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RV减速器传动系统的动力学研究

来源:985论文网 添加时间:2020-05-22 15:34
摘  要:摆线针轮RV减速器是一种两级高性能精密行星传动,它具有传动比大、功率密度大、扭转刚度大、回差小、传动精度高、耐冲击、寿命长等优点,在工业机器人关节精密减速器领域占据了绝大部分的市场。动态传动精度是该型减速器性能优劣的重要指标。
RV减速器是采用摆线针行星传动和渐开线传动相结合的2K-V行星传动,具有传动平稳、振动、冲击和噪音均小的特点。本文主要介绍了RV减速器的传动比、回转误差和受力分析,并针对机构的薄弱环节,如转臂轴承等,从理论上分析了RV结构的优点,并给出了改进方案。
 
关键词: RV减速器,摆线轮齿廓,传动精度
 
Dynamics of RV reducer transmission system
 
Abstract: Cycloidal pin-wheel RV reducer is a two-stage high performance precision planetary transmission, it has the advantages of large transmission ratio, high power density, large torsion stiffness, small return difference, high transmission accuracy, impact resistance, long life, etc., in the field of industrial robot joint precision reducer occupies the vast majority of the market. The dynamic transmission precision is an important index of the performance of the reducer.
RV reducer is a 2k-v planetary transmission with cycloidal pin-planetary transmission and involute transmission, which has the characteristics of smooth transmission, low vibration, impact and noise. This paper mainly introduces the transmission ratio, rotary error and force analysis of RV reducer, and aims at the weak links of the mechanism, such as rotary arm bearing, etc., theoretically analyzes the advantages of RV structure, and gives the improvement plan.
Key words:RV reducer, cycloid gear profile, transmission accuracy
 
