王東峰，張振強(qiáng)，李文超，尹延經(jīng)，徐振宇

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3. 高性能軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)國(guó)家國(guó)際科技合作基地，河南 洛陽(yáng) 471039)

RV(Rotary-Vector)減速器因體積小，抗沖擊能力強(qiáng)，扭矩大，定位精度高，振動(dòng)小，減速比大等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床、醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備、衛(wèi)星接收系統(tǒng)等領(lǐng)域[1-5]。與常用的機(jī)器人諧波傳動(dòng)相比，RV減速器疲勞強(qiáng)度高，剛性好，壽命長(zhǎng)，回差精度穩(wěn)定，有逐漸替代諧波減速器的趨勢(shì)。隨著機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)RV減速器及所用軸承的性能提出了更高要求，國(guó)內(nèi)關(guān)于RV減速器專用軸承應(yīng)用技術(shù)的研究較少。鑒于此，基于軸承的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用特性等對(duì)RV減速器整體裝配技術(shù)進(jìn)行分析。

1 RV減速器及專用軸承介紹

工業(yè)機(jī)器人減速器分布如圖1所示，一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人一般裝有3臺(tái)以上RV減速器，小臂及夾取部位多為諧波減速器。在工作過(guò)程中工業(yè)機(jī)器人工位不斷變化，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，故需有較強(qiáng)的軸、徑向承載能力，以及良好的抗傾覆力矩性能。

圖1 工業(yè)機(jī)器人減速器分布示意圖

經(jīng)典RV減速器結(jié)構(gòu)來(lái)自于日本帝人公司(NABTESCO)RV-E，RV-C系列，是一種新型二級(jí)封閉式、少齒差行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)精度高，回差小，傳動(dòng)比范圍大，體積小，質(zhì)量輕，承載能力強(qiáng)，主要由針齒殼、行星架、曲柄軸、軸承、擺線輪、針齒等組成，如圖2所示。

1—針齒; 2—圓柱滾子保持架組件;3—軸用擋圈;4—左行星架; 5—擺線輪; 6—主軸承; 7—針齒殼; 8—墊片; 9—右行星架; 10—螺釘; 11—孔用彈性擋圈; 12—曲柄軸; 13—圓錐滾子軸承。

力矩剛性(單位角度所需的負(fù)載力矩值)是RV減速器的重要指標(biāo)，RV-E型減速器受力如圖3所示，力矩剛性可表示為

圖3 RV-E減速器受力示意圖

(1)

式中：θ為輸出軸傾斜角度；w1為徑向載荷；w2為軸向偏心載荷；l1為減速器質(zhì)心到徑向載荷w1作用點(diǎn)的距離；l2為減速器軸心到軸向載荷w2作用點(diǎn)的距離。

根據(jù)二級(jí)封閉式RV減速器結(jié)構(gòu)劃分，RV減速器軸承主要包括主軸承、擺線輪支承軸承、偏心軸定位軸承及太陽(yáng)輪支承軸承[6]，如圖4所示。1臺(tái)RV減速器一般需要9～15套軸承。

圖4 RV減速器軸承的分類

經(jīng)典RV減速器用主軸承一般為接觸角40°的薄壁推力角接觸球軸承，成對(duì)使用(圖2)，承載能力強(qiáng)，剛性好，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，幾乎承受了RV減速器的全部外載荷，是主要的定位軸承，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。主軸承受力復(fù)雜，工作過(guò)程中承受徑向力、軸向力以及傾覆力矩，且載荷不斷變化，偶爾也會(huì)受沖擊載荷。

圖5 RV減速器主軸承結(jié)構(gòu)

為使機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，RV減速器主軸承有單元一體化的發(fā)展趨勢(shì)，特別是用于輕型工業(yè)機(jī)器人的RV減速器，如RV-20E系列，其主軸承單元如圖6所示，內(nèi)圈溝道直接加工在行星架主軸上。

