CN212338043U - 工业机器人内啮合rv减速机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种工业机器人内啮合RV减速机，对摆线轮修形后，对摆线轮修形后，使得内摆线齿与摆线轮齿槽间产生合理间隙（径隙Δj与侧隙Δc），使减速机在额定负载下，摆线轮热膨胀时啮合件不被卡死，而且采用了凹‑凸啮合,还可以大大简化内摆线齿圈结构。

Description

工业机器人内啮合RV减速机

技术领域

本实用新型涉及工业机器人减速机技术领域，尤其涉及用热膨胀理论解决背景技术发热、寿命短缺陷，一种动态特性良好的工业机器人内啮合RV减速机。

背景技术

2019年9月18日，北京智同科技首席科学家张跃明教授说：国产减速器与日本纳博特斯克减速器相比，最大差距在于精度保持性和寿命上。

2019年11月23日，宁波中大力德公司2019111606018实用新型人称：本实用新型《摆线针轮传动结构》用以解决现阶段国内RV传动精度不理想的问题。

2019年12月17日，创新驱动技术策源羿弓科技助推RV减速器国产化中指出：“ 国产RV减速机虽几年的发展，但仍然面临着痛点：发热高、噪音大、刚性不足、精度保持性不够。”

表明至2019年底，国产RV减速机与日本纳博仍有较大差距，其原因分析如下：

（一）国内研究者缺少对摆线轮修形合理啮合间隙的理论研究

《齿轮传动设计手册》804页指出：“合理的摆线轮齿形的修形应满足以下要求：

a. 能形成合理的啮合侧隙与径向间隙，既能补偿实际的制造安装误差，又能保证足够的同时啮合齿数；b. 齿形的工作部分应最大限度逼近共轭齿形使传动平稳；c. 磨削工艺简单。

理论与实践均已证明，采用正等距-正移距优化组合修形方法，可以得到上述的理想齿形。

正等距修形磨削摆线轮时，是将磨轮的圆弧半径（相当于针齿齿形半径）由标准的rz加大为rz+Δrz；正移距修形是将磨轮背离工作台中心移动一个微小距离ΔRz，这就是说，在磨削时相当于针齿中心圆半径Rz增大为Rz+ΔRz。”

捡索文献表明，国内至今未见有摆线轮修形合理侧隙与径隙理论值的研究；

（二）物理学阐明合理的啮合间隙与摆线轮热膨胀量密切相关

北方工业大学《RV减速器热-结构耦合分析》：“国内对RV减速器热-结构耦合方面研究

较少，而减速器用的是脂润滑，散热条件不好，运转中各种状况都和热密切相关。要考虑温

度对零件体积的影响，以免因温度过高膨胀卡死。”（2016.06）

研究者对RV减速机热-结构耦合方面研究较少，运转中各种状况都和热密切相关，摆线轮是热量的主要来源，间隙过小必然因温度过高卡死。下面分析摆线轮热膨胀：

物理学阐明，固体在各方向上膨胀规律相同，因此可以用固体在一个方向上的线膨胀规律来表征体膨胀，即：线膨胀系数αt= (d- d0)/(d0Δt)=Ω /(d0·Δt)，故：

热膨胀量Ω=(αt·Δt)d0；

（三）国内研究者认定偏心轴相位差ΔΨ=180°，因而只能采用负移距-负等距修形

捡索发现，国内研究者认定RV减速机偏心轴相位差=180°，下表是80多例文献中的小部分

然而，理论计算证明负等距-负移距组合修形蕴藏着一致命特性：侧隙ΔC过小，因而不仅不能补偿温升引起的热膨胀和制造误差，且无法避免因温升膨胀而卡死。例证如下：

（例1）2017.04月大连交大《基于…RV传动摆线轮…啮合刚度研究》：RZ=77、e=1.50、Za=39、K₁=0.7792，Δrz= - 0.022、ΔRZ= - 0.027： 侧隙Δc =0.003（mm）（过小）；

（例2）哈工大《中小功率壳固定RV-E减速器的设计研究》RV-450E：RZ=155、e=3.0、Za=37、K₁=0.7355，Δrz= - 0.015、ΔRZ= - 0.03、 侧隙Δc=0.007（mm）（过小）；