1 绪  论
摆线针轮RV减速器是一种两级高性能精密行星传动,它具有传动比大、功率密度大、扭转刚度大、回差小、传动精度高、耐冲击、寿命长等优点,在工业机器人关节精密减速器领域占据了绝大部分的市场。动态传动精度是该型减速器性能优劣的重要指标。本文密切结合工业机器人对高精度高效率减速器的迫切需求,针对RV减速器的结构特点,开展了动力学理论与实验研究。
1.1 研究背景
当我们在无限憧憬机器人时代的时候,机器人最关键的机械结构之一RV减速机,到今天,中国仍然不具备设计和制造能力。“十二五”时期,国家“863”计划将其列入重点攻克的技术瓶颈。国内顶尖大学和科研机构几年攻关也只有论文,没有实物。机器人所有核心零部件中,减速机最为关键。机器人成本结构大致如下:本体22%、伺服系统25%、减速器38%、控制系统10%以及其他5%。简单拆分国内6轴工业机器人成本(总成本25万元),可以看出减速器和伺服电机两项成本接近13万元,主要以进口为主。
摆线针轮 RV 减速器是一种高性能精密机械传动,它具有的传动特点有:传动比及传动比范围大、单位体积承载能力大(功率密度大)、扭转刚度大(弹性回差小)、机械传动效率高、传动精度高、可靠性高、振动小、耐冲击性强、寿命长。它的功能特点决定了它有非常广的应用领域,因此可以广泛应用于精密仪器、航空航天、武器装备、机床、机械手、机械臂、医疗器械、工业机器人等领域。例如,航空航天、武器装备领域中,雷达、卫星、航天器、导弹等需要位置、姿态精确控制;大型精密医疗设备需要稳定、安全的位置控制;尤其是工业机器人领域,与其他领域相比,工业机器人的应用范围非常广泛,应用数量非常多,工业机器人执行机构的准确定位极大程度上依赖于其关节驱动装置的定位精度、定位可靠性。特别是汽车及其零部件产业,有资料显示,80%以上的工业机器人都服务于该领域。由此看来,性能优良的 RV 减速器是我国工业领域良好发展的关键助推器 [1] 。
国内在高精度 RV 减速器的研究方面较为落后,虽然有不少单位的工作人员做了很多努力并试制了样机,但始终鲜有我们的民族企业能大规模批量生产高性能RV 减速器。其中,一个重要原因是传动精度不足,因此开展 RV 减速器的传动精度研究,找出影响 RV 减速器传动精度的关键因素及其影响规律,并对减速器开展精度试验,建立较为完整的 RV 减速器设计准则,完善减速器精度控制方法,是当前亟待解决的学术问题 [2] 。
1.2研究现状
摆线针轮 RV 传动形式是在传统摆线针轮行星传动、少齿差行星传动基础上逐渐发展而来,它由于具有很多优点而广泛应用于高性能精密机械传动中。20 世纪20~40 年代,德国 L.Braren 教授首创并批量生产摆线针轮行星减速器,此间与日本SUMITOMO 公司进行技术合作,并使之进入实际工程应用领域。50 年代末日本购买德国该领域专利,并经过长期不断的理论研究、结构改进和工艺创新,于 1969年推出全新摆线减速器系列产品。1983年,日本TEIJIN公司研制出适用于机械手、机床、装配、搬运装置的高精密控制用减速器,该产品具有参与啮合齿数多、小型、轻量、高刚性、耐过载、变速性能良好以及传动精度高等特点,取名 RV(RotaryVector)减速器。三十多年来,日本 TEIJIN 公司、SUMITOMO 公司围绕 RV 减速器开展了大量的研究工作,2003 年,TEIJIN 公司与 NABCO 公司强强联手,成立NABTESCO 公司,进一步提升了该系列减速器的更新升级。此后,NABTESCO公司的 RV 减速器约 4~5 年即升级一次,到目前为止,已形成包括 RV-E 系列、RV-C系列、RV-N 系列、RD-E 系列、RDS 系列、RDR 系列、RDP 系列、RS 系列、GH系列、RA 系列等多个系列多个型号的高性能减速器产品,在该领域内走在世界的前沿 [3] 。
国内方面,重庆大学陈兵奎课题组系统研究了负一、一、二、三齿差摆线针轮传动啮合理论并提出二次包络摆线针轮传动,制造样机并进行试验研究,证明了二次包络摆线传动双线接触特性,且具有较高精度和承载能力;此外该课题组还提出锥形摆线传动,设计出双圆盘锥锥形摆线传动并进行试验研究。重庆大学朱才朝教授课题组提出一种新型定轴摆线精密传动装置,试制样机并进行承载能力、传动精度、效率等试验研究。
经过国内外学者几十年的研究,摆线类机械传动形式取得了很大的进步。根据中国机器人产业联盟的消息,2016 年 8 月,以秦川机床工具集团为首的十多家单位召开了《机器人用精密摆线行星减速器》联盟标准启动会,国人将开始定制适合中国的机器人用精密减速器行业标准。国产 RV 减速器的生产推广正处于初级阶段,早间,南通振康焊接机电有限公司、宁波中大力德传动设备有限公司、恒丰泰精密机械股份有限公司以及秦川机床工具集团曾纷纷仿制NABTESCO 公司的 RV 减速器产品,但尚未有任何企业在业内能做出品牌性、标志性、能完全替代进口的 RV 减速器产品。不过值得注意的是,国内越来越多的单位开始关注 RV 减速器,并致力于不断提升国产 RV 减速器的综合性能。秦川机床工具集团的“BX 工业机器人减速器”初具规模,当前致力于研发国产 RV 减速器的企业如雨后春笋,但 RV 减速器的国产化之路仍任重而道远。
1.3 研究意义
工业机器人是柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的重要自动化工具。广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与产量,而且对保障人身安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本,有着十分重要的意义,工业机器人对人类的影响丝毫不亚于计算机、网络技术。
 
