吳素珍,陳丹

（1.河南工程學(xué)院,河南鄭州451191；2.大連交通大學(xué),遼寧大連116028）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在機(jī)械、航空、汽車工業(yè)等領(lǐng)域采用機(jī)器人代替人力已是走向高水平工業(yè)化的發(fā)展方向.機(jī)器人技術(shù)受到各國政府的高度重視,用于機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)的主要裝置也受到眾多研究者的關(guān)注.本文將用于機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)的主要傳動(dòng)裝置加以歸納和總結(jié),以方便工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)精密傳動(dòng)減速器的理論研究和使用研究.

1 國內(nèi)外精密傳動(dòng)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前,精密齒輪傳動(dòng)類型主要有濾波傳動(dòng)、諧波傳動(dòng)、擺線針輪傳動(dòng)、RV傳動(dòng)等.日本、德國、美國、丹麥等國的精密傳動(dòng)研制在材料和制造工藝方面處于國際領(lǐng)先水平[1-3].

濾波齒輪傳動(dòng)是由重慶大學(xué)梁錫昌、王家序教授發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積相對小、大傳動(dòng)比的新型精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu),目前還處于研究階段[4].

從20世紀(jì)50年代起,美國、日本等發(fā)達(dá)國家就開始進(jìn)行諧波齒輪傳動(dòng)的研究,其中以USM公司規(guī)模最大.我國從20世紀(jì)60年代就開始諧波方面的研制工作,但到目前為止國內(nèi)諧波齒輪的專業(yè)生產(chǎn)廠家仍然很少.

擺線針輪傳動(dòng)和RV傳動(dòng)是由德國人發(fā)明,后來日本人引進(jìn)并發(fā)展壯大的技術(shù).德國、日本等國家關(guān)于擺線針輪傳動(dòng)和RV傳動(dòng)研制生產(chǎn)已經(jīng)形成系列化、批量化[5-11].在國內(nèi),中國人第一次見到擺線針輪行星傳動(dòng)減速器是20世紀(jì)70年代在北京的一次展覽會(huì)上.由于其具有輸入輸出同軸性、傳動(dòng)比大、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn),引起了不少科研人員的注意.目前我國大連交通大學(xué)等院校及研究機(jī)構(gòu)研制的擺線針輪傳動(dòng)和RV傳動(dòng)產(chǎn)品,主要技術(shù)性能指標(biāo)已達(dá)到了國際先進(jìn)水平,但在國際上同日本的最新RV系列產(chǎn)品還有一定的差距,需要進(jìn)一步在提高傳動(dòng)精度設(shè)計(jì)理論和RV減速器批量生產(chǎn)上進(jìn)行研究.

2 機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)用新型減速器

2.1 濾波齒輪傳動(dòng)

濾波齒輪減速器屬于NN型少齒差減速器,由偏心減速機(jī)構(gòu)、濾波花鍵機(jī)構(gòu)、三向止推軸承3大部分組成[12].偏心減速機(jī)構(gòu)由內(nèi)齒輪、鋼球、偏心輪、滾動(dòng)軸承組成；濾波花鍵機(jī)構(gòu)由鋼球、偏心輪、圓柱齒輪和內(nèi)齒輪組成[4-6].濾波減速器實(shí)物圖和主要零部件如圖1所示,傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 濾波減速器Fig.1 Filteringgear reducer

圖2 濾波傳動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure chart of filter transmission

濾波齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)原理如圖3所示.

圖3 濾波齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)原理Fig.3 Transmission principle diagram of filteringgear principles

圖3中偏心軸H為輸入端,齒輪1為輸出端,雙聯(lián)齒輪3與固定內(nèi)齒輪4嚙合實(shí)現(xiàn)了第1級傳動(dòng),雙聯(lián)齒輪2、3與輸出內(nèi)齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)了第2級傳動(dòng).偏心軸的旋轉(zhuǎn)中心與固定內(nèi)齒輪、輸出內(nèi)齒輪的旋轉(zhuǎn)中心同軸,當(dāng)通過偏心軸輸入轉(zhuǎn)矩時(shí),由于雙聯(lián)齒輪的偏心,及輸入齒輪是固定的,雙聯(lián)齒輪2、3一方面繞自身軸線自轉(zhuǎn),同時(shí)還繞偏心軸旋轉(zhuǎn)中心公轉(zhuǎn),雙聯(lián)齒輪2、3所受兩方面的力同時(shí)作用于與其嚙合的輸出內(nèi)齒輪1,獲得輸出運(yùn)動(dòng).

