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1、 RV 減速器與諧波減速器的調(diào)研報告 當我們在無限憧憬機器人時代的時候， 我們卻很少知道在機器人的所有零部件中， 有兩 樣?xùn)|西一直是我們國人無法跨越過去的障礙， 那就是伺服電機和精密減速器。 隨著自動化和 電子電氣理論的日趨成熟， 國人在伺服電機方面已經(jīng)邁出了堅實的一步， 雖然在目前國內(nèi)的 伺服電機 75%仍然依靠進口， 但對于中小功率的伺服電機， 中國不少企業(yè)， 如深圳的英威騰、 匯川科技， 大連的安迪的產(chǎn)品已經(jīng)可以在性能上基本滿足中國企業(yè)的需求。 可是對于精密減 速器，特別是機器人關(guān)節(jié)上需要使用的 RV減速器和諧波減

2、速器，目前國內(nèi)的研究仍然停留 在論文和數(shù)據(jù)庫當中， 翻遍所有關(guān)于生產(chǎn)這兩種減速器的國產(chǎn)廠家， 我們?nèi)匀浑y以找出哪怕 一家產(chǎn)品可以在性能上滿足國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)的需求。 直到今天，中國仍然不具備設(shè)計和制造這兩種減速器的能力。 “十二五” 時期，國家“ 863” 計劃將其列入重點攻克的技術(shù)瓶頸。 國內(nèi)頂尖大學(xué)和科研機構(gòu)幾年攻關(guān)也只有論文， 沒有實 物。那么，我們與國外在精密減速器方面的差距到底在哪里？為什么在專利技術(shù)早已公開的今天，我們?nèi)匀浑y以跨過這道已經(jīng)成型了近半個世紀的鴻溝？ 為什么機器人要用 RV減速器和諧波減速器？ 我們常用的減速大致有

3、下面幾類；擺線減速器、 硬齒面圓柱齒輪減速器、行星齒輪 減速器 、軟齒面減速器 、三環(huán)減速器 、起重機減速器 、蝸桿減速器 、軸裝 式硬齒面減速器 、無級變速器 。而 RV減速器和諧波減速器與上述幾種減速的區(qū)別在于， RV 減速器是行星減速器和擺線減速器的組成的一個二級減速器，諧波減速器則 是一種靠波 發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來傳遞運動和動力的齒輪傳動。 這兩種減速器相對于其它減速器而言，具有以下的優(yōu)勢： (1) 傳動速比大， (2) 承載能力高， (3) 傳動精度高， (4) 傳動效率高、運動平穩(wěn)， (5) 結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)少

4、、安裝方便， (6) 體積 小、重量輕，。傳統(tǒng)的齒輪減速器體積大，重量重，減速比小，傳統(tǒng)效率低下，特別是在無法消除多級減速后的累積誤差，對于機器人在控制末端精度要求甚高的工況下，目前只有RV和諧波減速器可以勝任。 RV減速器和諧波減速器的發(fā)展史 RV減速器的誕生 德國人勞倫茲勃朗于 1926 年創(chuàng)造性地提出了一種少齒差行星傳動機構(gòu)，它是用外擺 線作為齒廓曲線的， 這就是最早期的針擺行星傳動， 由于兩個嚙合齒輪其中之一采用了針輪 的形式，這種傳動也被稱做擺線針輪行星齒輪傳動。 RV傳動一種全新的傳動方式，它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，

5、不僅克 服了一般針擺傳動的缺點，而且因為具有體積小、重量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度保 持穩(wěn)定、效率高、傳動平穩(wěn)等一系列優(yōu)點。 1 、 1926 年德國人勞倫茲勃朗于創(chuàng)造性地提出 RV減速機原理 1 2、1931 年勞倫茲勃朗在德國慕尼黑創(chuàng)建了“賽古樂”股份有限公司，最先開始了擺 線減速器的制造和銷售 3、 1939 年，日本住友公司和“賽古樂”公司簽定了技術(shù)合作協(xié)議，并生產(chǎn)銷售； 4、1944 年，日本帝人精機成立，這個未來的 RV減速機霸主，在飛機制造、紡織機械、 機床等多個行業(yè)碩果累累；

6、 5、 1950 年 -1960 年，擺線磨床的出現(xiàn)，解決了擺線齒形的精度不高的難題，使擺線傳 動得到了進一步的發(fā)展。 6、 1956 年，日本納博克公司發(fā)售全球第一個自動門，在市場上展露頭角。 7、 1980 年左右，日本帝人精機提出 RV傳動理論，著手應(yīng)用于機器人行業(yè)。 8、 1986 年，日本帝人精機 RV減速機正式大規(guī)模生產(chǎn)，取得成功； 9、2003 年，帝人精機和納博克合并組成 Nabtesco( 納博特斯克 ) 公司，并取得快速發(fā)展， 現(xiàn)在已成為 RV減速機行業(yè)的領(lǐng)頭羊，占據(jù)了 60%以上的市場，特別在中 / 重負荷機器人上， 其

