CN108036027A - 机器人rv-c型减速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人减速器技术领域，一种机器人RV‑C型减速器，包括输入、行星、摆线及输出四部件，其特征在于：径向间隙Δ≈摆线轮膨胀量，摆线轮采用正等距与负移距组合修形，偏心轴偏心段相位差179.7°～179.95°，针齿壳半埋孔上有油槽，半埋孔用慢走丝线切割，左刚性盘设有均布三圆柱凸缘，第一轴承为交叉滚子轴承，偏心轴伸端与行星轮内孔的截面是延长内摆线等距曲线。有益效果：径向间隙理论值Δ≈摆线轮受热膨胀量，运转时不会发热，使之具有良好动态性能，偏心轴两偏心段相位差等于180°‑Δθ实现回差≤1′，采用正等距与负移距组合修形，接触应力最小，针齿壳半埋孔上有油槽，成本低55‑70％，外型尺寸与日本RV‑C型同，可与之互换。

Description

机器人RV-C型减速器

技术领域

本发明涉及工业机器人减速器技术领域，尤其涉及一种机器人RV-C型减速器。

背景技术

国家863机器人专家组专家说：“因关键部件配套瓶颈而衍生的整机企业制造成本居高不下，已经成为中国工业机器人市场发展的严重掣肘。特别是高精度机器人关节减速器产品主要依赖进口，目前75％的市场被Nabtesco和Harmonic Drive公司垄断。”

多年来，科技部再而三下达RV减速器863计划，希望我国工业机器人整机企业不再进口昂贵的日本RV减速器。国内诸多的研究者，包括高校研究生的论文，都说攻克了RV减速器难题、打破了日本的垄断。而实际不尽如人意，依据是国内权威人士给出的：

2016年02月21日，华创证劵在《全球机器人研究报告》中指出：“国内精密RV减速机与国外技术差距：精度差、寿命短及质量不稳定。”

大连交通大学与秦川集团联合承担的《863之RV-250A II样机》达到了90年代国际先进水平。但，2016年10月，何卫东教授在论文《RV减速器研究现状与展望》中却说：

“国内虽然在RV减速器的理论和实验等方面取得了许多成果，但与发达国家同类产品相比还有很大差距，还有许多技术有待…”(大连交通大学学报)

2017年07月，论文《机器人用RV减速器传动精度…》又说：

“目前为止，国内研制的RV减速器从整体性能、寿命、传动精度等方面都存在着不足之处。其主要原因是缺乏…对RV减速器动态传动精度影响规律的研究。”(国家自然科学基金资助项目，机械设计)

中国工程院有一院士说：“我国核心零部件，特别是减速器的寿命、性能、噪音控制等都不行；我们的减速器可靠性和质量也不行；我们减速器噪音大，人家的很安静。”

(《核心技术久攻不克机器人产业“国退洋进”》2015-01-19经济参考报)

“国产某知名公司做的噪声和发热明显高于纳博特斯克的RV。”(2016-09-25，电机技术及应用)

为什麽会这样？研究发现，背景技术存在下述问题：

【问题一】国内没人研究‘径向间隙’的理论值，使摆线轮修形后的径向间隙大多数过小：

请分析大连铁道学院-秦川的《国家863高端之RV-250A II型》样机：

R_Z＝114.495±0.0025；e＝2.2±0.002；针齿孔半径5.012；负等距-负移距修形：Δrz＝-0.026±0.001；ΔRz＝-0.03±0.012，径向间隙Δ＝0.004mm

显然，精度要求达到1～2μm的制造难度之大必然有一项或几项参数超差，此外，给出的径向间隙＝0.004mm太小，必然会发热、噪音大。查阅资料发现，国内研究者很多是采用计算回差，而不顾及径向间隙过小时，运转时是否会发热、膨胀？传动件是否会卡死？