（例3）同济大学×教授《基于…高精度RV减速器轮齿间隙研究》RV-40E参数：RZ=64、

e=1.30、Za=39；K₁= 0.8125，Δrz= - 0.002、ΔRZ= - 0.008、 侧隙Δc= 0.003（mm）（过小）。

此外，现有RV-E型减速机针轮（指针齿壳与半埋针销）的问题在于：

（1）无法制造比RV-6E型更小机型用以取代刚性差的谐波减速器，这是因为小机型针轮制造很困难，论文《RV减速机运动精度误差因素及高运动精度工艺保证》指出：“RV减速机针齿壳半埋孔是一组半径尺寸很小而精度要求很高的半圆孔，这种长径比大的高精度小半圆孔的加工工艺在常规生产条件下会有很大难度，…”；

（2）RV-E型的针轮-摆线轮系凸-凸啮合，其当量半径大于双摆线传动的凹-凹啮合，因而承载能力低于凹-凹的双摆线传动，此外，针销与半埋孔润滑不良且为滑动摩擦，因而易使半埋孔磨损，导致回差加大。

沈培基、李可植《双摆线齿轮减速器》指出：双摆线齿轮减速器首先从啮合原理上加以突破，利用一对全包络的摆线齿轮作为共轭曲线的齿轮机构，并采用不同形式的一齿差行星齿轮传动来实现减速，从而大大简化了结构和工艺。

实用新型内容

本实用新型目的用热膨胀理论与消隙摆线解决背景技术发热、寿命短的缺陷，提供动态特性良好的、可与日本纳博特斯克产品互换的一种工业机器人RV减速机。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术特征：

提供一种工业机器人内啮合RV减速机，包括内摆线齿圈及置于其中的两级减速部件：第一级包括输入轴、太阳轮及行星轮；第二级包括均布的偏心轴、摆线轮、轴承及行星架，其中：摆线轮包括第一摆线轮与第二摆线轮，行星架包括左侧行星盘与右侧行星盘，偏心轴轴伸端连接行星轮，偏心轴两偏心段上设有用以支承摆线轮的偏心轴轴承，偏心轴偏心段两侧轴伸用圆锥滚子轴承分别支承在左、右侧行星盘周边孔中，左、右侧行星盘用主轴承分别支承在内摆线齿圈两侧，输入轴用输入轴承分别支承在左、右侧行星盘中心孔，左侧行星盘上的凸缘穿过摆线轮相应孔与右侧行星盘连接成刚性体，摆线轮修形后：

（A）使内摆线齿与摆线齿槽间产生合理的径向间隙Δj，以保证额定扭矩下，摆线轮热膨胀不使啮合件处于过盈摩擦，因而合理的径向间隙Δj必与热膨胀量Ω相关：

径向间隙Δj =（0.18～0.5）Ω，

热膨胀量 Ω=(αt·Δt)d0，

式中：温升Δt=45℃，d0—为摆线轮齿顶圆与齿根圆平均直径，摆线轮轴承钢热膨胀系数 α_t=1.379·10^-5（1/℃）、Ω=(αt·Δt)d0=0.00062·d0，Δj与Ω的单位为mm；

（B）所述摆线轮采用正等距-正移距组合修形，其修形量取决于径向间隙Δj：

正等距修形量Δr_z=Δj/（1－K），正移距修形量ΔR_z=KΔr_z，Δr_z-ΔR_z=Δj， 式中：

K=（1-K₁ ²）^0.5、短幅系数K₁=e Z_b/Rz，e为偏心距，Z_b为针齿数，R_z为针齿中心圆半径，

（C）正等距修形量Δrz与正移距修形量ΔRz确定侧隙Δc大小，侧隙Δc则表征回差大小，根据消隙齿轮原理，RV减速机偏心轴的第一偏心段偏离微小角θ，使其中一摆线轮顺时针靠近内摆线齿；第二偏心段反向偏离微小角θ使另一摆线轮逆时针靠近内摆线齿，此时RV减速机偏心轴二偏心段相位差ΔΨ=180°- 2θ或 ΔΨ＜179°，以减小或消除回差。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述内摆线齿与摆线齿槽间的径隙Δj =（0.205 ～0.4）Ω。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述内摆线齿与摆线齿槽间的径隙Δj：0.21Ω≤Δj ≤ 0.3Ω。

