RV减速器传动精度及固有特性研究

程发龙

摘要：RV减速器由于具有长而可靠的使用寿命、大范围可能的传动比、在动态负载条件下极其可靠的功能、紧凑的设计和高效率等许多优良特性而被广泛应用.RV减速器所具有的特性使得其在工业机器人的关节驱动模块中的应用较多也较为广泛.新时代背景下工业机器人应用规模增加，特别是相关高精度化的需求愈加旺盛.RV减速器是工业机器人的重要核心部件之一需要具备更高的传动精度.本文在分析RV减速器结构及传动原理的基础上，对影响RV减速器传动精度的因素进行分析，并就如何提高RV减速器的传动精度进行分析阐述.

关键词：RV减速器;传动特性;精度

中图分类号：TH132.46  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）04-0095-04

1 引言

工业是一个国家发展的重要基础，随着科技的进步与发展，工业机器人在工业生产制造领域中的应用越来越广，工业机器人的应用能够有效地提高工业生产的效率及质量.相较于国外工业机器人的发展，我国工业机器人起步较晚，对于工业机器人中的一些核心部件都需要进口.

随着智能化和数字化的到来，工业机器人已经逐渐应用于国家发展的各个领域.减速器是影响工业机器人质量和水平的重要部件，也标志着一个国家的工业发展水平.精密齿轮RV系列是机床、工厂机器人、装配设备、输送机等需要精密定位、高刚度、高冲击负荷能力的相关领域精密机械控制的理想减速器.

2 RV减速器的结构

RV减速器是由行星齿轮传动和行星摆线传动组成的两级减速传动机构，由于其由中心圆盘支撑的封闭、超静定和组合行星传动机构，具有传动比大、体积小、刚度大、承载能力大、传动效率高和传动精度高等突出优点，广泛应用于工业机器人关节驱动装置中[1]，它的结构简图如下图2-1所示.

RV减速器的摆线齿轮以相反的方向绕其自身轴线转动输入旋转的角度，因为轴具有一体化结构.摆线减速器包含由销或行星齿轮组成的内齿轮，对减速器系统产生双速减速效果，最近已在机器人中流行起来.这是因为它们可以产生比相同尺寸的普通摆线减速器更大的减速率，普通摆線减速器通过将摆线齿轮运动直接平移通过输入偏心轴来减速.RV减速器的结构基于其传动原理和结构特点，包括摆线齿轮、销齿轮箱、销齿轮、曲轴和轴承孔等部件.为了提高装配精度，必须进行高精度加工，因此RV减速器通常成本和销售价格都很高.

下面RV减速器的主要零部件进行说明：

2.1 输入齿轮轴

在摆线针轮减速器的理想设计中，输入齿轮的齿形可以与风轮上的所有销齿接触，其中一半的销齿参与载荷传递.同时，摆线齿轮上的输出孔可以与输出盘上的所有销保持接触，并且输出销的一半传递负载.

2.2 渐开线行星轮

行星轮以齿轮轴为中心互成120°对称安装，与输入齿轮轴相啮合，输入齿轮轴转动带动三个行星轮以同样的速度转动，通过梯形键与曲柄轴固联，带动曲柄轴一起转动，进而完成RV减速器的第一级减速任务[2].复合行星齿轮的装配条件比简单的行星齿轮更严格，而且它们必须以相对正确的初始方向装配，否则它们的齿不能同时与行星两端的太阳轮和环形齿轮啮合，复合行星齿轮能以相同或更小的体积容易获得更大的传动比.

2.3 曲柄轴

三个曲柄轴分别通过梯形键与三个行星轮相对应联接固定在一起，在进行转速求解时将两者看成一个整体，通过安装在曲柄轴偏心部分上的圆柱滚子轴承，将动力传递给摆线轮，作为RV减速器第二级减速的输入部分[3].

2.4 摆线轮

两摆线轮对称分布，相位差180°，与曲柄轴通过圆柱滚子轴承相接触，绕输入齿轮轴轴线做偏心转动，在输入扭矩的作用下，零件的运动方向为角正方向，等效位移的正方向为每个零件的运动方向[5].

2.5 行星架

以轴线为中心，行星架和输出盘成120°对称分布，曲柄轴通过圆锥滚子轴承与行星架相联接，行星架为行星轮和曲柄轴的转动起支撑作用，同时随曲柄轴绕输入齿轮轴轴线做公转转动.

2.6 输出盘

输出盘与第一级的固定环形齿轮的壳体滚子接触，并且能够围绕其自身的轴自由旋转.中心圆盘沿与输入轴相反的方向旋转，可以围绕轴轴线自由旋转，输出盘不动，壳体反过来提供输出动力进行输出，实现RV减速器二级减速.