濾波齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)精度高、可靠性高、壽命長、傳遞扭矩大、能耗低、體積小、傳動(dòng)比大,結(jié)構(gòu)相對簡單等優(yōu)點(diǎn).廣泛應(yīng)用于航天、航空、運(yùn)載等領(lǐng)域[13].

2.2 諧波齒輪傳動(dòng)

諧波齒輪傳動(dòng)是通過柔輪的彈性變形實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞動(dòng)力的一種的新型傳動(dòng)[14].其主要由波發(fā)生器、柔輪、剛輪組成.結(jié)構(gòu)外形圖如4所示.

圖4 諧波齒輪Fig.4 Harmonic gear

諧波齒輪傳動(dòng),當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪后,迫使柔輪在長軸處產(chǎn)生徑向變形成橢圓狀.橢圓的長軸兩端,柔輪外齒與剛輪內(nèi)齒沿全齒高相嚙合,短軸兩端則處于完全脫開狀態(tài),其他各點(diǎn)處于嚙合與脫開的過渡階段.設(shè)剛輪固定,波發(fā)生器進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)其長軸轉(zhuǎn)到圖示嚙入狀態(tài)處時(shí),柔輪進(jìn)行了順時(shí)針旋轉(zhuǎn).當(dāng)長軸不斷旋轉(zhuǎn)時(shí),柔輪相繼由嚙合轉(zhuǎn)向嚙出,由嚙出轉(zhuǎn)向脫出,由脫開轉(zhuǎn)向嚙入,有嚙入轉(zhuǎn)向嚙合,從而迫使柔輪進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)[15].傳動(dòng)原理如圖5所示.

圖5 諧波傳動(dòng)傳動(dòng)原理Fig.5 Transmission principle diagram of harmonic principles

諧波傳動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)比大、質(zhì)量小、體積小、較小的傳動(dòng)慣量等優(yōu)點(diǎn),最重要的是能在密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng),這一點(diǎn)是其他任何機(jī)械傳動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)的.其缺點(diǎn)為在諧波齒輪傳動(dòng)中每轉(zhuǎn)柔輪發(fā)生2次橢圓變形,極易引起材料的疲勞損壞,損耗功率大,同時(shí)其引起的扭轉(zhuǎn)變形角達(dá)到20′～30′,甚至更大,受軸承間隙等影響可能引起3′～6′回程誤差,不具有自鎖功能.

諧波傳動(dòng)適用于質(zhì)量和尺寸受限（如小的機(jī)械手關(guān)節(jié)）、位置精度要求高的場合.如美國的研制NASA空間飛行器,德國的ERS-1/2地球觀測衛(wèi)星的太陽翼與天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),日本的觀測衛(wèi)星,我國“風(fēng)云”系列衛(wèi)星掃描輻射計(jì)、火箭伺服機(jī)構(gòu)等.

2.3 擺線針輪行星傳動(dòng)

擺線針輪行星傳動(dòng)是行星輪采用變幅外擺線的一種少齒差行星齒輪傳動(dòng),屬于K-H-V行星齒輪傳動(dòng).主要由擺線輪、針輪、行星架和輸出結(jié)構(gòu)4部分組成[16-20].其主要零部件如圖6所示.

圖6 擺線針輪行星傳動(dòng)的主要零部件Fig.6 Main components of cycloid pin gear planetarygear transmission

擺線針輪行星傳動(dòng),當(dāng)輸入軸1旋轉(zhuǎn)時(shí),通過偏心軸2帶動(dòng)擺線輪4旋轉(zhuǎn),由于偏心軸上的擺線輪4與針齒3嚙合限制,擺線輪旋轉(zhuǎn)時(shí)即繞自身軸線自轉(zhuǎn),又繞輸入軸軸線公轉(zhuǎn),然后借助W輸出機(jī)構(gòu)6,將擺線輪的低速自轉(zhuǎn)動(dòng)通過銷軸,傳遞給輸出軸5,從而獲得較低的輸出轉(zhuǎn)速.傳動(dòng)原理如圖7所示.

