工業(yè)機器人及應(yīng)用-項目2_2-諧波減速器課件

1、項目二、任務(wù) 2 基本概念：機器人結(jié)構(gòu)簡單，配套部件種類單一；關(guān)鍵部件：諧波減速器（哈默納科）、RV減速器（納博特斯克），占機械成本7080%。其他專業(yè)廠生產(chǎn)的功能部件：CRB軸承；同步帶、滾珠絲杠、直線導軌（通用，數(shù)控課程介紹）。一、諧波減速器1. 基本概念要點美國C . W. Musser（馬瑟）1955年發(fā)明 ；日本Harmonic Drive System（哈默納科）是全球最早、最大、最著名，幾乎唯一的生產(chǎn)企業(yè)；國內(nèi)已有產(chǎn)品，但性能差距十分大。全稱諧波齒輪傳動裝置（Harmonic gear drive）；諧波齒輪傳動裝置可用于減速，也可用于升速；在機器人上，總是用于減速，故稱諧波減速

2、器；是目前減速比最大（可達320 ）的減速器。 概念辨析：速比、傳動比、減速比概念辨析（ 非常重要?。┧俦?國外（如日本）常用術(shù)語 速比 = 輸出轉(zhuǎn)速 / 輸入轉(zhuǎn)速 減速器的“速比”總是小于1。傳動比 國內(nèi)常用術(shù)語 傳動比 = 輸入轉(zhuǎn)速 / 輸出轉(zhuǎn)速 減速器的“傳動比”總是大于1。減速比 國內(nèi)、外通用術(shù)語 減速比 = 輸入轉(zhuǎn)速 / 輸出轉(zhuǎn)速 減速器的“減速比”總是大于1。2. 結(jié)構(gòu)與原理基本結(jié)構(gòu) 非常簡單，只要剛輪、柔輪、諧波發(fā)生器3個部件。諧波發(fā)生器柔輪剛輪剛輪（Circular Spline） 有連接孔的剛性內(nèi)齒圈；齒數(shù)比柔輪略多（一般多2或4個）；有時直接加工在CRB軸承上（單元型減速器

3、）。 柔輪（Flex Spline） 薄壁金屬彈性外齒圈 ，減速器關(guān)鍵部件；齒形與剛輪相同，齒數(shù)比剛輪少2或4個）；柔輪可以制成類似水杯（Cup）、禮帽（Silk Hat） 、薄餅（Pancake）等形狀。 諧波發(fā)生器（Wave Generator ）內(nèi)芯為橢圓凸輪，外圈為彈性薄壁滾珠軸承；凸輪與輸入軸可采用柔性聯(lián)軸器、剛性法蘭連接。變速原理 參見P51、圖2.2-2。諧波發(fā)生器回轉(zhuǎn)柔輪一齒、一齒與剛輪嚙合 由于柔輪、剛輪只能一齒一齒嚙合，如柔輪齒數(shù)少于剛輪，回轉(zhuǎn)一圈后，柔輪基準齒將偏移剛輪基準齒一個齒差（2或4齒）。 結(jié)論： 可將諧波發(fā)生器（輸入）的360回轉(zhuǎn)變成柔輪（輸出）一個齒差的偏轉(zhuǎn)，

4、輸出/輸入速比為： i =（ Z c Z f ）/ Z f Z c：剛輪齒數(shù)；Z f ：柔輪齒數(shù) 定義: 基本減速比 R = 1/ i = Z f / （ Z c Z f ） 以符號 “-” 表示輸出與輸入轉(zhuǎn)向相反。 典型應(yīng)用：速比 i = -1/ R減速比：-R速比 i = 1/ （R + 1）減速比：R+1諧波發(fā)生器輸入諧波發(fā)生器輸入剛輪固定剛輪輸出柔輪輸出柔輪固定主要特點承載能力強、傳動精度高。 基本概念：同時嚙合的齒數(shù)越多，承載能力越強、傳動精度越高。 普通齒輪：同時嚙合齒12對（27%），傳動精度61510-4rad ； 諧波減速器：同時嚙合齒數(shù)十對（30%），傳動精度1.5410-