2.7 壳体

壳体的作用是承载各零部件，此外还可作为输出端：当输出盘与行星架固定式时，壳体则作为输出机构进行输出转动，进而完成RV减速器目标二级减速任务.

3 RV传动原理及其特点

3.1 RV减速器的传动原理

RV减速器传动过程首先通过输入齿轮轴输入动力，与一级渐开线行星轮的啮合传动来实现第一次减速;行星轮在曲柄轴上固定，从而带动曲柄轴绕中心轮公转，同时进行自转带动摆线轮;摆线轮与针齿轮做啮合转动时，通过反馈带动曲柄轴将传动行星架和输入盘.随着摆线盘的旋转，与组件的其它减速部件发生两个接触点.

首先，盘的外表面相对于环形齿轮箱的辊子滑动，其次，盘的旋转运动与低速轴的辊子相互作用.摆线盘本身以与高速轴相反的方向旋转，同时，盘的外边缘上的凸起逐渐与连接到环形齿轮箱内周的辊子接合.这种相互作用以降低的速度产生反向旋转.对于高速轴的每一次完整旋转，摆线盘以相反的方向旋转一个摆线齿长.通常，圆盘周围的摆线齿比固定环形齿轮壳体中的销少一个，导致实际减速比等于圆盘上摆线齿数，摆线盘的减小的旋转通过与盘内包含的孔接合的驱动销和辊传递到低速轴.随着同时承受接触和传递载荷的滚子（齿）数量的增加，最大应力值减小，提供了更大的扭矩传递能力，并提供了异常平稳、无振动的驱动，这种系统通常包括两个圆盘和一个双偏心凸轮.对于具有相应较小扭矩容量的较小单元尺寸，可以使用由单个偏心凸轮驱动的单个盘系统.

壳体固定的情况下，输入齿轮轴（1）提供动力，通过输出盘-6输出动力，假如齿轮轴（1）顺时针转动，行星轮（2）与曲柄轴（3）为整体，一边绕输入齿轮轴（4）的轴线公转，同时以逆时针方向自转完成高速段第一次减速，主减速器一是改变动力传动的方向，二是作为传动的延伸，为每个齿轮提供共同的传动比.曲柄轴（3）的转动作为二级减速的转动输入，曲柄轴（3）与摆线轮（4）接触后将动力传递给摆线轮（4），之后摆线轮与针齿轮（5）做内啮合式的滚动摩擦反馈给曲柄轴（3），带动曲柄轴（3）一起绕输入齿轮轴（1）的轴线做以顺时针为方向的公转完成二级减速;曲柄轴（3）分别与行星架（7）和输出盘（5）相接，曲柄轴绕输入齿轮轴（1）的做以顺时针为方向公转的同时，行星架（7）和输出盘（6）也随曲柄轴一起做绕输入齿轮轴（1）的轴线的顺时针转动作为最终输出转速，输出转速与输入转速的比值即为RV减速器传动比.RV减速器的传动简图如图3-1所示.

3.2 RV减速器的传动特点

RV减速器采用两级摆线设计，具有高传动比、高扭矩和强的冲击负荷能力，采用滚动接触元件，减少磨损，延长使用寿命.同时，RV减速器由于独特的针齿结构的摆线设计，具有低齿隙的特点，与传统减速器相比，具有更高的精度和抗冲击性.RV减速器由大的内部角支撑轴承组成，这些轴承提供大的力矩能力，并且不需要外部支撑装置.RV减速器由于集成角支承轴承，具有刚度高、承受外力矩能力强、无需外力支承的特点，不仅减少了零部件数量，而且节省了成本，也增加了操作的可靠性.摆线轮和针轮啮合力的影响程度由大到小依次为摆线轮齿数、短振幅系数和针齿中心半径，针齿半径相对较小.