圖6 RV減速器主軸承單元

擺線輪支承軸承安裝在曲柄軸與擺線輪連接部位(圖2)，為非定位軸承，多數(shù)選用M型金屬保持架和圓柱滾子保持架組件(圖7)。RV-80E 型減速器3根曲柄軸上分別有2套圓柱滾子保持架組件，主要起支承并帶動(dòng)擺線輪轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，擺線輪傳遞的扭矩對(duì)圓柱滾子保持架組件的受力影響較大。由于擺線輪在各個(gè)嚙合位置載荷不斷變化，其支承軸承受力復(fù)雜[7]。

圖7 擺線輪支承軸承

曲柄軸(偏心軸)兩端為兩套圓錐滾子軸承，主要起定位作用(圖2)。減速器在傳遞扭矩時(shí)，圓柱滾子保持架組件受到極大的作用力，這些力會(huì)通過(guò)曲柄軸傳遞到圓錐滾子軸承上，同時(shí)為保證曲柄軸不發(fā)生軸向竄動(dòng)，也承受一定的軸向力，該類軸承為交叉定位軸承。曲柄軸定位軸承多選用小尺寸薄壁圓錐滾子軸承(圖8)，多為非標(biāo)結(jié)構(gòu)。

圖8 薄壁圓錐滾子軸承

2 RV減速器序列裝配技術(shù)

RV減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以 RV-80E型減速器為例，其零件接近 120 個(gè)，影響其裝配精度的因素繁多[8]，宜選用修配裝配法。

2.1 裝配尺寸鏈分析及確定

RV減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成零件較多，存在復(fù)雜的裝配尺寸鏈。對(duì)于軸承，既要保證主軸承的安裝定位精度，也要保證偏心軸支承軸承的交叉定位精度，因此，可從主軸承裝配尺寸鏈1和偏心軸支承軸承裝配尺寸鏈2進(jìn)行分析。

2.1.1 確定封閉環(huán)

確定封閉環(huán)及其精度范圍是尺寸鏈分析的重點(diǎn)，也是RV減速器裝配的關(guān)鍵和技術(shù)難點(diǎn)。RV減速器需要有較好的力矩剛性，并要求壽命長(zhǎng)及運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，需對(duì)RV減速器主軸承和偏心軸支承軸承施加一定的預(yù)緊力，即裝配軸承時(shí)需要合適的預(yù)緊量(在預(yù)載荷作用下成對(duì)使用的2套軸承軸向位移之和)，該預(yù)緊量通過(guò)其他尺寸鏈保證。預(yù)緊量即為主軸承和偏心軸支承軸承裝配尺寸鏈的封閉環(huán)，分別設(shè)為H0，h0。

預(yù)載荷作用下角接觸球軸承的軸向位移為[9]

δa=(Ri+Re-Dw)(sinα-sinα0)+

(2)

式中：Ri，Re分別為內(nèi)、外圈溝曲率半徑；Dw為球直徑； α0，α分別為軸承初始接觸角和實(shí)際接觸角；c為與接觸區(qū)尺寸有關(guān)的系數(shù)；Fa 為預(yù)緊力；Z為球數(shù)。

預(yù)載荷作用下圓錐滾子軸承的軸向位移為[10]

式中：Lwe為滾子有效長(zhǎng)度。

圓錐滾子軸承消除軸向游隙后，隨軸向力增大其剛性不變，在預(yù)緊力范圍內(nèi)其位移比主軸承小，如圖9所示。以RV-80E型減速器為例，經(jīng)計(jì)算圓錐滾子軸承預(yù)緊力為2～3 kN，軸向位移為180 μm，主軸承預(yù)緊力為4～5 kN，軸向位移為250 μm。圓錐滾子軸承的封閉環(huán)偏差比主軸承嚴(yán)格，在裝配時(shí)需根據(jù)實(shí)際工況精確計(jì)算。

