机器人学论文

1、机器人用减速器的概述引言随着知识经济时代的到来，高技术及其产业化已成为世人瞩目的焦点，机器人技术作为高技术的一个重要分支普遍受到各国政府的重视，已经成为制造业中不可缺少的重要装备和手段，同时也成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。机器人关键基础部件主要分成以下三部分：高精度机器人减速器，高性能交直流伺服电机和驱动器，高性能机器人控制器。为了保证机器人具有良好的动态特性和运动精度要求这些驱动装置具有运动精度高、扭转刚度大、回差小、抗冲击能力强、结构紧凑、效率高等优点。为达到这目的各个国家相继开发出了各具特色的传动装置，其中最为广泛应用的是RV减速器和谐波传动减速器，RV减速器是一种由针

2、摆传动机构与k-v轮系组合发展起来的封闭行星传动机构；谐波齿轮减速器是一种由固定的内齿刚轮、柔轮、和使柔轮发生径向变形的波发生器组成，它们主要应用于机器人的伺服传动机构中。本文只是简单地介绍一些谐波传动减速器和RV减速器方面的相关知识。1 谐波传动减速器1.1 谐波齿轮传动的形成和发展谐波齿轮传动机构是随着空间技术的发展需要应运而生的一种齿轮传动机构。1955 年美国C.W.麦塞尔制成了世界第一台谐波齿轮减速器，并于1959 年获得专利。1961 年中国上海纺织科学研究院孙伟工程师通过杂志将其专利介绍给我国读者。60 年代中期，美国USM 公司首先将其转化为商品并完成了“HDU 通用减速器的系

3、列”；60 年代末70 年代初，中国的一些谐波齿轮学者对其啮合原理和共轭齿形进行了大量研究工作。1978 年，范又功等编著了我国第一部谐波齿轮传动的专著谐波齿轮传动。在此期间，苏联也完成了“全苏联通用谐波减速器标准”的制定。此后，我国也积极引进并研究发展该项技术，1983 年成立了谐波传动研究室，1984 年“谐波减速器标准系列产品”在北京通过鉴定，1993 年制定了GB/ T 14118- 93 谐波传动减速器标准，并且在理论研究、试制和应用方面取得了较大的成绩，成为掌握该项技术的国家之一。进入21 世纪以来，随着工业智能机器人、数控机床、医疗器械、无线电通讯设备等民用设备仪器的质量、性能、

4、可靠性的不断提高以及武器装备的不断更新换代，对其中的谐波齿轮传动提出越来越高的要求。目前谐波齿轮传动技术主要向小型化、高效率、高精密、高寿命等方向发展。1.2 谐波齿轮传动的工作原理及特点谐波传动减速器主要由刚轮、柔轮和波发生器构成，如图1.1所示。柔轮装配在钢轮内，其齿数比钢轮略少，波发生器装在柔轮内，其直径比柔轮略大，装入后迫使柔轮产生变形，从而使柔轮长轴两端与钢轮正好啮合，短轴两端完全脱离，这样，柔轮便可以与钢轮之间完成运动与动力的传递。传动过程中，一般有30%左右的齿处于啮合状态，处于脱开状态的部分称为非啮合区；柔轮从啮合区到非啮合区是逐渐啮出的过程，从非啮合区到啮合区是逐渐啮入的过程

5、。图1.1 谐波减速器结构图1.3 谐波齿轮传动的特点1.3.1 谐波传动的主要优点(1) 结构简单，零件少，体积小，重量轻。与传动比相当的普通减速器比较，其零件约减少50，体积和重量均减少13以上。(2) 传动比大，传动比范围广。单级谐波减速器传动比可在50-300之间，双级谐波减速器传动比可在300060000之间，复波谐波减速器传动比可在100 14000之间。(3) 由于同时啮合的齿数多，齿面相对滑动速度低，使其承载能力高，传动平稳且精度高，噪声低。(4) 谐波齿轮传动的回差较小，齿侧间隙可以调整，甚至可实现零侧隙传动。(5) 在采用如电磁波发生器或圆盘波发生器等结构型式时，可获得较小