在RV减速器传动中，核心传动部分为摆线针轮传动，而核心传动部分为摆线针轮传动，其精度直接影响RV减速器的传动精度、稳定性乃至整体性能.减速器的摆线针齿是100%的连续接触，保证极低的侧隙和高的冲击负荷能力，由于两个摆线齿轮的低速旋转，两级减速机构能够减小振动，同时由于减小了输入耦合尺寸而减小了惯性.RV减速器也有各种各样的比率，可以通过在第一阶段的直齿轮组合得到，在整RV减速器中使用滚动接触部件有助于出色的启动效率、低侧隙、低磨损和长的使用寿命.传动误差反映了输入轴和输出轴之间的角传动精度，当输入齿轮固定时，指定扭矩沿两个方向施加到输出轴上，并且测量弹性.在零负载（死点）时，滞回区上下边界映射之间的距离-φ最大为1弧分钟.机器人RV减速器还提供了多齿啮合，同时，平衡双圆盘结构的偏置振动、高重叠系数以及具有适当间隙的滚子接触，以避免齿轮干涉，从而有效降低噪音和振动.RV减速器采用滚动接触元件设计独特的针摆线轮齿，有利于减少磨损，减小间隙，使其比传统减速机具有更强的抗沖击性能，并进一步减小间隙.RV减速器具有承载大的内部轴承，以实现更大的承载能力，从而降低外部支撑设备的要求，从而减少设计时间和安装成本.真正的对称齿轮设计，以及所有的轴滚珠轴承支撑，保证了恒定性能的使用周期，并允许在短时间内达到额定峰值扭矩的5倍.

4 RV减速器传动精度的分析与控制

RV减速器以精密运动控制专用的平板为中心的减速器，具有结构紧凑、重量轻、刚度高等特点，其强度足以抵抗过载情况.此外，自由间隙、微转动振动和低惯量的优点保证了快速加速度、超精密定位和平滑运动.在理论上，RV减速器摆线盘的所有齿都与环形齿轮的相应滚子接触，其中一半传递载荷.然而，实际情况并非如此，因为环形齿轮的滚子和摆线盘的齿之间存在一定的间隙，以便补偿摆线盘制造过程中产生的误差，为润滑提供更好的条件，实现减速器的更容易组装和拆卸等等.这些间隙的大小直接影响摆线盘齿和齿圈辊之间接触时出现的接触力的分布，意味着随着间隙尺寸的增加，传递载荷的相应元件的数量正在减少.摆线盘与齿圈和输出辊接触，接触力的值取决于间隙的大小，即传递载荷的摆线盘齿（环形齿轮的滚子）的数量.

第一级行星齿轮由输入轴、中心论、行星轮等部分构成.摆线针轮传动由曲柄轴、摆线轮、针轮等部分构成.RV减速器的偏心轴与输出轴连接，保证了偏心轴与针齿壳同步转动，其输出轴和输入轴是一条直线，结构得到了加强，节省了空间，因此在相同的齿轮减速器和蜗杆减速器减速比下，RV减速器尺寸更加紧凑.RV减速器二级减速的摆线针轮减速部分输出速度就是RV减速器经过减速所最后输出的速度，机器人专用RV减速器对驱动精度、承载能力要求很高.齿隙是影响精度的重要指标之一.RV减速器设计中必须严格控制齿隙.齿隙会导致输出轴和输入轴之间在短时间内失去轨迹.将产生输出中断.RV减速器传动过程中存在输出损耗.运动传递关系变得非线性.此外，齿隙也会影响反馈控制系统和动态品质.因此，RV减速器的齿隙必须要严格的控制，才能保证减速器的正常动力传动要求.

目前机器人可使用的许多类型的减速器中，通常都使用平面齿轮减速器和谐波驱动器.摆线减速器（RV减速器）是当今使用的最常见类型的平心齿轮减速器.摆线传动从20世纪30年代到现在一直是受欢迎的减速器，因为与行星齿轮系相比，它体积小、重量轻、速度快，并且在单个阶段具有很高的机械优势.然而，由于加工过程中的变化，摆线驱动器中存在齿隙，将降低稳定性以及固有噪声和振动，特别是在高速时.大多数用于自动化制造的机器人都使用谐波驱动器来驱动上两个机器人或者三个接头和摆线减速器.在全尺寸机器人中，摆线减速器用于所有六个关节.谐波减速器和摆线减速器即使在一个阶段也能表现出显著的减速比，并且由于它们的齿数比很大，即使在小尺寸时也能传递大扭矩;因此，它们主要用于需要紧凑结构、大负载能力和高精度位置控制的机器人.这些减速器越来越专门用于测量齿形制造技术和装配技能等应用.随着半导体制造和航天工业等领域对高功能的需求不断增加，从满足用户需求的角度来看，摆线和谐波减速器有望继续发展.

5 结语

随着制造自动化，机器人越来越多地从事人类工作.因此，使用精密减速器对于实现机器人手臂位置的精确控制变得至关重要.曲线齿廓，如摆线或渐开线齿廓，通常用于精密减速器，RV减速器能够实现高精度控制，广泛用于操纵机器人系统.本文在分析RV减速器结构的基础上对RV减速器传动特性，传动精度进行简要介绍，以供参考.

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