在本实用新型一个较佳实施例中，对应于各种RV机型的侧隙Δc值的大小，根据消隙齿轮原理，偏心轴二偏心段的相位差ΔΨ=177.7°~178.9°。

在本实用新型一个较佳实施例中，对应于各种RV机型的侧隙Δc值的大小，根据消隙齿轮原理，偏心轴二偏心段的相位差：177.8°≤ΔΨ≤178.8°。

本实用新型的有益效果是：对摆线轮修形后，使得内摆线齿与摆线轮齿槽间产生合理间隙（径隙Δj与侧隙Δc），使减速机在额定负载下，摆线轮热膨胀时啮合件不被卡死。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：图1是本实用新型一较佳实施例的结构剖面示意图；

图中：1.内摆线齿圈、2.主轴承、3.第一摆线轮、4.行星轮、5.第二摆线轮、6.偏心轴、7.圆锥滚子轴承、8.偏心轴轴承、9.输入轴、10.输入轴轴承、11.左侧行星盘凸缘、12.右侧行星盘、13.左侧行星盘、14.太阳轮。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，本实用新型实施例包括：

一种工业机器人RV减速机，采用日本纳博RV结构以便于与之互换，具体结构包括内摆线齿圈1及置于其中的两级减速部件：第一级减速部件包括输入轴9、太阳轮14及行星轮4；第二级减速部件包括2～3只均布的偏心轴8、摆线轮及行星架，所述摆线轮包括第一摆线轮3与第二摆线轮5，所述行星架包括左侧行星盘13与右侧行星盘12，所述偏心轴6轴伸端连接行星轮15，所述偏心轴6两偏心段上设有用以支承摆线轮的偏心轴轴承8，偏心轴偏心段两侧轴伸用圆锥滚子轴承7分别支承在左侧行星盘13和右侧行星盘12周边孔中，左侧行星盘13和右侧行星盘12用主轴承2分别支承在内摆线齿圈1两侧内孔，所述输入轴9用输入轴轴承10分别支承在左侧行星盘13和右侧行星盘12中心孔，所述左侧行星盘13上均布的凸缘11穿过摆线轮相应孔与右侧行星盘12用螺钉与定位销连接成刚性体。

一种工业机器人内啮合RV减速机的摆线轮必须修形：

（A）在对所述摆线轮修形时，需要使内摆线齿与摆线齿槽间产生合理径隙Δj，以保证在额定扭矩下，摆线轮热膨胀不会使啮合件处于过盈摩擦，因而合理的径隙Δj必与热膨胀量Ω相关。

物理学阐明，固体在各方向上膨胀规律相同，即可用固体一个方向上的线膨胀规律来表征固体膨胀：αt= (d- d0)/(d0Δt)=Ω /(d0·Δt)，故：

摆线轮热膨胀量Ω=(αt·Δt)d0，因此有：

Δj =（0.18～0.5）Ω（mm），

热膨胀量Ω=（αt·Δt}）d0 = 0.00062·d0（mm）。

其中，d0—摆线轮齿顶圆与齿根圆平均直径，轴承钢热膨胀系数 αt=1.379·10^-5（1/℃），这些数据虽然有可能出现变化，但是均可以通过现在技术手段进行测得，温升Δt=45℃。

进一步地，所述内摆线齿与摆线轮齿槽之间的径向间隙Δj =（0.183 ～0.4）Ω。

更进一步地，所述内摆线齿与摆线轮齿槽之间的径向间隙Δj ：0.186Ω≤Δj ≤0.3Ω（mm），可以更精确的控制摆线轮的径向间隙。

（B）所述摆线轮采用正等距-正移距组合修形，其修形量取决于径向间隙Δj：

Δr_z=Δj/（1－K）、 ΔR_z=K Δr_z及 Δrz - ΔRz=Δj（mm），式中：

K=（1-K₁ ²）^0.5，短幅系数K₁=eZ_b/Rz，e为偏心距，Z_b为针齿数，Rz为针齿中心圆半径。

正等距-正移距修形的轮齿与内摆线齿间的作用力为负等距-负移距修形的49%；正等距-正移距修形的承载力为负等距-负移距修形的1.71倍。（《针摆传动齿形优化与动态回程误差分析》）