(I)有相对运动就有发热、会膨胀

北方工业大学王文涛论文《RV减速器热-结构耦合分析》指出：

“热-结构耦合分析是将热作为载荷施加，热造成材料体积膨胀，参数为热膨胀率。…国内对RV减速器热-结构耦合方面研究较少，而RV减速器采用的是脂润滑，散热条件不好。RV减速器运转中出现的各种状况都和热和受力密切相关。要考虑温度对零件体积的影响，以免因温度过高膨胀卡死。摆线轮是热量的主要来源。”(2016.06)

(II)齿侧间隙用以补偿温升引起的热膨胀和制造误差

河南科技大学张洛平教授《RV减速器摆线轮齿形的研究》指出：

“为了在啮合面间形成油膜，补偿温升引起的热膨胀和制造误差，在摆线轮和针齿间应有一定的齿侧间隙，否则将使啮合摩擦损失增大，啮合齿面易产生胶合等。”(机床与液压2016-01)

(III)RV减速器摆线轮受热后的膨胀量是确定‘径向间隙’理论值的重要依据

苗恩铭博士《精密零件热膨胀及材料精确热膨胀系数研究》87页：

GCrl5热膨胀系数：α_t＝13.65+0.0045t-0.000069t²+0.0000009t³

该公式不便于计算，本发明采用拟合方法将其变换为：α_t＝13.51·t^0.0054(10^-6/℃)

本发明根据热膨胀原理提出：径向间隙理论值Δ＝摆线轮膨胀量+(0.005～0.02)(mm)

式中：摆线轮膨胀量＝Rz·t·13.51·t^0.0054(10^-6/℃)，温升t设定为50℃

附加量(0.005～0.02)mm是用以补偿制造误差的经验数据。

以RV250-A II型(Rz＝114.5，Δ＝0.004mm)为例来说明受热膨胀的影响：

RV减速器温升t＝50℃，于是α_t＝13.51·t^0.0054(10^-6/℃)≈13.80(mm)

摆线轮膨胀量＝114.5·13.80·50·10^-6＝0.079≈0.08(mm)是原设计Δ＝0.004的20倍。

本发明认为，国内RV与国外有很大差距的主要原因是径向间隙Δ过小：因为减速器运转中和发热密切相关。径向间隙Δ过小的话，摆线轮会因温度升高膨胀以致卡件。捡索发现，国内摆线轮修形后径向间隙过小不下20例，下面(篇幅所限)仅公布几个示例：

(1)《机器人高精度RV摆线轮修形对回差影响的研究》：RV-250A II(Rz＝114.5、e＝2.2)：负移距-负等距：Δrz＝-0.004、ΔRz＝-0.008，径向间隙Δ＝0.004(mm)(国家863高端样机)

(2)四川大学《RV减速器摆线轮齿廓修形方法对比研究》：RV-40E：Rz＝64、rz＝3.0、e＝1.25、Za＝39：Model 2：ΔRz＝--0.00713、Δrz＝0.00313，径向间隙Δ＝0.004mm

(3)大连交通大学，中车戚墅堰机车车辆工艺研究所《RV减速器整机扭转刚度及回差…》：“表中等距修形量Δrz＝-0.042，与移距修形量ΔRz＝-0.047，…”径向间隙Δ＝0.005mm

(4)天津大学《RV减速器的误差建模与摆线齿廓修形》RV-320E：Rz＝114.5、rz＝5.0、e＝2.2、Za＝39、Zb＝40；ΔRz＝-0.026、Δrz＝-0.01mm，径向间隙Δ＝0.016mm；

(5)河南科技大学《RV减速器的传动精度分析》：“RV40E：Rz＝64.05、rz＝3.0、e＝1.3、Zb＝40、ΔRz＝-0.026、Δrz＝0.03，Δ＝0.004mm。”

(6)郑州机械研究所《机器人用精密摆线传动啮合特性及回程间隙分析》：Rz＝64、rz＝3.0、e＝1.3、Za＝39、Zb＝40；ΔRz＝--0.02、Δrz＝-0.01，径向间隙Δ＝0.01mm；

(7)哈尔滨理工大学《RV减速器传动精度的研究》：RV-450E：Rz＝155、rz＝5.0、e＝3.0、Za＝37；ΔRz＝-0.026、Δrz＝-0.03mm，径向间隙Δ＝0.004mm