7、RV減速機市場占有率高達 90%。 諧波減速器的誕生 20 世紀 50 年代中期，隨著全球科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，美國人馬瑟在薄殼彈性變形理論基 礎(chǔ)上，應(yīng)用金屬的撓性和彈性力學(xué)原理發(fā)明出來一種新型諧波傳動技術(shù)。 諧波傳動技術(shù)主要 應(yīng)用于航空航天、工業(yè)機器人、精密設(shè)備儀器、雷達通訊設(shè)備、印刷機械、紡織機械、半導(dǎo) 體工業(yè)晶圓傳送裝置、 印刷包裝機械、 醫(yī)療器械、 金屬成型機械、 儀器儀表、 光學(xué)制造儀器、核設(shè)施及空氣動力實驗研究等領(lǐng)域。 諧波傳動這項新型技術(shù)的出現(xiàn)便引起了各國的重視。 1970 年引入日本，隨之誕生了日 本第一家整體運動控制的領(lǐng)軍企業(yè) -

8、日本 HarmonicDriveSystemsInc.( 簡稱 HDSI)。日本 HDSI 公司生產(chǎn)的 HarmonicDrive 諧波減速器，具有輕量、小型、傳動效率高、減速范圍廣、精度 高等特點，被廣泛應(yīng)用于各種傳動系統(tǒng)中。 HDSI 主要生產(chǎn)和銷售各種精密減速裝置，當之 無愧為整體運動控制的領(lǐng)軍企業(yè)。為了涵蓋諧波減速器不能覆蓋到的低減速比領(lǐng)域， HDSI 產(chǎn)品還開發(fā)了精密行星齒輪減速機 HarmonicPlanetary 。獨特的內(nèi)齒圈形變工藝，可使行星 齒輪嚙合得更緊、消除背隙，從而將傳動誤差控制在精密范圍內(nèi)。 HDSI最初只是在其國內(nèi) 發(fā)展，與之有

9、著長久合作關(guān)系的有安川電機、三菱電機及發(fā)那科等企業(yè)。 近年來，中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)進入新的歷史機遇期，以 ABB、KUKA、安川、發(fā)那科為代 表的國際機器人企業(yè)紛紛大舉進入中國，設(shè)立工廠，搶占市場份額。在中國，如手機制造、 半導(dǎo)體、 液晶生產(chǎn)機械等行業(yè)， 對小型機器人的需求也是越來越旺盛， 然而對于國內(nèi)的工業(yè) 機器人而言，特別是諧波減速器、伺服電機、 控制系統(tǒng)等還需大量依賴進口，這就導(dǎo)致了其 競爭力還與國外企業(yè)有差距， 但是這些又是工業(yè)機器人的上游部件、 關(guān)鍵部件。 據(jù)國際機器 人聯(lián)盟 (IFR) 統(tǒng)計， 2012 年中國共進口工業(yè)機器人約 2.2 萬臺，中國

10、將是全球增長最快的工 業(yè)機器人市場。 HDSI 的諧波減速器是小型工業(yè)機器人 (20kg 以下 ) 或者關(guān)節(jié)臂上不可取代的 部件，這為其拓展中國大陸市場帶來了新的契機。 2011 年 1 月， HDSI在華成立設(shè)立哈默納 2 科( 上海 ) 商貿(mào)有限公司，該公司為其在華投資設(shè)立的全資銷售子公司。主要負責 HDSI 產(chǎn)品 在中國大陸的銷售、選型等技術(shù)支持及售后服務(wù)。 HDSI早期的產(chǎn)品主要是減速機等機械產(chǎn)品，時至今日， HDSI 的主打產(chǎn)品又加上了眾多 的機電一體化產(chǎn)品。在減速機方面， HDSI主要有 Harmo

11、nicDrive( 諧波齒輪傳動減速機 ) 和 HarmonicPlanetary( 行星齒輪減速機 ) 。其生產(chǎn)的 HarmonicDrive 諧波減速機，基本上主導(dǎo) 了主要國際市場，具有其他減速機不具備的特點： 高旋轉(zhuǎn)精度 / 高定位精度、 小型 / 輕量、傳 動效率高、高減速比、減速范圍廣、精度高、高轉(zhuǎn)矩容量、無齒隙、高效率及安靜運行等特 點，被廣泛應(yīng)用于各種傳動系統(tǒng)中。 為了涵蓋諧波減速機不能覆蓋到的低減速比領(lǐng)域， HDSI 產(chǎn)品還開發(fā)了精密行星齒輪減速機 HarmonicPlanetary 。獨特的內(nèi)齒圈形變工藝，可以使得 行星齒輪嚙合得更緊、消

