機(jī)器人RV減速器主軸承的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王超俊, 李智博 , 王東峰，孫建勇

(1.河南廣播電視大學(xué)，鄭州 450046；2.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

RV減速器廣泛應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè)，具有軸向尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，速比靈活，運(yùn)轉(zhuǎn)精度高且使用時(shí)間長(zhǎng)等特性，是在擺線行星減速機(jī)構(gòu)形式上建立的二級(jí)封閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[1]。

目前，由于國(guó)外對(duì)RV減速器技術(shù)的封鎖，加上我國(guó)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，造成國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域與國(guó)外差距較大。以其內(nèi)部使用的關(guān)鍵部件主軸承(角接觸球軸承)為例，國(guó)外廠商采用的均為非標(biāo)設(shè)計(jì)，但關(guān)于該非標(biāo)軸承的設(shè)計(jì)原理及使用方法鮮有報(bào)道。鑒于此，基于RV減速器的實(shí)際使用工況，介紹主軸承的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 主軸承受力分析

RV減速器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在使用過程中有行星架輸出(固定減速器外殼)和外殼輸出(固定行星架)2種動(dòng)力輸出方式。主軸承位于減速器外殼與行星架之間，受到減速器外殼與行星架之間的相互作用力，包括軸向力、徑向力及傾覆力矩。

1—外殼；2—主軸承B；3—墊片B；4—螺栓；5—行星架B；6—圓錐滾子軸承B；7—曲柄軸；8—保持架組件B；9—擺線輪B；10—擺線輪A；11—保持架組件A；12—圓錐滾子軸承A；13—行星架A；14—墊片A；15—主軸承A圖1 RV減速器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of RV reducer

重載工業(yè)機(jī)器人RV減速器分布示意圖如圖2所示，共裝有6臺(tái)RV減速器。負(fù)載(也稱持重)是工業(yè)機(jī)器人的一項(xiàng)重要指標(biāo)，工業(yè)機(jī)器人在工作過程中工位不斷變化，故作用于機(jī)器人手腕末端的負(fù)載對(duì)于1#，2#，3#RV減速器既可能是軸向力，也可能是徑向力；對(duì)于4#，5#RV減速器，在使用過程中主要受徑向力；對(duì)于6#RV減速器，不僅受到外部作用力，還要承受機(jī)械手臂的重力，其受力主要為軸向力和傾覆力矩，對(duì)于該位置減速器，必須能夠承受盡可能大的軸向力，且具有良好的抗傾覆力矩能力。

圖2 RV減速器分布示意圖Fig.2 Distribution diagram of RV reducer

RV減速器主軸承受力如圖3所示[2]，載荷位于減速器外部，無(wú)論減速器在圖2中何位置，外載荷F1，F(xiàn)2將形成施加在主軸承上的傾覆力矩M1。在外載荷下作用下

圖3 RV減速器主軸承受力示意圖Fig.3 Force diagram of main bearing for RV reducer

M1=cF1+eF2,

(1)

在減速器內(nèi)部也會(huì)形成一個(gè)傾覆力矩M2，

M2=aFrA+bFrB=M1，

(2)

式中：FrA和FrB分別為軸承A和軸承B所受的徑向力；a，b，c，e為作用力臂。

由(1)，(2)式可以看出：軸承抗傾覆力矩性能不僅與其自身徑向承載能力有關(guān)，也與其接觸角所決定的受力作用點(diǎn)有關(guān)。

以RV100C采用的H76/182軸承為例進(jìn)行說(shuō)明，軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 H76/182軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of H76/182 bearing

參照?qǐng)D3，基于RomaxDesigner建立相應(yīng)軸系模型，軸承中心距L為100 mm，施加外部?jī)A覆力矩M1為1 000 N·m，采用不同接觸角的H76/182軸承進(jìn)行仿真分析，軸承承載能力及徑向變形量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同接觸角H76/182軸承的承載能力及徑向變形Tab.2 Load capacity and radial deformation of H76/182 bearings with different contact angles

由表2可知：接觸角增大，額定載荷減小，但由于該軸承背對(duì)背安裝，接觸角增大時(shí)，兩軸承受力支承點(diǎn)間距Lmn也增加；軸承徑向變形量由27.43 μm減小為23.75 μm，說(shuō)明增大接觸角能夠提升整個(gè)減速器軸系抗傾覆力矩能力；同時(shí)，接觸角增大能有效提升整個(gè)減速器軸向剛度，適用于受軸向載荷較大的減速器，尤其是圖2中6#減速器。

故對(duì)于RV減速器主軸承，需綜合考慮其受力特點(diǎn)，在保證其具有足夠徑向承載能力的同時(shí)，要提升其軸向承載能力及抗傾覆力矩能力。這也驗(yàn)證了RV減速器技術(shù)指標(biāo)中力矩剛性的說(shuō)明。

2 主軸承結(jié)構(gòu)及精度控制

RV減速器主軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須在滿足軸承承載能力的前提下，充分考慮減速器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而確定主軸承尺寸及精度控制方向。

2.1 接觸角

通過上文分析可知，主軸承接觸角顯著影響減速器系統(tǒng)的承載能力及結(jié)構(gòu)剛性，通常情況下，采用40°接觸角即可滿足上述性能需求。但減速器性能需求根據(jù)其在工業(yè)機(jī)器人中所處位置不同而有所側(cè)重，圖2中6#減速器對(duì)軸向承載能力及抗傾覆力矩能力要求較高，該位置主軸承應(yīng)選用更大接觸角。分析國(guó)外減速器發(fā)現(xiàn)各減速器中軸承接觸角也并非固定值，通常在30°～50°之間，接觸角應(yīng)根據(jù)其所處位置決定。