5、4rad 。 數(shù)控機床回轉(zhuǎn)軸精度：210-5rad。 非常重要！ 1 arc min = 1 /60 = 2.9110-4rad 1 arc sec = 1 /3600 = 4.8510-6rad 傳動比大，但傳動效率較低 。 基本概念： 普通齒輪：傳動比810，傳動效率9098%； 諧波減速器：傳動比30320，傳動效率4090%； 重要！提高減速比、工作溫度和輸出轉(zhuǎn)矩，可提高效率。結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕、使用壽命長。 只有3個零件，壽命700010000h（哈默納科）傳動平穩(wěn)，無沖擊、噪聲小 ，安裝調(diào)整方便 。對材料（特別柔輪）要求極高。 國產(chǎn)諧波減速器還遠遠達不到7000h。3. 可選

6、結(jié)構(gòu) 柔輪形狀、輸入連接方式可選。柔輪形狀 水杯形（Cup type） 禮帽形（Silk Hat type） 薄餅形（Pancake type）水杯形（Cup type ）外徑小、剛性好；不能為“中空” 結(jié)構(gòu)，對連接面要求較高。禮帽形（ Silk Hat type ） 端面敞開、安裝方便，對連接面要求較低；可采用“中空”結(jié)構(gòu)； 外徑大、剛性較差 。 薄餅形（ Pancake type ） 超薄型減速器特殊結(jié)構(gòu)，可大大減少軸向尺寸； 不能直接固定或連接負載，必須使用第2剛輪 ； 承載能力強，安裝要求特殊，連續(xù)工作要求油潤滑（脂潤滑：減速器平均輸入轉(zhuǎn)速、負載率ED% 10%、運行時間 10min）

7、。輸入連接方式 可選柔性軸孔（帶聯(lián)軸器）、剛性軸孔、剛性法蘭。柔性軸孔剛性軸孔剛性法蘭凸輪軸承軸套聯(lián)軸器軸承凸輪柔性軸孔（標準結(jié)構(gòu) ）輸入軸與軸套孔采用平鍵連接、軸套與凸輪通過奧爾德姆聯(lián)軸器（Oldmans Coupling） 連接；具有偏心自動調(diào)整功能，對輸入軸和減速器的同軸度要求低；聯(lián)軸器存在間隙，不能為“中空”結(jié)構(gòu)。 奧爾德姆聯(lián)軸器（十字滑塊聯(lián)軸器）原理輸入十字滑塊輸出剛性軸孔連接軸孔直接加工在凸輪體上，輸入軸與凸輪采用平鍵連接；不能為“中空” 結(jié)構(gòu)；剛性、無間隙連接，不具備自動調(diào)心功能。剛性法蘭連接面、孔直接加工在凸輪體上，輸入軸與凸輪用法蘭（內(nèi)孔、端面定位）連接、螺釘固定；輸入軸可為

8、“中空” 結(jié)構(gòu)；剛性、無間隙連接，不具備自動調(diào)心功能。4. 產(chǎn)品型式部件型（Component type ）只提供剛輪、柔輪、諧波發(fā)生器3個部件；規(guī)格全、價格低、使用靈活；減速器需用戶現(xiàn)場安裝，裝配要求高；支承柔輪的輸出軸承需用戶設(shè)計、安裝；需用戶充填潤滑脂、維護工作量大；柔輪形狀、輸入連接方式可選。 常用產(chǎn)品： 標準水杯形、標準禮帽形、標準博餅形。標準水杯形（P56、圖2.2-9）標準結(jié)構(gòu)；柔輪為水杯形，輸入為柔性軸孔連接。剛輪凸輪軸套柔輪輸入軸平鍵標準禮帽形（P56、圖2.2-10）標準結(jié)構(gòu)；柔輪為禮帽形，輸入為柔性軸孔連接。剛輪凸輪軸套柔輪輸入軸平鍵標準薄餅形（P57、圖2.2-11）標

9、準結(jié)構(gòu)；柔輪為薄壁外齒圈、通過1:1傳動的剛輪S連接負載（或固定）；輸入為剛性軸孔連接。剛輪S凸輪柔輪輸入軸平鍵剛輪D單元型（Unit type ）減速器、CRB軸承、殼體統(tǒng)一設(shè)計，可整體安裝；剛輪、柔輪間有CRB軸承；可直接連接負載；帶有密封殼體，工作可靠性高；無需用戶現(xiàn)場組裝，使用簡單、方便；無需用戶充填潤滑脂，維護工作量??；輸入連接可選擇標準軸孔、中空軸、標準軸。 變形產(chǎn)品：簡易單元型（Simple unit type ）單元型的簡化結(jié)構(gòu)，有CRB軸承，但無殼體；性能、價格介于部件型、單元型之間；減速器無需用戶現(xiàn)場組裝，但潤滑脂需用戶充填；柔輪均為禮帽形，輸入連接可為標準軸孔、中空軸。標