6、转动惯量。(6) 谐波齿轮传动还可以向密封空间传递运动和动力，采用密封柔轮谐波传动减速装置，可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空间的机构。(7) 传动效率较高，且在传动比很大的情况下，仍具有较高的效率。1.3.2 谐波传动的主要缺点(1)柔轮周期性变形，工作情况恶劣，从而易于疲劳损坏。(2)柔轮和波发生器的制造难度较大，需要专门设备，给单件生产和维修造成了困难。(3)传动比的下限值高，齿数不能太少，当波发生器为主动时，传动比一般不能小于35。(4)起动力矩大。1.4 谐波传动发展趋势及待研究解决的问题随着工业智能机器人、数控机床、医疗器械、无线电通讯设备等民用设备仪器的质量、性能、可

7、靠性的不断提高以及武器装备的不断更新换代，也就必然对其中的谐波齿轮传动提出越来越高的要求。谐波齿轮传动装置的小型化、高精度和高可靠性将是谐波齿轮传动的主要发展趋势，即齿轮模数将越来越小，零部件精度越来越高，零件材料性能更加优良，短筒柔轮将得到普遍应用，传动装置的体积和重量越来越小，结构更加紧凑合理，可靠性不断提高。虽然谐波齿轮传动的研究已经取得了很大的进展，但仍然需要进一步研究解决如下问题：1)短筒柔轮的变形力和应力随着筒长的减小而急剧增加的问题；2)高强度短筒柔轮材料试验研究及尺寸限制条件下短筒柔轮的优化设计问题；3)研究新齿形，解决制齿方法和工艺问题；4)超小模数短筒柔轮和刚轮的制造问题等

8、。这些问题的解决，必将使谐波齿轮传动产品得到更广泛的应用。2 RV减速器2.1 RV减速器简介RV（Rotate Vector）传动是一种新型的二级封闭行星轮系，是在摆线针轮传动基础上发展起来的一种新型传动，经常作为各种需要具有紧密运动的装置牵系减速器，在机器人领域占着主导地位。 图2.1 RV减速器机构RV传动是新兴起的一种传动，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且因为具有体积小、重量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点，日益受到国内外的广泛关注。它较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

9、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。2.2 RV减速器传动原理及机构特点图2.2是RV减速器传动简图。它由渐开线圆柱齿轮行星减速机够和摆线针行星减速机构两部分组成。渐开线行星齿轮2与曲柄轴3连成一体，作为摆线针轮传动部分的输入。如果渐开线中心齿轮1顺时针方向旋转，那么渐开线行星齿轮在公转的同时还有逆时针方向自传，并通过曲柄轴带动摆线轮作偏心运动，此时，摆线轮在其轴线公转的同时，还将方向自转，即顺时针转动。同时还通过曲柄轴推动钢架结构的输出机构顺时针方向转

10、动。按照封闭差动轮系求解传动比基本方法，可以计算出RV传动的传动计算公式 i16=1+Z1Z2Z5 （1）式中 z1-渐开线中心轮齿数； z2-渐开线行星轮齿数； z4-摆线轮齿数； z5-针轮齿数；图2.2 RV减速器传动简图1中心轮；2行星轮；3曲柄轴4摆线轮；5针齿；6输出轴；7针齿壳2.3 RV传动的特点RV减速器传动作为一种新型传动，从结构上看，其基本特点可以概括如下(1) 传动比范围大，因为即使摆线齿数不变，只改变渐开线齿数就可以得到很多的速度比，其传动比大约为i=31171，易产生系列产品。(2) 扭转刚度大，输出机构即为两端支承的行星架，用行星架左端的刚性大圆盘输出，大圆盘与工

11、作机构用螺栓联结，其扭转刚度远大于一般摆线针轮行星减速器的输出机构。在额定转矩下，弹性回差小。(3) 传动效率高，其传动效率=0.850.92，RV传动由太阳轮输入，经行星轮形成功率分流，由支撑圆盘输出，同时，RV传动避免了少齿差传动输出机构的各种弊端，因而可实现高效率，大功率传动。(4) 传递同样转矩与功率时的体积小(或者说单位体积的承载能力小)，RV减速器由于第一级用了三个行星轮，特别是第二级，摆线针轮为硬齿面多齿啮合，这本身就决定了它可以用小的体积传递大的转矩，又加上在结构设计中，让传动机构置于行星架的支承主轴承内，使轴向尺寸大大缩小，所有上述因素使传动总体积大为减小。如果传动机构置于行