圖7 擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)原理Fig.7 Transmission principles of cycloid pin gear planetary gear

擺線針輪行星傳動(dòng)的特點(diǎn)是單級傳動(dòng)比為6～119,一級傳動(dòng)效率達(dá)0.90～0.95.可代替兩級普通圓柱齒輪減速器,體積可減少1/2～2/3,質(zhì)量約減少1/3～1/2.缺點(diǎn)是擺線針輪減速器的機(jī)構(gòu)太復(fù)雜,制造、安裝精度要求太高,轉(zhuǎn)臂軸承受力大,影響軸承壽命和承載能力[21-26].

擺線針輪行星傳動(dòng)最大傳動(dòng)功率200 kW,最高輸入轉(zhuǎn)速1 800 r/min,廣泛應(yīng)用于礦山、化工、起重機(jī)械、工程機(jī)械等領(lǐng)域[27-31].

2.4 RV傳動(dòng)減速器

RV傳動(dòng)是在擺線針輪行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型精密傳動(dòng),屬于2K-V行星齒輪傳動(dòng)[32].外形結(jié)構(gòu)如圖8所示.

圖8 RV減速器外形結(jié)構(gòu)Fig.8 Configuration of RV reducer

RV傳動(dòng)減速器是一種2級行星齒輪傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu).第1級減速是通過中心齒輪0與行星齒輪2嚙合,按照中心齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比進(jìn)行減速.傳動(dòng)過程中如果漸開線中心輪1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),那么行星輪2既繞自身軸線逆時(shí)針自轉(zhuǎn),同時(shí)繞中心輪軸線公轉(zhuǎn),第1級傳動(dòng)中的漸開線行星輪2與曲柄軸3連成一體,并通過偏心軸3帶動(dòng)擺線輪4作偏心運(yùn)動(dòng),作為第2級傳動(dòng)部分的輸入,第2級減速是擺線輪4與針輪5嚙合減速.擺線輪與針輪嚙合傳動(dòng)過程中,擺線輪在繞針輪軸線公轉(zhuǎn)的同時(shí),還將反方向自轉(zhuǎn),即順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng).最后,傳動(dòng)力通過曲柄軸推動(dòng)行星架輸出機(jī)構(gòu)順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng).傳動(dòng)原理如圖9所示.

圖9 RV減速器傳動(dòng)原理Fig.9 Transmission principles of RV reducer

RV針擺傳動(dòng)具有傳動(dòng)比范圍大,只改變漸開線齒輪的齒數(shù)比就可獲得很多傳動(dòng)比；傳動(dòng)精度高,傳動(dòng)誤差為1′以下,回差誤差在1.5′以下；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)置于行星架的支承主軸承內(nèi),軸向尺寸大大減小；RV齒輪和銷同時(shí)嚙合數(shù)多,承載能力大；采用雙柱支撐機(jī)構(gòu),扭轉(zhuǎn)剛性大、振動(dòng)小,耐沖擊性強(qiáng)[33].

RV傳動(dòng)減速器已很大程度上逐漸取代單純的擺線針輪傳動(dòng)裝置,已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、汽車工業(yè)等領(lǐng)域[34-35].

3 機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)用各類減速器對比分析

結(jié)合工業(yè)機(jī)器人性能、功能要求,各類精密傳動(dòng)減速器的性能指標(biāo)對比如表1所示[4,13-14,16-19,36].