2.2 外圈寬度

國(guó)外RV減速器用主軸承通常采用內(nèi)、外圈寬度不等的結(jié)構(gòu)，可以使軸承及減速器輕量化。減速器主軸承雖然也是配對(duì)使用，但對(duì)配對(duì)結(jié)果影響最大的是軸承裝配高。軸承外圈非基面不與任何部位接觸，真正起作用的是圖4中L2部分，即軸承外圈溝位置。

圖4 RV減速器主軸承安裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of installation structure of main bearing for RV reducer

因此，除軸承外圈溝道直徑、溝位置重點(diǎn)控制外，只需控制軸承配合面平面度即可，對(duì)于外圈寬度偏差、平行差，均可放寬控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 外圈基面擋邊高

對(duì)于常規(guī)軸承，外圈基面擋邊高應(yīng)保證軸承在允許的外力作用下接觸橢圓長(zhǎng)軸不超出擋邊邊緣。而對(duì)于RV減速器主軸承，外圈擋邊實(shí)際高度遠(yuǎn)超上述需求，這是由于該擋邊需要對(duì)圖1針齒的軸向位移進(jìn)行限制。在某些RV減速器中，外圈擋邊還需對(duì)擺線輪的軸向位移進(jìn)行限制。外圈基面擋邊高的確定需要考慮針齒及擺線輪在RV減速器外殼中的實(shí)際位置。

2.4 內(nèi)圈參數(shù)

與外圈相同，需嚴(yán)控溝道參數(shù)和基面平面度，擋邊高度僅需保證其在允許的外力作用下接觸橢圓長(zhǎng)軸不超出擋邊邊緣。此外，內(nèi)圈寬度明顯大于外圈，且在軸承預(yù)緊后，內(nèi)圈非基面通常高于外圈基面，即凸出量為正，采用該設(shè)計(jì)方案可以適當(dāng)限定擺線輪軸向位移，避免軸承外圈由于擋邊高度不足而在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與擺線輪干涉。

2.5 凸出量

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)角接觸球軸承，凸出量是軸承能否組配使用的關(guān)鍵，但對(duì)于RV減速器主軸承，凸出量對(duì)軸承應(yīng)用影響不大，僅對(duì)擺線輪軸向位移有一定的影響，其尺寸公差控制在0.1 mm即可。

2.6 裝配高

角接觸球軸承若要發(fā)揮其高精度、高剛性等性能優(yōu)勢(shì)，需對(duì)其施加一定的預(yù)緊力[3-5]，而裝配高將極大影響軸承預(yù)緊狀態(tài)，在生產(chǎn)過程中需精確控制。裝配高影響參數(shù)眾多，若將其嚴(yán)格控制在某一尺寸范圍，會(huì)增加制造難度及生產(chǎn)成本。在生產(chǎn)過程中僅需控制每批軸承裝配高散差即可，軸承預(yù)緊力可以通過選配墊片尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 主軸承應(yīng)用

由圖4可以看出軸承分布在行星架兩側(cè)，背對(duì)背安裝，軸承預(yù)緊方式為定位預(yù)緊，可以得到整個(gè)減速器裝配尺寸鏈如圖5所示，圖中：TA為左側(cè)軸承A裝配高，L1為外殼擋肩寬，TB為右側(cè)軸承B裝配高，L3為墊片理論厚度，L為行星架左右擋邊之間的距離。

圖5 RV減速器裝配尺寸鏈Fig.5 Assembly dimension chain of RV reducer

在整個(gè)裝配尺寸鏈中，為便于控制預(yù)緊力，調(diào)節(jié)右側(cè)墊片厚度L3最方便，可以此為整個(gè)裝配鏈的閉環(huán)，間接保證其尺寸并進(jìn)行選配安裝。裝配高TA，TB在整個(gè)裝配鏈具有重要影響，其尺寸增加(減小)將導(dǎo)致L3的減小(增加)，由于已嚴(yán)格控制裝配高散差，墊片厚度L3散差也相應(yīng)得到了控制，選配難度降低。

在上述裝配尺寸鏈中，軸承預(yù)緊通過墊片施加，墊片實(shí)際尺寸L′3應(yīng)在L3基礎(chǔ)上加上2套軸承預(yù)緊后的軸向變形量，H76/182軸承預(yù)緊力與軸向位移的關(guān)系如圖6所示。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)減速器整體設(shè)計(jì)目標(biāo)確定預(yù)緊力，以保證整個(gè)系統(tǒng)具有合適的剛度。

圖6 H76/182軸承預(yù)緊力與軸向位移的關(guān)系Fig.6 Relationship between preload and axial displacement of H76/182 bearing

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)RV減速器主軸承主要受載模型及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析可知：在主軸承設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮其主要設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)；在加工制造過程中應(yīng)重點(diǎn)控制其關(guān)鍵工藝參數(shù)，在滿足軸承主要性能

的同時(shí)，考慮其加工經(jīng)濟(jì)性；在軸承應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)其受力情況、使用部位，合理選用配合尺寸、預(yù)緊力等，以滿足軸承使用性能。