12、星架的支撑主轴承内，那么这种传动的轴向尺寸可大大缩小。采用二级减速机构，处于低速级的摆线针轮行星传动更加平稳，同时由于转臂轴承个数增多且内外环相对转速下降，其寿命也可大大提高。(5) 只要设计合理，就可以获得很高的运动精度和很小的回差。(6) 体积和重量，RV传动采用中心圆盘支承，内部采用超薄主轴承，使轴向尺寸大大减小，因而结构紧凑、体积小、重量轻，很适合机器人关节传动。由于RV传动具有以上优点, 不仅适用于机器人传动, 而且还可用千机床领域、起重运输、印刷机械、纺织机械以及机械化、自动化领域中的精密传动。2.4 RV减速器国内外的发展现状RV传动的概念最早是在上世纪八十年代初由日本帝人株式会

13、社首次提出的，当时由于市场对机器人运动精度要求的不断增高使得该公司开始着手开发研制了可以用于增强机器人性能，提高其运动精度的减速装置，并起名为RV传动。根据库氏分类方法，该传动属2K-V型行星传动。直到1986年，该公司RV减速器的研究才有了突破性进展并取得了成果，之后迅速实现了商业化生产。从那以后，该公司就一直致力于RV减速器的研究，特别是近几年，更是把研究的重点放在RV减速器传动精度的提高上来，同时也研究了RV减速器动态特性作用规律。到目前为止，日本的住友重机公司作为国际上制造摆线针轮减速器的最大规模的企业之一，基本上已经垄断了国外摆线减速器的市场，特别是进入20世纪90年代以来，该公司先

14、后推出了“200系列”、“R-V系列”、“FA高精传动系列”、“FT传动系列”等型号的减速装置，它的产品传动比范围大，一级传动比最小为6，最大可达119；应用的范围广阔，既适用于通用传动又适用于专业机器人传动。2000年以后，日本住友公司又推出了“6000系列”，其单级机型有三十八种之多，同时还增加了减速器的型号，扩展了电动机容量的组合，给用户以更多的选择。我国对摆线针轮传动的研究起步比较晚，上世纪六十年代从国外引进，但基本上是从本世纪70年代中期开始的。为了赶超世界先进水平，填补国内空白和发展我国的机器人事业，开发研制用于机器人传动装置的RV传动已被国家列“九五"关键技术攻关项目。

15、通过国内对机器人用RV传动进行了深入全面系统的理论分析研究，不仅总结出一整套适用于机器人的高运动精度、小回差、高刚性的RV传动的优化设计理论，而且应用该理论成果成功地研制出的机器人用RV一250AII减速器样机，研究成果所提出的机器人用高精度RV传动的优化设计理论与优化新齿形以及研制的样机属国内首创，样机的主要技术性能达到九十年代国际同类产品的先进水平。尤其是近几年来，由于国家的大力支持与资助，许多高等院校与企业联合共同研制新型摆线针轮传动，不仅填补了国内空白，而且达到了国际先进水平。由于其具有传动比范围大、承载能力强、结构紧凑和工作寿命长等优点，目前已经成为产量最大的通用减速传动装置。但从整

16、体性能、传动精度、承载能力、疲劳寿命以及新产品的研发更新上，同日本的最新RV系列产品还有一定差距，所以在RV传动领域还有很多工作需要做。2.3 提高机器人用RV减速器运动精度的机理作为机器人用的RV减速器，最重要的性能指标是必须具有高的运动和位置精度，这样才能使机器人的工作机构精确地达到预定的位置，运动精度的保证主要依靠对传动链误差的严格控制。由RV减速器的组成可知，从输入到输出主要通过渐开线行星齿轮传动、摆线针轮行星传动和摆线轮与输出盘之间的行星架输出机构而实现的。理论上，输人轴和输出轴之间的瞬时传动比应该是不变值，但实际上由于组成RV减速器的上述三大部分构成的传动链的传动零件在制造和装配上

