤其是圖2中6#減速器。

        故對(duì)于RV減速器主軸承,需綜合考慮其受力特點(diǎn),在保證其具有足夠徑向承載能力的同時(shí),要提升其軸向承載能力及抗傾覆力矩能力。這也驗(yàn)證了RV減速器技術(shù)指標(biāo)中力矩剛性的說(shuō)明。

        2 主軸承結(jié)構(gòu)及精度控制

        RV減速器主軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),必須在滿足軸承承載能力的前提下,充分考慮減速器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),進(jìn)而確定主軸承尺寸及精度控制方向。

        2.1 接觸角

        通過(guò)上文分析可知,主軸承接觸角顯著影響減速器系統(tǒng)的承載能力及結(jié)構(gòu)剛性,通常情況下,采用40°接觸角即可滿足上述性能需求。但減速器性能需求根據(jù)其在工業(yè)機(jī)器人中所處位置不同而有所側(cè)重,圖2中6#減速器對(duì)軸向承載能力及抗傾覆力矩能力要求較高,該位置主軸承應(yīng)選用更大接觸角。分析國(guó)外減速器發(fā)現(xiàn)各減速器中軸承接觸角也并非固定值,通常在30°~50°之間,接觸角應(yīng)根據(jù)其所處位置決定。

        2.2 外圈寬度

        國(guó)外RV減速器用主軸承通常采用內(nèi)、外圈寬度不等的結(jié)構(gòu),可以使軸承及減速器輕量化。減速器主軸承雖然也是配對(duì)使用,但對(duì)配對(duì)結(jié)果影響最大的是軸承裝配高。軸承外圈非基面不與任何部位接觸,真正起作用的是圖4中L2部分,即軸承外圈溝位置。

        圖4 RV減速器主軸承安裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of installation structure of main bearing for RV reducer

        因此,除軸承外圈溝道直徑、溝位置重點(diǎn)控制外,只需控制軸承配合面平面度即可,對(duì)于外圈寬度偏差、平行差,均可放寬控制標(biāo)準(zhǔn)。

        2.3 外圈基面擋邊高

        對(duì)于常規(guī)軸承,外圈基面擋邊高應(yīng)保證軸承在允許的外力作用下接觸橢圓長(zhǎng)軸不超出擋邊邊緣。而對(duì)于RV減速器主軸承,外圈擋邊實(shí)際高度遠(yuǎn)超上述需求,這是由于該擋邊需要對(duì)圖1針齒的軸向位移進(jìn)行限制。在某些RV減速器中,外圈擋邊還需對(duì)擺線輪的軸向位移進(jìn)行限制。外圈基面擋邊高的確定需要考慮針齒及擺線輪在RV減速器外殼中的實(shí)際位置。

        2.4 內(nèi)圈參數(shù)

        與外圈相同,需嚴(yán)控溝道參數(shù)和基面平面度,擋邊高度僅需保證其在允許的外力作用下接觸橢圓長(zhǎng)軸不超出擋邊邊緣。此外,內(nèi)圈寬度明顯大于外圈,且在軸承預(yù)緊后,內(nèi)圈非基面通常高于外圈基面,即凸出量為正,采用該設(shè)計(jì)方案可以適當(dāng)限定擺線輪軸向位移,避免軸承外圈由于擋邊高度不足而在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中與擺線輪干涉。

        2.5 凸出量

        對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)角接觸球軸承,凸出量是軸承能否組配使用的關(guān)鍵,但對(duì)于RV減速器主軸承,凸出量對(duì)軸承應(yīng)用影響不大,僅對(duì)擺線輪軸向位移有一定的影響,其尺寸公差控制在0.1 mm即可。

        2.6 裝配高

        角接觸球軸承若要發(fā)揮其高精度、高剛性等性能優(yōu)勢(shì),需對(duì)其施加一定的預(yù)緊力[3-5],而裝配高將極大影響軸承預(yù)緊狀態(tài),在生產(chǎn)過(guò)程中需精確控制。裝配高影響參數(shù)眾多,若將其嚴(yán)格控制在某一尺寸范圍,會(huì)增加制造難度及生產(chǎn)成本。在生產(chǎn)過(guò)程中僅需控制每批軸承裝配高散差即可,軸承預(yù)緊力可以通過(guò)選配墊片尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        3 主軸承應(yīng)用

        由圖4可以看出軸承分布在行星架兩側(cè),背對(duì)背安裝,軸承預(yù)緊方式為定位預(yù)緊,可以得到整個(gè)減速器裝配尺寸鏈如圖5所示,圖中:TA為左側(cè)軸承A裝配高,L1為外殼擋肩寬,TB為右側(cè)軸承B裝配高,L3為墊片理論厚度,L為行星架左右擋邊之間的距離。

        圖5 RV減速器裝配尺寸鏈Fig.5 Assembly dimension chain of RV reducer

        在整個(gè)裝配尺寸鏈中,為便于控制預(yù)緊力,調(diào)節(jié)右側(cè)墊片厚度L3最方便,可以此為整個(gè)裝配鏈的閉環(huán),間接保證其尺寸并進(jìn)行選配安裝。裝配高TA,TB在整個(gè)裝配鏈具有重要影響,其尺寸增加(減小)將導(dǎo)致L3的減小(增加),由于已嚴(yán)格控制裝配高散差,墊片厚度L3散差也相應(yīng)得到了控制,選配難度降低。

        在上述裝配尺寸鏈中,軸承預(yù)緊通過(guò)墊片施加,墊片實(shí)際尺寸L′3應(yīng)在L3基礎(chǔ)上加上2套軸承預(yù)緊后的軸向變形量,H76/182軸承預(yù)緊力與軸向位移的關(guān)系如圖6所示。在實(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)減速器整體設(shè)計(jì)目標(biāo)確定預(yù)緊力,以保證整個(gè)系統(tǒng)具有合適的剛度。

        圖6 H76/182軸承預(yù)緊力與軸向位移的關(guān)系Fig.6 Relationship between preload and axial displacement of H76/182 bearing

        4 結(jié)束語(yǔ)

        對(duì)RV減速器主軸承主要受載模型及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析可知:在主軸承設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮其主要設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù);在加工制造過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)控制其關(guān)鍵工藝參數(shù),在滿足軸承主要性能

        的同時(shí),考慮其加工經(jīng)濟(jì)性;在軸承應(yīng)用過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)其受力情況、使用部位,合理選用配合尺寸、預(yù)緊力等,以滿足軸承使用性能。

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