(8)同济大学《基于ADAMS仿真的机器人用高精度Rv减速器轮齿间隙研究》：RV-40E：Rz＝64、rz＝3.0、e＝1.30、Za＝39；ΔRz＝-0.008、Δrz＝-0.002，径向间隙Δ＝0.006mm，

【问题二】‘负移距-负等距’组合修形径向间隙过小，轮-销间接触应力大：

张东生、关天民《针摆传动齿形优化与动态回程误差分析》(机械传动，2007.02)：

“正等距+负移距”修形产生的回程误差也最大；但是接触力和接触应力最小；

“负等距+负移距”修形产生的回程误差也最小；但是最大接触力和接触应力最大。

本发明摆线轮采用正等距与负移距组合修形，取其接触应力最小：

等距修形值Δr_z＝Δ/[1-(1-K₁ ²)^0.5](mm)

移距修形值ΔR_z＝-Δr_z(1-K₁ ²)^0.5(Δr_z)(mm)

式中：Δ-径向间隙、K₁-短幅系数

【问题三】修形就有径向间隙，就有回差，RV结构中没有消除回差技术方案：

南京工程学院张杰教授论文《RV减速器回差分析与实验测试研究》说：“摆线轮的修形就会产生侧隙，而侧隙就形成了回差，该因素对回差影响较大，且不可避免。”

就是说：修形就会产生侧隙，就形成了回差，回差就消除不了，迫使国内研究者采用尽可能小的修形量实现回差≤1arc min的最迫切愿望。小修形量会使径向间隙很小。

本发明提出：偏心轴两偏心段相位差＝180°-Δθ。此时：偏心轴偏心段会使一摆线轮逆针偏转靠向针齿壳上半区针销；另一摆线轮顺针偏转靠向针齿壳下半区针销，因而正、反转回差＜1arc min。若Δθ＝0.1°～0.3°，则两偏心段相位差179.7°～179.9°，导致二摆线轮处于相位角＝179.7°～179.9°的相对位置。

【问题四】针齿壳半埋孔上不设油槽，滑动摩擦易发热：

针齿壳半埋孔上针销绕其中心轴线旋转，使针销与摆线轮间存在滑动摩擦，导致温升增加，易磨损，使用寿命会因此而缩短及传动效率降低。针齿壳半埋孔上设有储油槽，油槽居中，油槽宽为半埋孔周长的1/5～1/3，油槽深0.01～0.03mm，将有效改善润滑条件。

发明内容

为解决上述问题，需要对背景技术RV减速器加以改进，通过结构设计降低高精度加工难度，提出一种结构紧凑、使用寿命长，工艺简单、制造成本低的机器人RV-C型减速器。

技术方案

为解决上述问题所采用的具体技术方案如下：

(技术方案1)所述针销与摆线轮间的径向间隙Δ＝摆线轮发热膨胀量+(0.005～0.02)(mm)

式中：摆线轮发热膨胀量＝Rz·t·13.51·t^0.0054(10^-6/℃)

Rz-针轮中心圆半径、t-RV减速器温升，设为50℃、

轴承钢热膨胀系数α_t＝13.51·t^0.0054(10^-6/℃)

(技术方案2)所述摆线轮采用正等距与负移距组合修形，其中：

等距修形值Δr_z＝Δ/[1-(1-K₁ ²)^0.5](mm)

移距修形值ΔR_z＝-Δr_z(1-K₁ ²)^0.5(Δr_z)(mm)

式中：Δ-径向间隙、K₁-短幅系数

(技术方案3)所述偏心轴的两偏心段的相位差等于179.7°～179.95°。

(技术方案4)进一步地，所述偏心轴的两偏心段的相位差等于179.77°～179.93°。

(技术方案5)更进一步地，所述偏心轴的两偏心段的相位差等于179.8°～179.9°。

(技术方案6)所述针齿壳半埋孔上设有储油槽，油槽居中，油槽宽为半埋孔周长的1/5～1/3，油槽深0.01～0.03mm。

(技术方案7)所述针齿壳上设有油槽的半埋孔用中走丝或慢走丝线切割成连续光滑曲线。

(技术方案8)所述左刚性盘上均布三圆柱凸缘，三圆柱凸缘穿过二摆线轮上相应的三圆孔与右刚性盘内侧止口紧配合、并连接成一高刚性体，二摆线轮上相应的三圆孔孔径与装置滚子轴承的另三圆孔孔径相等，六孔依次间隔均布，背景技术摆线轮上菱形孔改圆孔的技术效果是：工艺好。