17、的误差和配合间隙的存在, 使瞬时速比发生变化，从而引起转角误差。由于摆线针轮行星传动部分和行星架输出机构部分对RV减速器传动误差的影响直接反映到输出轴上, 因此影响程度大，而处于第一级的渐开线行星齿轮传动部分对减速器传动误差的影响要缩小相当于传动比那么多倍，因而影响相对要小得多。为了保证RV减速器的运动精度，重点是控制好摆线针轮行星传动部分和行星架输出机构的传动链误差。提高机器人用减速器运动精度，最关键的技术有以下三方面：(1) 摆线轮创新采用负等距与负移距修形优化组合的新齿形，实现多齿共扼啮合，瞬时传动比恒定，这不仅提供了保证运动精度高最必要的条件，还可减少因其他零件配合间隙造成的摆线轮与针

18、齿间超过需要的侧隙，使间隙回差减少，除此以外，由于多齿同时啮合，还提高了单位体积的承载能力、啮合刚度，从而又减少了因弹性变形引起的弹性回差。(2) 严格控制影响RV减速器大、小周期传动误差的主要因素：针齿壳上针齿销孔圆周方向位置有效相邻误差；针齿壳上针齿销孔径向位置有效相邻误差；摆线轮有效周节误差；针齿壳上针齿销孔位置累积误差；摆线轮周节累积误差；摆线轮齿圈径跳误差；行星架组合件三孔中心的几何中心相对于行星架轴颈中心线的偏心误以及行星架输出机构中的杆长制度偏差和铰接副中的间隙。要根据制造装备与工艺可以达到的最高精度，严格并合理确定限制上述误差的公差范围。(3) 制定合理的零件制造工艺和可以补偿

19、相关零件制造误差的装配工艺。2.4 减少机器人用RV减速器回差的机理回差是指输人轴反向转动时, 输出轴在运动上滞后于输入轴的现象，对RV减速器，常说的不带任何定语的“ 回差”是指在加3%额定转矩以克服内部摩擦和油膜阻力后，在无弹性变形且各部均良好接触的情况下，由于渐开线传动和摆线针轮传动中的齿侧间隙、轴承间隙等几何因素引起的输出轴转角值，即间隙回差。回差的存在使齿轮系统变向传动时, 输出轴与输人轴短时间内失去运动联系, 造成输的瞬时突然中断, 使运动传递关系成为非线性。对反馈控制系统具有直接的影响, 同时还影响到系统的动态品质, 所以机器人用减速器根据尺寸大小规格的不同, 要严格限制间隙回差范

20、围在1一1.5以内。RV减速器的回差受两部分传动的影响, 第一级渐开线行星齿轮传动中, 影响回差的主要因素有：为保证补偿制造误差和润滑所需的啮合间隙，公法线平均长度偏差引起的齿轮侧隙，中心距误差引起的齿轮侧隙，齿轮径向综合误差引起的齿轮侧隙。在第二级摆线针轮行星传动中, 影响回差的主要因素有：摆线轮的修形量，针齿中心圆半径误差，针齿销半径误差，针齿销与针齿销孔的配合间隙等等，这些都是影响间隙回差的主要因素。为了减少机器人用减速器的间隙回差，有些学者们综合考度影响间隙回差的上述诸因素, 建立了计算间隙回差的数学模型还通过回差的敏感性分析, 找出了对回差影响较大的因素，例如，针齿销与孔的配合间隙，针齿销半径误差，摆线轮的等距修形误差等等，这样，就可以在研制样机的设计中结合保证运动精度的要求，合理选定零件的尺寸公差、形位公差与配合间隙，并在制造时严格控制应当特别强调指出的是，在尽量减小间隙回差的设计工作中必须考虑减速器的总体综合性能要求。另外，机器人用传动必须具有高的运动精度和小的间隙回差外, 还必须有小的弹性回差，即必须具有很高的刚性。这是它在机器人传动中和谐波传动相比，最