10、準單元型（P57、圖2.2-12）水杯形柔輪、柔性軸孔輸入，剛輪與殼體一體。剛輪凸輪CRB柔輪連接板中空軸單元型（P58、圖2.2-13）禮帽形柔輪，輸入軸中空、用前后端蓋支承、密封。剛輪中空軸&凸輪CRB柔輪端蓋端蓋軸輸入單元型（P58、圖2.2-14）禮帽形柔輪、標準軸輸入，有前后端蓋支承、密封。剛輪輸入軸CRB柔輪端蓋端蓋凸輪簡易標準單元（P58、圖2.2-15）禮帽形柔輪、標準軸孔輸入，無前后支承、密封端蓋。剛輪CRB柔輪凸輪簡易中空單元（P59、圖2.2-16）禮帽形柔輪、標準軸孔輸入，無前后支承、密封端蓋。剛輪中空軸&凸輪CRB柔輪其他產(chǎn)品齒輪箱型（Gear head type ）

11、可直接安裝電機、直接驅(qū)動負載（P35圖2.2-7）?；剞D(zhuǎn)執(zhí)行器（Rotary Actuator ）電機、減速器集成一體，典型機電一體化。 練一練 ： 完成 P68，技能訓練三、RV減速器1. 基本概念要點旋轉(zhuǎn)矢量（Rotary Vector）減速器的簡稱 ；日本Nabtesco Corporation（納博特斯克）1985年研發(fā)；減速原理 = 擺線針輪減速 + 行星齒輪減速；納博特斯克是全球最早、最大、最著名，幾乎唯一的RV減速器生產(chǎn)企業(yè)；國內(nèi)有山寨產(chǎn)品，但性能差距十分大；實際也可用于升速；在機器人上，總是用于減速，故稱RV減速器。2. 結(jié)構(gòu)與原理基本結(jié)構(gòu) 復雜，包括行星齒輪、曲軸、擺線針輪3

12、大部分。輸入太陽輪行星齒輪2. 行星齒輪曲軸RV齒輪3. RV齒輪針齒銷針輪 傳動路線太陽輪（輸入軸）帶動行星齒輪（2或3個）旋轉(zhuǎn) ； 第一級、正齒輪減速；行星齒輪帶動曲軸（2或3根）旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)曲軸帶動RV齒輪（2片）擺動；RV齒輪通過針齒銷推動針輪偏轉(zhuǎn)； 簡單RV減速器有時直接將RV齒輪、針輪做成齒輪，省略針齒銷。 RV齒輪和針輪存在齒差（一般為1） ，RV齒輪旋轉(zhuǎn)一周，只能推動針輪偏轉(zhuǎn)一個齒差。 第二級、差動齒輪變速。變速原理 觀看原理視頻曲軸回轉(zhuǎn)RV齒輪和針輪嚙合位置（最高點）一齒、一齒順時針移動針齒銷推動針輪緩慢偏轉(zhuǎn) 差動齒輪變速原理曲軸回轉(zhuǎn)360，針輪偏移1個齒差 結(jié)論： 可將曲軸（

13、行星齒輪）的360回轉(zhuǎn)變成針輪（輸出）一個齒差的偏轉(zhuǎn)。 第一級（正齒輪減速）輸出/輸入速比 i 1 = Z 1 / Z 2 Z 1：太陽輪齒數(shù)；Z2：行星齒輪齒數(shù)第二級（差動齒輪變速，針輪輸出時） i 2 =（ Z 4 Z 3 ）/ Z 4 Z 4 ：針輪齒數(shù)（針齒銷數(shù)）；Z3 ：RV齒輪齒數(shù) 如齒差為1，則（ Z 4 Z 3 ）= 1 i 2 =（ Z 4 Z 3 ）/ Z 4 = 1 / Z 4 總變速比（針輪輸出/太陽輪輸入，齒差為1） i =（ Z 1 / Z 2 ）（1 / Z 4 ）= Z 1 / ( Z 2 Z 4 )變速比 定義: 基本減速比 R = 1 + ( Z 2 Z 4