(技术方案9)所述第一轴承为薄壁交叉滚子轴承，或十字交叉滚子轴承。

(技术方案10)所述偏心轴伸端与行星轮内孔截面为延长内摆线等距曲线的非键连接。

有益效果

(1)本发明提出：径向间隙理论值Δ＝摆线轮膨胀量+(0.005～0.02)(mm)，运转时不会因发热、膨胀卡死，使之具有良好的动态性能，确保减速器正常工作；

(2)偏心轴两偏心段相位差等于180°-Δθ，此时：偏心段会使一摆线轮逆针偏转靠向针齿壳上半区针销；另一摆线轮顺针偏转靠向针齿壳下半区针销，实现正、转的回差≤1arc min；

(3)摆线轮采用正等距与负移距组合修形，因而接触力和接触应力最小；

(4)本发明国产机床，常规制造精度，工艺简单，成本低55-65％；

(5)外型尺寸及安装尺寸与日本RV-E型减速器相同，因而可与之互换；

(6)针齿壳半埋孔上设有储油槽，油槽居中，将有效改善润滑条件，降低针销磨损。

附图说明

图1本发明实施例的结构示意图

具体实施方式

一种机器人RV-C型减速器，包括输入、行星、摆线及输出四部件，其中：

所述输入部件包括设在伺服电机上的主动轮9及双联齿轮10，双联齿轮10包括太阳轮及与主动轮9啮合的从动轮，双联齿轮10内孔设置通线管；

所述行星部件包括行星轮8与双联齿轮10上的太阳轮；

所述摆线部件包括三均布的偏心轴3、二摆线轮7、针齿壳1及针销11，针销11设在针齿壳1上均布的半埋孔中，所述针销11与摆线轮7啮合，所述偏心轴3轴伸端连接行星轮8；

所述的输出部件包括左、右刚性盘2、5，所述左、右刚性盘2、5用第一轴承4分别支承在针齿壳1两侧内孔，右刚性盘5中心孔用第二轴承6支承双联齿轮10；

所述偏心轴3的两端用第三轴承分别支承在左、右刚性盘2、5周边孔中，所述偏心轴3包括两偏心段，两偏心段上装置的滚子轴承分别用以支承二摆线轮7，其特征在于：

所述针销14与摆线轮13间的径向间隙Δ＝摆线轮发热膨胀量+(0.005～0.02)(mm)

式中：摆线轮发热膨胀量＝Rz·t·13.51·t^0.0054(10^-6/℃)

Rz-针轮中心圆半径、t-RV减速器温升，设为50℃、

轴承钢热膨胀系数α_t＝13.51·t^0.0054(10^-6/℃)

(0.005～0.02)(mm)为制造误差经验补偿系数

本发明认为，国内RV与国外有很大差距的主要原因是径向间隙Δ过小：因为减速器运转中和发热密切相关。径向间隙Δ过小的话，摆线轮会因温度升高膨胀以致卡件。

所述的机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述二摆线轮13采用‘正等距-负移距’组合修形，其中：

等距修形值Δr_z＝Δ/[1-(1-K₁ ²)^0.5](mm)

移距修形值ΔR_z＝-Δr_z(1-K₁ ²)^0.5(Δr_z)(mm)

式中：Δ-径向间隙、K₁-短幅系数

论文《针摆传动齿形优化与动态回程误差分析》：“正等距+负移距”修形产生的回程误差也最大；但是接触力和接触应力最小；“负等距+负移距”修形产生的回程误差也最小；但是最大接触力和接触应力最大。本发明采用‘正等距-负移距’组合修形，取其接触应力最小：

