RV減速器結構分析與三維造型設計

王萬新

(德州學院 能源與機械學院，山東 德州 253023)

0 引言

諧波減速器和RV減速器是工業(yè)機器人常用的兩種減速器，與通用減速器相比，機器人用的減速器要求具有傳動鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等優(yōu)點。其中RV減速器是在傳統(tǒng)針擺行星傳動的基礎上發(fā)展起來的，由擺線針輪和行星支架組成，以體積小、抗沖擊力強、扭矩大、減速比大等諸多優(yōu)點被廣泛應用于工業(yè)機器人、機床、醫(yī)療檢測設備等領域。

在工業(yè)機器人結構設計時，RV減速器一般用于機器人轉矩大的腿部、腰部和肘部三個關節(jié)，相比于諧波減速器，RV減速器具有更高的疲勞強度、剛度和壽命，因此，RV減速器在先進機器人傳動中有逐漸取代諧波減速器的發(fā)展趨勢。深入研究RV減速器原理，提高零部件加工精度及裝配質(zhì)量是RV減速器制造的關鍵。

1 RV減速器的傳動原理分析

RV減速器由擺線針輪和行星支架兩部分組成，其傳動原理如圖1所示。第一級傳動：輸入軸中心輪1將運動傳遞給三個圓周均布的行星輪2(也有結構采用兩個行星輪[1])，輸出輪6起到行星架作用；第二級傳動：與行星輪2固聯(lián)的曲柄軸3驅(qū)動擺線輪4形成擺線輪公轉，在擺線輪公轉的同時與針齒殼7上的針齒5嚙合，形成擺線輪的自轉[2]。

根據(jù)行星輪系的通用研究方法[3]，對整個輪系施加一個與輸出輪6轉速相同的反轉轉速后，曲柄軸3的軸線位置變?yōu)楣潭ǎ谝患墏鲃又械闹行妮?、行星輪2構成定軸輪系傳動，其傳動比為：

(1)

其中：n1為中心輪轉速；n2為行星輪轉速；n6為輸出輪轉速；“-”表示行星輪與中心輪轉向相反；z1為中心輪1的齒數(shù)；z2為行星輪2的齒數(shù)。

1-中心輪；2-行星輪；3-曲柄軸；4-擺線輪；5-針齒；6-輸出輪；7-機架(針齒殼)

在第二級傳動中，由擺線輪、針齒、固定的針齒殼構成針齒傳動，其中擺線輪、輸出輪與三個圓周均布的曲柄軸構成平行四邊形傳動結構，擺線輪與輸出輪(行星架)轉動速度一致[4]，即擺線輪速度n4=n6。如果對整個減速裝置施加一個與行星架大小相等的反轉轉速，雖然能使曲柄軸轉動中心變?yōu)楣潭?，但由曲柄?qū)動的擺線輪仍存在公轉與自轉現(xiàn)象，所以施加的反轉轉速應為曲柄軸(行星輪)的轉速n2，施加反轉速度n2后，擺線輪與針齒殼間的傳動比為：

(2)

其中：n7針齒殼轉速，其為機架，n7=0；n4為擺線輪轉數(shù)；z4為擺線輪的齒數(shù)；z7為針齒殼的齒數(shù)。

RV減速器中一般設計擺線輪與針齒殼的齒數(shù)差為1，即z4=z7-1，所以：

(3)

將式(3)代入式(1)可得RV減速器的傳動比計算公式為：

(4)

2 RV減速器的主要零部件

2.1 中心輪和行星輪

輸入軸上的中心輪一般取漸開線齒輪，可以做成齒輪軸或通過花鍵結構與輸入軸連接。行星輪與曲柄軸固聯(lián)，為了對稱分流功率，一般設計兩到三個行星輪均勻分布在中心輪的外側圓周上。

2.2 擺線輪(RV齒輪)