2.系统分析了减速器结构与传动原理;
2.1 基本结构
RV C Rotary Voector)减速器是在摆线针轮行星传动的基础上发展而来的一种新型传动。减速器由第一级渐开线齿轮行星传动机构与第二级摆线针轮行星传动机构两部分组成的封闭的差动轮系,如图1所示。
图1 RV减速器传动原理图
2.2 传动原理
这种传动原理是利用一组平行四连杆机构和齿轮机构的组合的系统,第一级传动包括相互啮合的输入齿轮1和两个渐开线行星轮2,渐开线行星轮2固定安装在两相互平行的曲轴H上;第二级摆线传动中曲轴H与行星轮固连在一起,摆线轮3安装在曲轴H相位相差180。的两个偏心轴凸轮上,运转时行星轮2通过曲柄轴H带动摆线轮3做偏心平面运动,与针齿4形成少齿差啮合。
    RV减速器从组成形式来看,属于2K-V型行星减速器,由K-H-V型和2 K-H型行星传动复合组合而成。结构主要由输出渐开线齿轮1和针齿壳5这两个中心轮和一个行星架H为基本构件,具有2K-H型的传动结构;分析内部传动结构可知,其传动结构为H-3-4-6,仍然属于K-H-V型,只是将原来的单一转臂中心输入改变成2个或3个均匀分布的转臂输入。
     
                       图2 RV减速器传动运动图
2.3 RV减速机对机器人的重要性
机器人第一关节到第四关节全部使用RV减速机,轻载机器人第五关节和第六关节有可能使用谐波减速机。重载机器人所有关节都需要使用RV减速机。平均而言,每台机器人使用4.5台RV减速器。2013年世界机器人销量18万台,需使用减速机90万台。
工业机器人的动力源一般为交流伺服电机,因为由脉冲信号驱动,其伺服电机本身就可以实现调速,为什么工业机器人还需要减速器呢?工业机器人通常执行重复的动作,以完成相同的工序;为保证工业机器人在生产中能够可靠地完成工序任务,并确保工艺质量,对工业机器人的定位精度和重复定位精度要求很高。
因此,提高和确保工业机器人的精度就需要采用RV减速器或谐波减速器。精密减速器在工业机器人中的另一作用是传递更大的扭矩。当负载较大时,一味提高伺服电机的功率是很不划算的,可以在适宜的速度范围内通过减速器来提高输出扭矩。
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工业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工业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。
大量应用在关节型机器人上的减速器主要有两类: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;行星减速器一般用在直角坐标机器人上。
同时,RV减速机比机器人中常用的谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命,而且回差精度稳定,不像谐波传动那样随着使用时间增长运动精度就会显著降低,故世界上许多国家高精度机器人传动多采用RV减速器,因此,该种RV减速器在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的发展趋势。
 
3 RV减速器特点及应用
3.1 特点
RV减速器关键有以下特点
(1)它是一个封闭的传动机构,结构紧凑、与一般的齿轮减速器在体积和重量上有很大的优势。
(2) RV减速器上有三个均匀分布的双偏心轴(转臂),运动平稳并能获得高的位置精度,偏心轴的数量增加,同时滚动轴承的数量增加,其增加了轴承的寿命。
(3)传递效率达到0.850.92、输入轴与输出轴的速比范围大,即i=31一171,由传动比计算
公式可知,在摆线轮齿数固定的情况下,只要将太阳轮同行星轮齿数进行变化,能获得比较多的值。
(4)噪音小,RV减速器的两端采用行星架和刚性盘来支撑,比普通的悬臂梁输出机构扭转刚度大,并且抗冲击能力强。
(5) RV机构在传递动力时,摆线轮与针齿两轮同时接触啮合的数量理论上有二分之一,承受过载能力比较强。
(6)只要设计合理,保证制造装配精度,就可以获得高精度,小于r的回差。
3.2 应用
RV减速器作为一种新型的二级封闭传动,其不仅在精密机械传动、精密仪器、纺织机械、航天等领域运用,目前在工业机器机械手转臂、旋转轴上也占有主导地位,基于RV减速器的高刚度、高回转精度,所以在关节型工业机器人中,一般情况下前4关节基本都采用RV减速器,轻载时,第五和第六关节可用谐波减速器,重载时,工业机器人所有关节上都需用RV减速器。
目前在机器人行业中,有谐波与RV两种减速器,两者相比较,RV减速器拥有精度高、耐冲击、刚度大、回差小等优势,在自动化机器人领域,减速器作为传递动力的重要部件,必须具有高的转动精度与位置精度,因而,在高精度工业机器人关节传动过程中,与谐波减速器相比较,RV减速器具不可替代的作用。
 