表1 精密減速器性能參數(shù)對比Tab.1 Contrast table precision reducer performance parameters

由表1可知,諧波傳動(dòng)是通過柔輪的彈性變形實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞,其彈性變形大,從而在傳遞載荷時(shí)的彈性變形回差也大,這就不可避免地會(huì)影響機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性、抗沖擊能力等,而且其運(yùn)動(dòng)精度還會(huì)隨著使用時(shí)間增長而顯著降低；濾波減速器還處于初級研究階段；而RV傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)可靠性、保精度及壽命均高于其他齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),另外RV減速器還具有加一次潤滑劑可以使用很長時(shí)間、壽命長、剛度好、減速比大、低振動(dòng)、高精度、傳動(dòng)效率高、保養(yǎng)便利等優(yōu)點(diǎn),非常適于在機(jī)器人上使用.

4 結(jié)論與討論

目前機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)裝置主要是諧波傳動(dòng)和RV傳動(dòng).但由于諧波傳動(dòng)裝置柔輪的彈性變形引起較大的回差,從而影響工業(yè)機(jī)器人的定位精度及動(dòng)態(tài)特性,RV針擺傳動(dòng)裝置代替諧波傳動(dòng)裝置是機(jī)器人關(guān)節(jié)用減速裝置的必然趨勢.在國外,RV減速器已實(shí)現(xiàn)系列化、批量化生產(chǎn),而我國還處于開發(fā)過程中.我國應(yīng)提高機(jī)器人用減速器的制造工藝,注意新型材料選用,努力實(shí)現(xiàn)系列化、批量化生產(chǎn).另外,今后我國在機(jī)器人RV減速器研制方面,應(yīng)制定合理的零件制造工藝和可以補(bǔ)償相關(guān)零件制造誤差的裝配工藝；嚴(yán)格控制影響減速器傳動(dòng)準(zhǔn)確性、傳動(dòng)平穩(wěn)性及載荷分布均勻性誤差的主要因素,合理控制各公差范圍；增強(qiáng)減速器的扭轉(zhuǎn)剛度.需深入系統(tǒng)地研究RV傳動(dòng)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與制造技術(shù),努力開發(fā)新機(jī)型,提高我國自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RV針擺驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)水平和性能,減少對國外技術(shù)的依賴,提高RV針擺驅(qū)動(dòng)器的國產(chǎn)化技術(shù)水平.

[1]日高照晃,王宏猷,石田武ほか.サイクロイド歯車を用いたk-H-V形游星歯車裝置の回転傅達(dá)誤差に開する研究（第1 報(bào)解析方法）[J].日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集：C編,1994,60（570）：645-653.

[2]石田武ほか,王宏猷,日高照晃.サイクロイド歯車を用いたk-H-V形游星歯車裝置の回転傅達(dá)誤差に開する研究（第2報(bào)各種加工誤差·組立誤差か回転傅達(dá)誤差に及ほす影響）[J].日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集：C編,1994,60,（578）：278-285.

[3]王宏猷ほか,日高照晃,石田武ほか.サイクロイド歯車を用いたk-H-V形游星歯車裝置の回転傅達(dá)誤差に開する研究（第3報(bào)各種誤差に及ほす相互影響）[J].日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集：C編,1994,60,（578）：286-293.

[4]梁錫昌,王家序.濾波減速器：中國,200510057123.X[P].2005-06-16.

[5]Li L X,Wang X Q,He W D.Optimum desing of High-speed railway locomotive traction gear[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,1996,9（4）：278-285.

[6]李力行,潛媛梅,任喜巖,等.ZD6型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)可靠性研究[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1996（4）：1-6.

[7]Li L X,Wang X Q,He W D.Optimum desing of High-reliability High-speed railway locomotive traction gear[C]//lzhevsk,Russia：齒輪傳動(dòng)理論與技術(shù)國際會(huì)議,1996,12：433-438.

[8]許洪基,陶燕光.擺線針輪行星傳動(dòng)[M]//機(jī)械工程手冊電機(jī)工程手冊編輯委員會(huì).機(jī)械工程手冊.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997:265.

[9]何衛(wèi)東,李欣,李力行.機(jī)器人用高精度RV擺線輪修形對回差影響的研究[J].機(jī)械傳動(dòng),1999（1）：60-66.

[10]李力行,何衛(wèi)東,王秀琦,等.機(jī)器人用高精度RV傳動(dòng)的研究[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1999（2）：1-5.