所述的机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述偏心轴8的两偏心段的相位差等于179.7°～179.95°，偏心轴是在两偏心段相位差设定后整体加工的，装配前，二摆线轮之间根本不存在什麽相位角，只有当二摆线轮用滚子轴承分别支承在偏心段上后，二摆线轮彼此才有相对位置，术语称相位角，此时二摆线轮相位角是179.7°～179.95°。

南京工程学院张杰教授论文《RV减速器回差分析与实验测试研究》说：“摆线轮的修形就会产生侧隙，而侧隙就形成了回差，该因素对回差影响较大，且不可避免。”就是说：修形就会产生侧隙，就形成了回差，回差消除不了。

本发明偏心轴两偏心段相位差等于180°-Δθ。此时：偏心段会使一摆线轮逆针偏转靠向针齿壳上半区针销；另一摆线轮顺针偏转靠向针齿壳下半区针销，实现正反转回差≤1arc min。

进一步地，所述的机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述偏心轴8的两偏心段的相位差等于179.77°～179.93°。

更进一步地，所述的机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述偏心轴8的两偏心段的相位差等于179.8°～179.9°。

所述的机器人RV-C型减速器，其特征在于：针齿壳11半埋孔上设有储油槽，油槽居中，油槽周向长为半埋孔周向长的1/5～1/3，油槽深0.01～0.03mm，针齿壳半埋孔上针销绕其中心轴线旋转，使针销与摆线轮间存在滑动摩擦，导致温升增加，易磨损，使用寿命会因此而缩短及传动效率降低。针齿壳半埋孔上储油槽将有效改善润滑条件。

所述的机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述针齿壳11上均布的、设有油槽的半埋孔用中走丝或慢走丝线切割成连续光滑曲线，现有慢走丝表面粗糙度为Ra 0.5～0.8μm，切割精度±0.005mm，线切割的优点是加工工艺简单、精度高，能保证针齿销半埋孔的相邻距偏差控制在0.005mm之内，试比较：《减速器制造工艺方法》ZL01103799.3“针齿壳加工的难点是针齿孔，RV250A上的是40-Φ10H7，要求孔相邻距0.005mm，累计误差0.02mm，孔轴向0.005mm，精度相当于渐开线的3-4级。YK75100内齿轮磨齿机上增加了一个小磨头，即可磨削半圆孔，效率很高。”。

所述机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述左刚性盘1上均布三圆柱凸缘2，三圆柱凸缘2穿过二摆线轮13上相应的三圆孔与右刚性盘6内侧止口紧配合、并用螺钉与定位销将二者连接成一高刚性体，所述二摆线轮13上相应的三圆孔孔径与装置滚子轴承的另三圆孔孔径相等，六孔依次间隔均布，背景技术摆线轮13上的菱形孔改用圆孔的技术效果是：

①用作摆线轮工艺孔；②圆孔比菱形孔应力分布更合理，热处理时不易开裂、变形也小；

左刚性盘1圆柱凸缘比之菱形凸缘的技术效果是：模具制作工艺简单、成本低得多。

所述的机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述第一轴承10为薄壁交叉滚子轴承，或十字交叉滚子轴承，薄壁密封交叉滚子轴承特点是：

①滚子与滚道的接触形式为线接触，与球轴承相比，其载荷容量较大，一般是相同尺寸球轴承额定载荷的5～15倍，因此承载能力强，工作可靠性高，寿命较长；

②滚子直径相对较大、因此，滚子在外载荷作用下，轴承的轴向和径向刚性均较高；

③采用大直径、小截面，可以节省径向和轴向空间，能简化主机结构；

④采用双半外圈结构，通过修磨或研磨两个半外圈接合面，调整游隙非常方便。

所述的机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述偏心轴8轴伸端与行星轮7内孔的截面形状是延长内摆线等距曲线，一种与常规(如平键、花键)不同的非键连接。

它有如下特点：

①对称性好，受力均匀；②强度高，传递扭矩大；③动平衡性好、利于高速转动；

④延长内摆线廓形容易实现孔、轴的加工，普通车刀、圆柱铣刀、砂轮都能实现内外摆线曲柱面孔、轴的车、铣和磨，只要专用机床的结构能保证刀具沿摆线的法线运动即可，车刀切削方向沿非回转处切向切削和沿法向作径向进给，即保证车刀的基面始终平行于法线运动，铣削和磨削只需保证刀具中心始终在法线上切削和进给，就能切出延长内摆线等距曲线。.