圖9 軸承軸向位移隨預(yù)緊力的變化曲線

2.1.2 建立尺寸鏈

尺寸鏈1如圖10所示，圖中：H0為壓入量，HB1，HB2為2套主軸承寬度，H1為墊片厚，H2為針齒殼擋肩厚，H3，H4為與行星架相關(guān)的尺寸。尺寸鏈2如圖11所示，圖中：h0為壓入量，H7為曲軸部分高，h2，h3為軸向墊片厚度，hb1，hb2為圓錐滾子軸承寬度，h1，h4為與孔用彈性擋圈相關(guān)的尺寸，H5，H6為與行星架相關(guān)的尺寸。H3，H4，H5，H6可通過(guò)擰緊螺釘緊固兩行星架確定，不重點(diǎn)討論。

圖10 尺寸鏈1示意圖

圖11 尺寸鏈2示意圖

2.1.3 確定修磨環(huán)及精度

軸承、孔用彈性擋圈均為標(biāo)準(zhǔn)件，一般不允許修磨，墊片比行星架修磨容易，尺寸鏈1以墊片厚度H1為修磨環(huán)，可表示為

H0=H1+H2+HB1+HB2-H3-H4。

(4)

尺寸鏈2以軸向墊片厚度h2為修磨環(huán)，一般選擇與其他部件不連接的一端，可表示為

h0=h1+h2+h3+h4+H7+hb1+hb2-

H6-H5。

(5)

裝配前先測(cè)量非閉環(huán)部分尺寸，再通過(guò)尺寸鏈計(jì)算修磨環(huán)尺寸精度，通過(guò)修磨實(shí)現(xiàn)精確裝配。

2.2 裝配序列分析

復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品裝配并不是單個(gè)零件逐次累加完成，一般以組件和部件為單位完成裝配[11]。

2.2.1 子裝配體及聚族零件的劃分

復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品裝配時(shí)通常將整體裝配分成子裝配體(多個(gè)零件以某個(gè)零件為基準(zhǔn)裝配的零部件單元)、聚族零件(具有相同結(jié)構(gòu)和裝配特征的零件，空間位置聚集在一起，彼此之間具有相對(duì)密切的連接關(guān)系，由裝配工藝要求決定作為一個(gè)組進(jìn)行裝配[12])及單個(gè)零件再裝配。

以RV-80E型減速器裝配為例，可以將3根曲柄軸、6 套圓錐滾子軸承、擺線輪、6 個(gè)軸用擋圈、6套圓柱滾子保持架組件作為子裝配體 SA1，如圖12所示。同理，左行星架、3個(gè)孔用彈性擋圈、左主軸承作為子裝配體 SA2；右行星架、3個(gè)孔用彈性擋圈、墊片、右主軸承作為子裝配體 SA3。3個(gè)螺釘作為聚族零件J1，若干個(gè)針齒作為聚族零件J2。

1—曲柄軸;2—圓錐滾子軸承; 3—擺線輪;4—圓柱滾子保持架組件；5—軸用擋圈。

通過(guò)上述劃分，整個(gè)裝配體變?yōu)镾A1，SA2，SA3，J1，J2和針齒殼，裝配零件種類減少到6種，提高了裝配效率。

2.2.2 裝配序列分析

子裝配體自身的裝配關(guān)系不會(huì)對(duì)其他子裝配體和整體裝配造成影響，其裝配序列可以獨(dú)立于整機(jī)裝配單獨(dú)劃分。RV減速器3個(gè)子裝配體裝配序列如下：

1)SA1裝配序列為曲柄軸→圓柱滾子保持架組件→擺線輪→軸用擋圈→圓錐滾子軸承；

2)SA2裝配序列為左行星架→孔用彈性擋圈→左主軸承；

3)SA3裝配序列為右行星架→孔用彈性擋圈→墊片→右主軸承。

根據(jù)實(shí)際裝配經(jīng)驗(yàn)，RV減速器裝配序列為SA2→針齒殼→J2→SA1→SA3→J1[10]。

2.3 配合要求

RV減速器主軸承屬于低速、重載、薄壁軸承，幾乎承受了RV減速器全部外載荷，因承受較大的軸向載荷外圈在徑向會(huì)發(fā)生膨脹，膨脹量約為0.01～0.02 mm[14]，則該軸承安裝時(shí)外圈與針齒殼的間隙量應(yīng)不小于0.01 mm。其他減速器主軸承與針齒殼的間隙量也要根據(jù)實(shí)際工況確定。