[11]李力行,何衛(wèi)東,王秀琦.機(jī)器人用高精度RV傳動(dòng)研究[C]//中國機(jī)械工程：國家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部機(jī)械學(xué)科成果選集,1999,9（9）：1001-1002.

[12]官浩,王家序,石珍,等.基于 Romax的濾波減速器齒輪修形[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2013（6）：28-31.

[13]袁固興,王家序,肖科,等.偏心誤差對濾波減速器傳動(dòng)誤差的影響研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2013（2）：252-256.

[14]李奉生.基于PrO/Toolkit的諧波減速器CAD/CAM系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].天津：天津大學(xué),2006.

[15]張奎.擺線二次包絡(luò)封閉式行星傳動(dòng)研究[D].重慶：重慶大學(xué),2010.

[16]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊：第3卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004：82-182.

[17]何衛(wèi)東,李力行,徐永賢,等.高精度RV傳動(dòng)的受力分析及傳動(dòng)效率[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),1996,7（3）：60-67.

[18]李力行,何衛(wèi),王秀琦,等.機(jī)器人用高精度RV傳動(dòng)的研究[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1999（6）：1-11.

[19]何衛(wèi)東,李力行.RV傳動(dòng)的效率及其受力分析[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1992（4）：73-81.

[20]劉鳴熙.擺線針輪傳動(dòng)與小型RV減速器的研究[D].北京：北京交通大學(xué),2008.

[21]李力行,何衛(wèi)東,李欣,等.動(dòng)軸輪系齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)[M]//朱孝錄.齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004：656-902.

[22]李力行,洪淳赫.通用的擺線輪齒形方程式[J].齒輪,1980（2）：11-15.

[23]李力行.擺線針輪行星傳動(dòng)的齒形修正及受力分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),1986（1）：35-39.

[24]李力行,關(guān)天民,王子孚.大型擺線針輪行星傳動(dòng)的合理結(jié)構(gòu)和齒形[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),1988（3）：26-31.

[25]Li LX.The computer aided design of cycloid drive[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,1990,3（2）：221-231.

[26].李力行,王子孚,劉銀遠(yuǎn),等.擺線針輪行星傳動(dòng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1992（1）：23-34.

[27]何衛(wèi)東,李力行,關(guān)天民,等.擺線針輪減速機(jī)的邏輯診斷與故障樹分析[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1994（2）：64-68.

[28]李力行,何衛(wèi)東,李欣.擺線針輪傳動(dòng)[M]//現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊編輯委員會(huì).現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1995：315-337.

[29]李力行.The new optimum tooth profile of the cycloidal gear and the computer aided design of cycloid drive[C].米蘭：IFTOMM第九屆機(jī)器理論與機(jī)構(gòu)學(xué)世界大會(huì),1995：355-359.

[30]李力行.為國爭光,趕超世界先進(jìn)——擺線針輪傳動(dòng)優(yōu)化新齒形與CAD軟件達(dá)國際先進(jìn)水平[C].北京：科學(xué)基金10周年科研成果交流會(huì),1995：8-71.

[31]李力行,關(guān)天民.承載能力新型擺線針輪行星傳動(dòng)可靠性試驗(yàn)的研究[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1996（3）：47-51.

[32]李力行.輪系[M]//徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000：1-187.

[33]何衛(wèi)東,李力行.徐永賢,等.高精度RV傳動(dòng)的受力分析及傳動(dòng)效率[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2000（4）：104-110.

[34]何衛(wèi)東,李力行,李欣.機(jī)器人用高精度RV減速器中擺線輪的優(yōu)化新齒形[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2000（3）：51-55.

[35]陳兵奎,譚磊.擺線包絡(luò)行星傳動(dòng)接觸優(yōu)先元分析及系統(tǒng)開發(fā)[J].機(jī)械強(qiáng)度,2013,35（3）：366-371.

[36]關(guān)天民.FA型擺線針輪行星傳動(dòng)齒形優(yōu)化方法與相關(guān)理論的研究[D].大連：大連交通大學(xué),2005.