 
4 RV减速器的传动比、回转误差和受力分析
4.1 RV减速器的传动比
 
图1.RV传动简图
按照转化机构法,假设行星架固定时,太阳轮与行星轮的传动比
               (1 )
式中  ,  分别是行星轮和太阳轮的齿数; , , 分别为行星轮、太阳轮和行星架的角速度。
第二级传动为摆线针轮传动。假设曲柄轴固定,即行星轮固定时,摆线针轮传动比
           (2)
式中: , 分别为针轮与摆线轮齿数; , 分别为摆线轮和针轮的角速度。行星架的转速和摆线轮转动速度一致
                            (3)
摆线针轮齿数关系满足
           (4)
当针轮固定时
                 (5)
由式(1)-式(5)可得,行星轮与太阳轮的转速比
                        (6)
行星架与太阳轮的转速比
                                 (7)
4.2 RV传动的回转传动误差
两级传动的RV减速器中,第一级误差对传动精度的影响很小,设计时可以不做重点考虑。
对传动精度影响较大的单项误差为:
摆线轮的累积周节误差、曲柄轴偏心误差、摆线轮曲柄轴孔偏心误差、摆线轮齿槽偏差、针齿累积周节误差。
以下情形的综合误差对传动精度影响最大:
三个曲柄轴偏心不同、曲柄轴周向误差、两摆线轮三曲柄轴孔误差不同相位安装、摆线轮三曲柄轴孔周向偏心误差、两摆线轮曲柄轴三孔误差反向、两摆线轮周节累积误差相位相差180°、两摆线轮理论齿廓平均半径的误差符号恰好相反。
在无法提高加工精度的情况下,控制误差的相位是很重要的。
多误差同时作用下的传动精度不能用单个误差作用的简单迭加求得。
4.3 RV传动的受力分析
由于RV传动是两级闭式行星传动,且第二级为多齿啮合传动。因此,RV轮与各针齿间的啮合以及曲柄与RV轮的受力情况和载荷分布均很复杂。它除了受变形的影响外,还受到制造误差、啮合间隙的影响。
4.3.1 一级准2KH的受力
RV传动第一级由内齿轮的准2HK行星传动构成,其受力如图2所示。图中 表示外界作用在中心轮 上的力矩; 为外界作用在输出圆盘 上的力矩; 是外界作用在针轮 上的力矩。为便于分析,以 表示对象 对对象 施加的力矩; 表示对象 对对象 施加的力。现分别以太阳轮 和行星轮 为研究对象,有
     ,          (8)
 ,        (9)
 ,                                    (10) 
根据作用力与反作用力的关系可得
                                     (11) 
由式(8)—式(11)解得
                           (12)
                            (13)
4.3.2 RV轮的受力分析
 