12、除背隙，從而將傳動誤差控制在精密范圍內(nèi)。 RV減速器和諧波減速器的機械結(jié)構(gòu) RV減速器的機械結(jié)構(gòu) RV 減速器可以分為兩部分，第一部分分為正齒輪減速機構(gòu)，輸入軸的旋轉(zhuǎn)從輸入齒輪 傳遞到直齒輪， 按齒數(shù)比進行減速。 。第二部分為差動齒輪減速機構(gòu)， 直齒輪與曲柄軸相連 接，變?yōu)榈诙p速部的輸入。在曲柄軸的偏心部分，通過滾動軸承安裝 RV 齒輪。另外，在 外殼內(nèi)側(cè)僅比 RV齒輪數(shù)多一個的針齒，以同等的齒距排列。如果固定外殼轉(zhuǎn)動直齒輪，則 RV齒輪由于曲柄軸的偏心運動也進行偏心運動。此時如果曲柄軸轉(zhuǎn)動一周，則 RV齒輪就會 沿與曲柄軸相反的方

13、向轉(zhuǎn)動一個齒。 這個轉(zhuǎn)動被輸出到第 2 減速部的軸。 將軸固定時， 外殼側(cè)成為輸出側(cè)。 3

14、 諧波減速的機械結(jié)構(gòu) 諧波減速器主要由三個基本構(gòu)件組成： （ 1）帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪），它相當于行星系中的中心輪； （ 2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪），它相當于行星齒輪； （ 3）波發(fā)生器 H，它相當于行星架。 作為減速器使用，通常采用波發(fā)生器主動、剛輪固定、柔輪輸出形式。 波發(fā)生器 H 是一個桿狀部件， 其兩端裝有滾動軸承構(gòu)成滾輪， 與柔輪 1 的內(nèi)壁相互壓緊。 柔輪為可產(chǎn)生較大彈性變形的薄壁齒輪， 其內(nèi)孔直徑略小于波發(fā)生器的總長。 波發(fā)生器是使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形的構(gòu)件。 當波發(fā)生器裝

15、入柔輪后， 迫使柔輪的剖面由原先的圓形變成橢圓形，其長軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合， 而短軸兩端附近的齒則與剛輪完全脫開。 4 周長上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過渡狀態(tài)。 當波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉(zhuǎn)動時， 柔輪 的變形不斷改變，使柔輪與剛輪的嚙合狀態(tài)也不斷改變，由嚙入、嚙合、嚙出、脫開、再嚙 入 ， 周而復(fù)始地進行， 從而實現(xiàn)柔輪相對剛輪沿波發(fā)生器 H 相反方向的緩慢旋轉(zhuǎn)。 工作 時，固定剛輪，由電機帶動波發(fā)生器轉(zhuǎn)動，柔輪作為從動輪，輸出轉(zhuǎn)動，帶動負載運動。在 傳動過程中，波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周，柔輪上某點變形的循環(huán)次數(shù)稱為波

16、數(shù)，以 n 表示。常用的 是雙波和三波兩種。 雙波傳動的柔輪應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于獲得大的傳動比。 故為 目前應(yīng)用最廣的一種。 （ 1）剛輪固定，柔輪輸出 波發(fā)生器主動， 單級減速， 結(jié)構(gòu)簡單， 傳動比范圍較大， 效率較高，應(yīng)用極廣， i=75~500 。 （ 2) 柔輪固定 , 剛輪輸出 波發(fā)生器主動，單級減速，結(jié)構(gòu)簡單，傳動比范圍較大，效率較高，可用于中小型減速器， i=75~500 。

17、 (3) 波發(fā)生器固定—剛輪輸出 5 柔輪主動，單級微小減速，傳動比準確，適用于高精度微調(diào)傳動裝置， i=1.002~1.015 。

18、 6 RV減速器與諧波減速器的性能對比 RV減速器的性能 主要優(yōu)點 (l) 傳動比范圍大； (2) 扭轉(zhuǎn)剛度大，輸出機構(gòu)即為兩端支承的行星架，用行星

19、架左端的剛性大圓盤輸出， 大圓盤與工作機構(gòu)用螺栓聯(lián)結(jié)， 其扭轉(zhuǎn)剛度遠大于一般擺線針輪行星減速器的輸出機構(gòu)。 在 額定轉(zhuǎn)矩下，彈性回差小； (3) 只要設(shè)計合理，制造裝配精度保證，就可獲得高精度和小間隙回差； (4) 傳動效率高； (5) 傳遞同樣轉(zhuǎn)矩與功率時的體積小 ( 或者說單位體積的承載能力大 ) ，RV減速器由于第一級用了三個行星輪， 特別是第二級， 擺線針輪為硬齒面多齒嚙合， 這本身就決定了它可以用小的體積傳遞大的轉(zhuǎn)矩，又加上在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，讓傳動機構(gòu)置于行星架的支承主軸承內(nèi)， 使軸向尺寸大大縮小，所有上述因素使傳動總體積大為減小。主要缺點 RV