等距修形：砂轮磨削半径增大为正等距；反之，减小为负等距；

移距修形：磨轮背离工作台中心为正移距；反之，移进为负移距。

（C）正等距修形量Δrz与正移距修形量ΔRz确定侧隙Δc的值，侧隙Δc的值则表征回差大小，为消除回差，根据消隙齿轮原理，偏心轴二偏心段的相位差不能等于180°：第一偏心段偏离微小角θ，使摆线轮顺时针靠近内摆线齿；第二偏心段反向偏离微小角θ使另一摆线轮逆时针靠近内摆线齿，二偏心段相位差ΔΨ=180°- 2θ或 ΔΨ＜179°，以减小或消除回差。

侧隙Δc 值与内摆线齿相邻距偏差、摆线轮齿距偏差及装配偏差等因素及RV机型号有关。侧隙Δc过小时，摆线轮热膨胀使机件间处于过盈摩擦，导致噪声加大、磨损、振动及寿命缩短；侧隙Δc过大、且输入转速偏高时易出现振动。

消隙齿轮原理见于博士论文《消隙齿轮系统…及其动力学性能影响研究》：

“依靠提高加工精度的方法来保证传动精度，将大幅增加加工成本。…应该采用有效的侧隙消除方法来控制传动误差，提高机构的传动精度，…”。

“弹簧加载双片齿轮消隙机构 (简称消隙齿轮)，不仅能消除齿轮制造误差引起的齿隙，也能消除由温度变化而引起的空程，因而广泛应用于工业机器人、精密伺服机构、雷达天线及惯性稳定平台中得到大量应用。惯性稳定平台(ISP)用于卫星、导弹等机动载体系统”。

“消隙齿轮机构不但要求具有高速、高精度、高稳定性的动力学特性，而且其齿轮系统工作在频繁启动、制动、正反转的载荷环境下，工况变化较大。”

进一步地，对应于各种机型的侧隙Δc值的大小，根据消隙齿轮原理，

偏心轴二偏心段的相位差ΔΨ=177.7°~178.9°。

更进一步地，对应于各种机型的侧隙Δc值的大小，根据消隙齿轮原理，

偏心轴二偏心段的相位差：177.8°≤ΔΨ≤178.8°。

本实用新型偏心轴二偏心段相位差ΔΨ≠180° 就形成如同高精度数控机床的消隙齿轮，一种消隙摆线轮结构，具有消除回差的效果，其要求修形的精度远低于RV-250AⅡ的0.001（mm）。

理论计算证实偏心段相位差：177.8°≤ΔΨ≤178.8°时，由于偏心段顺时针与逆时针绕转子（即：偏心段）质心的偏转呈细月牙形，质量很小，因而不平衡离心力很小，见下表：

进一步计算证实，偏心段相位差：177.8°≤ΔΨ≤178.8°时，其最大许用不平衡度达到G1级。平衡品质有11级：G0.4级、G1级、G2.5级、G6.3级……、G1600级及G4000级。