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机器人RV-C型减速器，包括输入、行星、摆线及输出四部件，其中：

所述输入部件包括设在伺服电机上的主动轮(9)及双联齿轮(10)，双联齿轮(10)包括太阳轮及与主动轮(9)啮合的从动轮，双联齿轮(10)内孔设置通线管；

所述行星部件包括行星轮(8)与双联齿轮(10)上的太阳轮；

所述摆线部件包括三均布的偏心轴(3)、二摆线轮(7)、针齿壳(1)及针销(11)，所述针销(11)设在针齿壳(1)上均布的半埋孔中，所述针销(11)与摆线轮(7)啮合，所述偏心轴(3)轴伸端连接行星轮(8)；

所述的输出部件包括左、右刚性盘(2、5)，所述左、右刚性盘(2、5)用第一轴承(4)分别支承在针齿壳(1)两侧内孔，右刚性盘(5)中心孔用第二轴承(6)支承双联齿轮(10)；

所述偏心轴(3)的两端用第三轴承分别支承在左、右刚性盘(2、5)周边孔中，所述偏心轴(3)包括两偏心段，两偏心段上装置滚子轴承分别用以支承二摆线轮(7)，其特征在于：

所述针销(14)与摆线轮(13)间的径向间隙Δ＝摆线轮发热膨胀量+(0.005～0.02)(mm)式中：摆线轮发热膨胀量＝Rz·t·13.51·t^0.0054(10^-6/℃)

Rz-针轮中心圆半径、t-RV减速器的温升，设为50℃、

轴承钢热膨胀系数αt＝13.51·t^0.0054(10^-6/℃)。

2.根据权利要求1所述机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述摆线轮(13)采用正等距与负移距组合修形，其中：

等距修形值Δr_z＝Δ/[1-(1-K₁ ²)^0.5](mm)

移距修形值ΔR_z＝-Δr_z(1-K₁ ²)^0.5(Δr_z)(mm)

式中：Δ-径向间隙、K₁-短幅系数。

3.根据权利要求2所述机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述偏心轴(8)的两偏心段的相位差等于179.7°～179.95°。

4.根据权利要求3所述机器人RV-C型减速器，其特征在于：进一步地，所述偏心轴(8)的两偏心段的相位差等于179.77°～179.93°。

5.根据权利要求4所述的机器人RV-C型减速器，其特征在于：更进一步地，所述偏心轴(8)的两偏心段的相位差等于179.8°～179.9°。

6.根据权利要求3或4或5所述机器人RV-C型减速器，其特征在于：针齿壳(11)半埋孔上设有储油槽，油槽居中，油槽周向长为半埋孔周向长的1/5～1/3，油槽深0.01～0.03mm。

7.根据权利要求6所述机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述针齿壳(11)上均布的、设有油槽的半埋孔用中走丝或慢走丝线切割成连续光滑曲线。

8.根据权利要求7所述机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述左刚性盘(1)上均布三圆柱凸缘(2)，三圆柱凸缘(2)穿过二摆线轮(13)上相应的三圆孔与右刚性盘(6)内侧止口紧配合、并用螺钉与定位销将二者连接成一高刚性体，所述二摆线轮(13)上相应的三圆孔孔径与装置滚子轴承(5)的另三圆孔孔径相等，六孔依次间隔均布。

9.根据权利要求8所述机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述第一轴承(10)为薄壁交叉滚子轴承，或十字交叉滚子轴承。

10.根据权利要求9所述机器人RV-C型减速器，其特征在于：所述偏心轴(8)轴伸端与行星轮(7)内孔的截面形状是延长内摆线等距曲线，一种与平键、花键不同的非键连接。