20、 減速器的技術(shù)難點在于該部件需要保證傳遞很大的扭矩，承受很大的過載沖擊，并 保證預(yù)期的工作壽命， 因而在設(shè)計上使用了過定位結(jié)構(gòu)， 這使得零件加工精度要求極高， 加工十分困難。 應(yīng)用范圍 RV 系列蝸輪減速機可廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、輸送、水利、化工、食品、飲料、紡織、 7 煙草、 包裝、環(huán)保等眾多行業(yè)和領(lǐng)域工藝裝備的機械減速裝置，深受用戶的好評、 是目前現(xiàn) 代工業(yè)裝備實現(xiàn)大速比低噪音、 高穩(wěn)定機械減速傳動控制裝置的最佳選擇。 特別是對于工業(yè) 機器人，機床加工臺，焊接定位器，自動托盤，運輸機械手，數(shù)控機床刀庫，等需要精密定位

21、又需要傳遞大扭矩的設(shè)備， RV減速器更是顯現(xiàn)出來無可比擬的優(yōu)勢。 諧波減速器的性能 主要優(yōu)點 (1) 傳動速比大。 單級諧波齒輪傳動速比范圍為 70~320 ，在某些裝置中可達到 1000，多級傳動速比可達 30000 以上。它不僅可用于減速，也可用于增速的場合。 (2) 承載能力高。這是因為諧波齒輪傳動中同時嚙合的齒數(shù)多，雙波傳動同時嚙合的齒數(shù)可達總齒數(shù)的 30％以上，而且柔輪采用了高強度材料，齒與齒之間是面接觸。 (3) 傳動精度高。這是因為諧波齒輪傳動中同時嚙合的齒數(shù)多，誤差平均化，即多齒嚙 合對誤差有相互補償作用， 故傳動精度高。 在齒輪

22、精度等級相同的情況下， 傳動誤差只有普 通圓柱齒輪傳動的 1/4 左右。同時可采用微量改變波發(fā)生器的半徑來增加柔輪的變形使齒隙 很小，甚至能做到無側(cè)隙嚙合， 故諧波齒輪減速機傳動 空程小，適用于反向轉(zhuǎn)動。 (4) 傳動效率高、運動平穩(wěn)。由于柔輪輪齒在傳動過程中作均勻的徑向移動，因此，即 使輸入速度很高， 輪齒的相對滑移速度仍是極低 ( 故為普通漸開線齒輪傳動的百分之— ) ，所以，輪齒磨損小，效率高 ( 可達 69%~96％ ) 。又由于嚙入和嚙出時，齒輪的兩側(cè)都參加工作， 因而無沖擊現(xiàn)象，運動平穩(wěn)。 (5) 結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)少、安裝方便。僅有三個基本構(gòu)

23、件，且輸入與輸出軸同軸線，所以結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。 (6) 體積小、重量輕。與一般減速機比較，輸出力矩相同時，諧波齒輪減速機的體積可 減小 2 ／ 3，重量可減輕 1／2. (7) 可向密閉空間傳遞運動。利用柔輪的柔性特點，輪傳動的這一可貴優(yōu)點是現(xiàn)有其他傳動無法比擬的。 主要缺點 (1) 柔輪周期性地發(fā)生變形，因而產(chǎn)生交變應(yīng)力，使之易于產(chǎn)生疲勞破壞。 (2) 轉(zhuǎn)動慣量和起動力矩大，不宜用于小功率的跟蹤傳動。 (3) 不能用于傳動速比小于 35 的場合。 (4) 采用滾子波發(fā)生器 ( 自由變形波 ) 的諧波傳動，其瞬時傳動比不是常數(shù)。 (5) 散熱條件差。 應(yīng)用范圍 諧波齒輪減速機在航空、航天、能源、航海、造船、仿生機械、常用軍械、機床、儀表、電子設(shè)備、礦山冶金、交通運輸、起重機械、石油化工機械、紡織機械、農(nóng)業(yè)機械以及 醫(yī)療器械等方面得到日益廣泛的應(yīng)用， 特別是在高動態(tài)性能的伺服系統(tǒng)中， 采用諧波齒輪傳動更顯示出其優(yōu)越性。 它傳遞的功率從幾十瓦到幾十千瓦， 但大功率的諧波齒輪傳動多用于短期工作場合。 8