以RV-80E为例：二偏心段质量m=192（g）、转速n=1000rpm，

许用不平衡度eper=1.0（60·10³/2π·1000）= 9.55（g·mm/kg），

许用不平衡量Uper=m· eper=（192/1000）·9.55=1.834·10³（g·mm），

Uper Ⅰ=1.834·10³（0.5L/L）=0.917·10³（g·mm），UpeⅡ= Uper Ⅰ，

因而 Uper Ⅰ+UpeⅡ=0.917·10³+0.917·10³=1.834·10³（g·mm）。

本实用新型工业机器人内啮合RV减速机的有益效果是：

（1）本实用新型摆线轮修形后，针销与摆线轮齿槽间产生合理间隙（径隙Δj与侧隙Δc），使减速机在额定负载下，摆线轮热膨胀时啮合件不被卡死；

（2）本实用新型可以制成小机型取代谐波减速器，内摆线齿圈大大简化了结构；

（3） 本实用新型凹-凸啮合, 当量曲率半径小因而承载能力比摆线针轮结构大50%，能在啮合节点附近强制形成高压油膜，液体摩擦润滑状态，使传动效率比摆线针轮结构大5%。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种工业机器人内啮合RV减速机，包括：内摆线齿圈及置于其中的两级减速部件：第一级减速部件包括输入轴、太阳轮及行星轮；第二级减速部件包括2～3只均布的偏心轴、摆线轮及行星架，所述摆线轮包括第一摆线轮与第二摆线轮，所述行星架包括左侧行星盘与右侧行星盘，所述偏心轴轴伸端连接行星轮，所述偏心轴二偏心段上设有用以支承摆线轮的偏心轴轴承，偏心轴偏心段两侧轴伸用圆锥滚子轴分别支承在左侧行星盘和右侧行星盘周边孔中，左侧行星盘和右侧行星盘用主轴承分别支承在内摆线齿圈两侧内孔，所述输入轴用输入轴轴承分别支承在左侧行星盘和右侧行星盘中心孔，所述左侧行星盘上均布的凸缘穿过摆线轮相应孔与右侧行星盘用螺钉与定位销连接成刚性体，其特征在于：

（A）所述摆线轮必须修形，且必须使内摆线齿与摆线齿槽间产生合理的径向间隙Δj，以保证额定扭矩下，摆线轮热膨胀不使啮合件处于过盈摩擦，因而径隙Δj必与热膨胀量Ω相关：

径向间隙 Δj =（0.18～0.5）Ω

摆线轮热膨胀量Ω=（α_t·Δt）d0

式中：温升Δt=45℃，d0为摆线轮齿顶圆与齿根圆平均直径；

（B）所述摆线轮采用正等距-正移距组合修形，其修形量取决于径向间隙Δj：

正等距修形量Δr_z=Δj/（1－K）、正移距修形量ΔR_z=K Δr_z，式中：

K=（1-K₁ ²）^0.5、短幅系数K₁=eZ_b/Rz，e-偏心距、Z_b-针齿数、Rz-针齿中心圆半径；

（C）正等距修形量Δrz与正移距ΔRz确定了侧隙Δc大小，侧隙Δc则表征回差大小，为消除回差，根据消隙齿轮原理，偏心轴二偏心段相位差ΔΨ不能等于背景技术的180°：第一偏心段偏离微小角θ使摆线轮顺时针靠近内摆线齿；第二偏心段反向偏离微小角θ使另一摆线轮逆时针靠近内摆线齿，二偏心段相位差ΔΨ=180°- 2θ或ΔΨ＜179°，以减小或消除回差。

2.根据权利要求1所述的工业机器人内啮合RV减速机，其特征在于：所述内摆线齿圈与摆线轮齿槽之间的径向间隙Δj =（0.183 ～0.4）Ω。

3.根据权利要求2所述的工业机器人内啮合RV减速机，其特征在于：所述内摆线齿圈与摆线轮齿槽之间的径向间隙Δj ：0.186Ω≤Δj ≤ 0.3Ω。

4.根据权利要求1所述的工业机器人内啮合RV减速机，其特征在于：对应于RV机型的侧隙Δc值的大小，根据消隙齿轮原理，偏心轴二偏心段的相位差：ΔΨ=177.7°~178.9°。

5.根据权利要求4所述的工业机器人内啮合RV减速机，其特征在于：对应于RV机型的侧隙Δc值的大小，根据消隙齿轮原理偏心轴二偏心段的相位差：177.8°≤ΔΨ≤178.8°。

6.根据权利要求2所述的工业机器人内啮合RV减速机，其特征在于：对应于RV机型的侧隙Δc值的大小，根据消隙齿轮原理偏心轴二偏心段的相位差：ΔΨ=177.7°~178.9°。

7.根据权利要求6所述的工业机器人内啮合RV减速机，其特征在于：对应于RV机型的侧隙Δc值的大小，根据消隙齿轮原理偏心轴二偏心段的相位差：177.8°≤ΔΨ≤178.8°。

8.根据权利要求3所述的工业机器人内啮合RV减速机，其特征在于：对应于RV机型的侧隙Δc值的大小，根据消隙齿轮原理偏心轴二偏心段的相位差：ΔΨ=177.7°~178.9°。

9.根据权利要求8所述的工业机器人内啮合RV减速机，其特征在于：对应于RV机型的侧隙Δc值的大小，根据消隙齿轮原理偏心轴二偏心段的相位差：177.8°≤ΔΨ≤178.8°。

10.根据权利要求1-9任一所述工业机器人内啮合RV减速机，其特征在于：摆线轮轴承钢热膨胀系数αt=1.379·10^-5（1/℃），Ω=（αt·Δt）d0 = 0.00062·d0，Δj和Ω的单位为mm。

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