同時(shí)，RV 減速器主軸承安裝時(shí)對(duì)軸承座與軸的同軸度要求較為嚴(yán)格，特別是對(duì) RV 減速器行星軸,經(jīng)驗(yàn)表明同軸度應(yīng)不大于 0.01 mm，否則施加預(yù)緊力后RV 減速器會(huì)出現(xiàn)自鎖[15]。

滾針軸承接觸面積小，油膜壓力大，彈性變形大，工業(yè)機(jī)器人RV減速器擺線輪用圓柱滾子保持架組件是RV減速器的主要承載件之一，通常要求其在0.7 GPa的赫茲接觸壓力下工作。該類軸承的配合過(guò)盈量決定了承載滾子數(shù)，進(jìn)而影響其使用壽命。以RV-80E 型減速器為例，在正常工況下圓柱滾子保持架組件游隙與壽命比的關(guān)系如圖13所示(L為軸承實(shí)際壽命，L0為游隙為0時(shí)的軸承壽命)，游隙值為-5 μm時(shí)，圓柱滾子保持架組件壽命最長(zhǎng)?？紤]減速器的運(yùn)轉(zhuǎn)靈活性、平穩(wěn)性，游隙值取-2～0 μm，即過(guò)盈量為0～2 μm。

圖13 圓柱滾子保持架組件游隙與壽命的關(guān)系

其他軸承的配合要求可參照常規(guī)軸承。

3 注意事項(xiàng)

3.1 主軸承最佳預(yù)緊

RV減速器用主軸承受力復(fù)雜，施加合適的預(yù)緊力可保證RV減速器的剛度、壽命及運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。由受力模型和試驗(yàn)研究可知，隨預(yù)緊力增大，主軸承角剛度不斷增大，壽命先增大后減小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)主軸承預(yù)緊力一般為其額定載荷的20%～30%。在裝配過(guò)程中軸承預(yù)緊力可通過(guò)選配墊片尺寸調(diào)節(jié)[14]。

3.2 圓柱滾子保持架組件軸向竄動(dòng)量的檢測(cè)

RV減速器擺線輪用圓柱滾子保持架組件軸向竄動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致RV減速器卡死，軸向竄動(dòng)的原因?yàn)闈L子錐度較大或保持架兜孔尺寸精度較低，如方形兜孔趨于菱形。該類軸承安裝前需精確測(cè)量其軸向竄動(dòng)量，測(cè)量原理如圖14所示，若滾子圓柱度較大，旋轉(zhuǎn)芯軸時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的軸向分力，圓柱滾子保持架組件軸向竄動(dòng)較大。檢測(cè)時(shí)，芯軸順時(shí)針和逆時(shí)針各轉(zhuǎn)30圈，偏心配重塊相對(duì)圓柱滾子保持架組件的軸向偏移量不超過(guò)組件寬度的1/10 ，則軸向竄動(dòng)量滿足要求；但該方法是否正確，并沒(méi)有得到驗(yàn)證，在此僅供參考。

圖14 圓柱滾子保持架組件軸向竄動(dòng)量測(cè)量原理圖

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了經(jīng)典結(jié)構(gòu)的RV減速器及其專用軸承類型，基于軸承的結(jié)構(gòu)類型、應(yīng)用特性分析了RV減速器的精密裝配技術(shù)。RV減速器裝配尺寸鏈需分成主軸承和圓錐滾子軸承2個(gè)尺寸鏈分析，軸承類型不同，其封閉環(huán)的偏差范圍不同。裝配時(shí)，主軸承應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注外圈與針齒殼的間隙，圓柱滾子保持架組件應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其安裝過(guò)盈量。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裝配體逐級(jí)分成不同的子裝配體和聚族零件并按合理的序列裝配，可顯著提升裝配效率，保證裝配精度。