14、 ) / Z 1 以符號 “-” 表示輸出與輸入轉(zhuǎn)向相反。 典型應(yīng)用：速比 i = - 1 / (R 1)減速比：-（ R 1 ）太陽輪輸入針輪輸出RV齒輪固定針輪固定RV齒輪輸出太陽輪輸入速比 i = 1 / R減速比：R主要特點（相比諧波減速器）減速比較大、結(jié)構(gòu)剛性更好。 原因：齒差?。ㄍǔ?）、2級減速（減速比相乘，R= 30260）；針齒銷直徑較大、剛性高（諧波齒輪減速器柔輪為薄壁、小齒）。傳動間隙較大、傳動精度較低。 原因：2級齒輪傳動 + 曲軸擺動，必然存在間隙；降低傳動精度。結(jié)構(gòu)復雜，安裝、調(diào)試、維修不及諧波減速器方便。 原因：零件多、不能分離安裝。 結(jié)論：諧波減速器：適合手腕

15、（小體積、高精度）；RV減速器：適合機身（高剛性、大轉(zhuǎn)矩）。3. 產(chǎn)品型式 有基本型 、單元型（分標準型、緊湊型、中空型）、齒輪箱型（分高速型、標準型、基座型）3大類?；拘停∣riginal type ） P94、圖4.3-1, P99、圖4.3-4； 由外向內(nèi)（徑向）可分針輪層、RV齒輪層、芯軸層3層，每一層均可旋轉(zhuǎn)。針輪層RV齒輪層芯軸層針輪層由針輪和針齒銷組成；針輪是加工有法蘭和安裝孔的內(nèi)齒圈；針齒銷用來代替齒輪直接嚙合，減小摩擦阻力。 RV齒輪層（最復雜）包括RV齒輪、端蓋、輸出法蘭、曲軸組件等；RV齒輪、端蓋、輸出法蘭均為中空結(jié)構(gòu)，中間用來安裝芯軸；端蓋和輸出法蘭用來安裝曲軸支承軸

16、承，兩者通過法蘭上的腳狀支架（23個）連為一體；腳狀支架所空出的空間用來安裝曲軸；RV齒輪套在腳狀支架外圓上，可偏擺、不能回轉(zhuǎn)； 曲軸組數(shù)量與減速器規(guī)格（輸出轉(zhuǎn)矩大?。┯嘘P(guān)，小規(guī)格2組，中、大規(guī)格為3組。 芯軸層包括芯軸和太陽輪，安裝在減速器中心；中空型減速器的芯軸為空心軸；同規(guī)格減速器的減速比，通過正齒輪速比改變；減速比大、太陽直徑小，芯軸、太陽輪一體；太陽輪齒輪直接加工在芯軸上；減速比小、太陽直徑大，芯軸、太陽輪分離；太陽輪套在芯軸上。芯軸為花鍵軸，太陽輪的外圈為齒輪、內(nèi)圈為花鍵。單元型標準單元型 P99、圖4.3-5 采用標準單元型結(jié)構(gòu)，減速器端蓋、輸出法蘭和針輪間，有1對（2只）高剛性、角接觸球軸承（和基本型的區(qū)別）； 減速器可直接安裝、并連接負載，使用更方便 。輸出軸承緊湊單元型 P100、圖4.3-6 減速器端蓋、輸出法蘭和針輪間，同樣有1對（2只）高剛性、角接觸球軸承； 芯軸（太陽輪）安裝在輸出法蘭側(cè)、不穿越減速器；減速器外徑小、結(jié)構(gòu)緊湊； 減速器可直接安裝、并連接負載。中空單元型 P100、圖4.3-7 端蓋、RV齒輪、輸出法蘭結(jié)構(gòu)同標準單元型，但中空直徑更大； 太陽輪為中空雙聯(lián)齒輪，安裝在輸出法蘭側(cè)； 減速器中空區(qū)域，可以安裝電纜、管線。齒輪箱型高速型（ P101、圖4.3-8 ）可直接安裝電機、使減速器電機一體化；輸出可以為軸或法蘭；減速