图3.RV轮的受力简图
现在RV结构中心O上建立一坐标系,坐标原点为O,Y轴与曲柄弯曲方向重合:  为RV轮的中心,如图3所示,以RV轮为研究对象:它承受两种力:针轮对RV轮的作用力 ,都通过节点P,以及曲柄对RV轮的作用力 、 、 。为简化起见,把它们分别表示在图3(a)、(b)中。图3(a)表示各针轮与RV轮间的啮合力 ,其合力用 和 来表示;图(b)表示了曲柄与RV轮间的作用力,而针轮与RV轮间的啮合力则用 和 代替。为了确定作用力 的大小,假定转化机构中RV轮瞬间不动,且对针轮即壳体施加一力矩 ,在该力矩作用下,啮合各齿产生弹性变形,设第i个针齿中心在针齿分布圆切线方向产生的微小位移为 ,则 在其作用在RV轮上的力 方向的分量为
                         (14)
根据胡克定理有 ,当 时,则 即 ,因此可得
                                                  (15)
图3(a)中 ,则有以下几何关系:
                                           (16)
                       (17)                              (18)
式中:短幅系数 , ; 表示针轮的分度圆半径; 表示针轮的节圆半径; 为RV轮的节圆半径; 、 如图3(a)所示
解式(16)、式(17)和式(18),可得 和 有如下关系:
                                             (19)
因此式(16)可写成
                           (20)
根据力的平衡条件可知:外界作用在针轮上的力矩应和RV轮上的力矩相平衡,即针轮施加在RV轮上的力矩和与外力作用在针轮上的力矩 大小相等:
                   (21)
将上式代入式(15)并利用RV轮与针轮的几何关系,可得
                                           (22)
由于各啮合力均通过节点P,故可求得啮合力的分力为
                                  (23)
                                             (24)
式中 
RV轮除了受到 力和其所产生的力矩外,同时也受到曲柄H的反作用力。为便于分析,把曲柄作用在RV轮上的力分解成 、 、 3个部分,如图3(b)所示,其中 只对 产生力矩,其与 对 产生的力矩平衡; 与 平衡; 与 平衡。由以下力平衡条件可得:
                    ,        (25)
   ,                                (26)
            ,                    (27)
4.3.3 输出圆盘的受力
输出圆盘作为曲柄的两个简支撑点,同时曲柄H又通过输出圆盘向外输出扭矩和转速。设输出圆盘两侧分别受到曲柄的作用力 、 和  ,如图4所示。 、 分别代表两输出圆盘沿切线方向所受的力, 、 则为法线方向作用力,对于切向分力,有
                     
                                (28)
                                      (29)
式中 称为曲柄轴分度圆半径。
 
图4.输出圆盘受力简图
4.3.4 曲柄的受力
图5(a)为曲柄受力简图,图中 为支承圆盘的前支承点至第一个RV轮间的距离; 为支承圆盘的后支承点至第二个RV轮间的距离;C是行星轮 至支承点的距离;b为两RV轮中心平面间的距离。根据上述各构件受力分析及作用于反作用力,有
                 ,                    (30)
                 ,         (31)
将 、 代入式(30),得
                                                (32)
将 、 和 代入式(31),得
                                          (33)
 
                           图5 曲柄轴受力分析简图
4.3.5 轴承的受力分析
对支承RV轮的曲柄偏心轴承合力R,容易得到该力的大小,即
                                             (34)
                                    (35)
将F各值代入式(35),得
                      (36)
设曲柄两个支承轴承分别所受的力为 和 ,为简便起见,通过力的简化和分解得图5(b)所示的受力简图,沿切线方向的 与 在两轴承处引起的力为
                              (37)
                                 (38)
沿X方向的 与在两轴承处引起的力为
                                (39)
沿Y方向的 与在两轴承处引起的力为
                        (40)
                               (41)
                                           (42)
                                  (43)
             (45)
当RV传动针轮(壳体)固定,设输入扭矩为 ,输出扭矩 可根据相应的传动比 及系统功率法方便地写出
                             (46)
显然式(46)与式(33)完全一致,即在上述分析假设条件下RV传动的效率为100%。
式(22)表明RV轮与针轮啮合力与短幅系数 成正比,而从几何关系也可知RV轮的啮合分力 与针轮半径 和短幅系数 成正比,因此度幅系数 的选取直接关系到RV轮的受力大小。
由式(29)可见,当输出力矩不变时,曲柄轴分度圆半径越大,则 越大,也即相应减小曲柄偏心轴承的载荷。
通常行星传动中转臂轴承的寿命是一薄弱环节,但在RV传动中由于有n个曲柄轴以及所存在的曲柄轴分度圆半径,式(36)和式(45)表明轴承及曲柄轴的受力情况得到较大地改善。
 
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