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減速器：工業(yè)機(jī)器人不可或缺的明珠

2.1 技術(shù)分析：RV與諧波減速器占據(jù)主流地位

伺服電機(jī)由于脈動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，本身具備調(diào)速功能，那么機(jī)器人為何需要減速器？

由于工業(yè)機(jī)器人需要重復(fù)、可靠地完成大量工序任務(wù)，對(duì)其定位精度和重復(fù)定位精度要求很高，因此需要專門的減速器以保證精度。減速器的另一作用是傳遞負(fù)載：當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，伺服電機(jī)功率有限導(dǎo)致輸出扭矩較小，此時(shí)需要通過減速器來提高扭矩。此外，伺服電機(jī)在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)下容易發(fā)熱和出現(xiàn)低頻振動(dòng)，對(duì)于長時(shí)間和周期性工作的機(jī)器人這都不利于確保其精確、可靠地運(yùn)行。

精密減速器的存在使伺服電機(jī)在一個(gè)合適的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)速降到機(jī)器人各部位需要的速度，提高機(jī)械體剛性的同時(shí)輸出更大的力矩。與通用減速器相比，機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器要求具有傳動(dòng)鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等特點(diǎn)。

工業(yè)機(jī)器人用精密減速機(jī)主要分為5類，不同類型的精密減速機(jī)在傳動(dòng)效率、減速比方面各不相同。衡量精密減速機(jī)的主要指標(biāo)包括：扭轉(zhuǎn)剛度、傳動(dòng)精度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、空程、背隙、傳動(dòng)誤差、傳動(dòng)效率等。

目前，大量應(yīng)用于多關(guān)節(jié)機(jī)器人的減速器主要有兩種：RV減速器和諧波減速器。相比于諧波減速器，RV減速器具有更高的剛度和回轉(zhuǎn)精度。因此在關(guān)節(jié)型機(jī)器人中，一般將RV減速器放置在機(jī)座、大臂、肩部等重負(fù)載的位置；而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部；二者之間適用的場(chǎng)景不同，屬于相輔相成的關(guān)系。而行星減速器一般用在直角坐標(biāo)機(jī)器人上。

RV（Rotary Vector）減速器：在擺線針輪行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，結(jié)構(gòu)主要分為兩級(jí)：第一級(jí)為漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)，第二級(jí)為擺線針輪行星傳動(dòng)，包括轉(zhuǎn)臂曲柄、擺線輪、針齒殼，特點(diǎn)在于承受大負(fù)載的同時(shí)保證高精度。因此，其技術(shù)難點(diǎn)主要在于工藝和裝配方面：1.材料成型技術(shù)。RV減速齒輪需要具有耐磨性和高剛性，對(duì)于材料成型過程提出了較高要求，尤其是材料化學(xué)元素控制、表面熱處理方面。2.精密加工及裝配技術(shù)。RV減速器的減速比較高，具備無側(cè)隙、微進(jìn)給的特點(diǎn)，這就需要特殊部件加工和精密裝配技術(shù)。

工作原理：1.第一減速部：伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)從輸入齒輪傳遞至正齒輪，按二者的齒數(shù)比進(jìn)行減速；曲軸直接與正齒輪相連，以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。2.曲軸部：曲軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)偏心部的RV齒輪進(jìn)行偏心運(yùn)動(dòng)。3.第二減速部：另一方面，針齒數(shù)目比RV齒輪的齒數(shù)多1個(gè)；如果曲軸旋轉(zhuǎn)1圈，RV齒輪與針齒接觸的同時(shí)進(jìn)行1圈的偏心運(yùn)動(dòng)，使得RV齒輪沿著相反方向旋轉(zhuǎn)1個(gè)齒數(shù)的距離，并通過曲軸傳遞至輸出軸，實(shí)現(xiàn)減速。而總體減速比為第一、第二減速部的減速比之積。

諧波減速器：基于行星齒輪傳動(dòng)發(fā)展起來，由波發(fā)生器、柔輪、剛輪和軸承組成。其工作原理在于依靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形，而柔輪比鋼輪少N個(gè)齒輪位。因此，當(dāng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)一圈，柔輪移動(dòng)N個(gè)齒輪位，產(chǎn)生了所謂的錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)波發(fā)生器與柔輪的運(yùn)動(dòng)傳遞。諧波減速器是通過柔輪的彈性變形來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，其優(yōu)勢(shì)是傳動(dòng)比大、零部件數(shù)目少；其缺點(diǎn)是彈性變形回差大，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。

從國內(nèi)外產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)來看，國外產(chǎn)品信息相對(duì)完善，每種規(guī)格對(duì)應(yīng)的各技術(shù)指標(biāo)都有精確的數(shù)值呈現(xiàn)。而國內(nèi)在這方面略顯欠缺，表明國內(nèi)企業(yè)在檢測(cè)能力方面的不足，缺少嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系。目前，國產(chǎn)減速器還存在兩方面的問題：1.產(chǎn)品系列不健全。日本納博具備全系列產(chǎn)品，基本上可以應(yīng)用于所有領(lǐng)域，其RV-N系列產(chǎn)品還處于專利保護(hù)期，而國內(nèi)產(chǎn)品系列相對(duì)殘缺；2.一致性問題。國產(chǎn)減速器在實(shí)際使用環(huán)境下的性能，與實(shí)驗(yàn)室性能無法完全匹配，個(gè)別產(chǎn)品存在漏油、精度降低等情況，是阻礙國產(chǎn)減速器進(jìn)軍高端市場(chǎng)的原因之一。

從RV減速器的技術(shù)指標(biāo)來看，對(duì)比納博RV-E系列和南通振康的產(chǎn)品，可以看到在同一輸出轉(zhuǎn)速和輸入功率下，二者的輸出扭矩范圍相當(dāng)，說明國內(nèi)產(chǎn)品在傳動(dòng)效率上已經(jīng)可以與國外媲美。然而工藝水平是限制RV減速器發(fā)展的主要原因，例如非標(biāo)特殊軸承是RV減速器的精密機(jī)構(gòu)，其間隙需根據(jù)零部件加工尺寸動(dòng)態(tài)調(diào)整。為了結(jié)構(gòu)緊湊，薄壁角接觸球軸承精度要求較高，加預(yù)緊力后軸承的游隙為零。因此，今后需要在傳動(dòng)精度、扭轉(zhuǎn)剛度等方面加強(qiáng)研究。

從諧波減速器的技術(shù)指標(biāo)來看，國內(nèi)的蘇州綠的和中技克美的減速比范圍與日本哈默納科水平相當(dāng)，產(chǎn)品性能基本滿足要求，目前已經(jīng)大量應(yīng)用于國產(chǎn)機(jī)器人。而國外產(chǎn)品在輸出扭矩、平均壽命和一致性等技術(shù)指標(biāo)上依然占據(jù)優(yōu)勢(shì)。