擺線輪是RV減速器的核心部件之一，其齒廓曲線精度對擺線針輪的接觸狀態(tài)影響很大[5]。在擺線輪傳動部分，為了實現(xiàn)徑向力的平衡，一般應采用兩個完全相同的擺線輪(結構如圖2所示)，分別安裝在曲柄軸上，且兩擺線輪的偏心位置相互成180°。

圖2 擺線輪結構

RV減速器擺線輪的標準齒廓曲線參數(shù)表達式為[6]：

(5)

2.3 曲柄軸

曲柄軸的結構如圖3所示，其一端Ⅰ段用于連接減速器輸出輪，另一端Ⅳ段用于裝配行星輪，曲柄軸的Ⅱ段、Ⅲ段用于支撐擺線輪，曲柄軸轉動時可以帶動擺線輪產(chǎn)生公轉，同時又支撐擺線輪的自轉，減速器輸出輪可以看作行星輪系的轉臂H。

圖3 曲柄軸結構

曲柄軸的Ⅰ段、Ⅳ段同軸，曲柄軸的Ⅱ段、Ⅲ段軸心對稱分布在Ⅰ～Ⅳ段軸心兩側，與Ⅰ～Ⅳ段公共軸心的偏心距為a。

3 RV減速器建模與裝配

零件的建模、裝配可以使用常用的CAD/CAM軟件，如SolidWorks。RV減速器結構的組成如圖4所示，關鍵零部件包括中心輪、行星輪、曲柄軸、擺線輪、針齒殼等，其中用到的螺栓、螺母、軸承等標準件可以直接從標準零件庫中調(diào)取。

3.1 主要零件的建模

(1) 曲柄軸由于結構簡單，可以通過常規(guī)的建模方法實現(xiàn)。

(2) 中心輪、行星輪等漸開線齒輪及擺線輪需要進行參數(shù)化建模，是RV減速器三維建模的關鍵[7]。齒輪參數(shù)化建模過程如下：①明確基本設計參數(shù)，如模數(shù)、齒數(shù)、壓力角、齒頂高系數(shù)、齒根高系數(shù)和齒輪寬度等；②確定齒形繪制算法，確定齒廓參數(shù)公式的參數(shù)及取值范圍；③進行二次開發(fā)交互設計，根據(jù)齒廓參數(shù)公式生成單個齒形，然后鏡像、陣列形成所有齒形，最終完成建模[8]。

(3) 擺線輪由于齒廓曲線較為復雜，生成的難點在于齒廓參數(shù)方程的分析，可以利用參數(shù)方程先生成半個理論輪廓，鏡像完成整個輪廓，然后通過拉伸、切除完成擺線輪建模。在擺線輪廓的基礎上繪制出半徑為rp、偏心距為a的偏心圓，該偏心圓是針齒圓心分布圓，可以在該偏心圓上陣列出針齒草圖，拉伸即可得到針齒模型。在不影響仿真結果，尤其是傳動精度的前提下，為提高仿真效率，可以適當簡化。

1-中心輪；2-行星輪；3-曲柄軸，4,5,7,10-軸承；6-行星架；8-針齒殼；9-擺線輪；11-連接螺栓；12-連接螺母；13-輸出輪

3.2 結構裝配

本文采用自下而上設計方式，先建立各關鍵零件模型，然后對各零件進行導入、添加關系約束進行裝配。RV減速器的零件較多且關系復雜，只在一個裝配體工程中完成全部零件的組裝較難，所以可先對局部零部件分級組裝，最后再對子裝配體總裝。

3.2.1 針齒殼與針齒的子裝配

針齒殼是減速器中的固定件，先導入針齒殼，再導入針齒模型，通過同軸約束、重合約束完成針齒裝配，如圖5(a)所示。

3.2.2 曲柄軸組件子裝配

RV減速器有3根曲柄軸，每根曲柄軸上有4個軸承，分別與行星架、支撐法蘭、兩個擺線輪對應的軸段配合，同軸配合與重合配合即可，裝配時需注意圓錐滾子軸承方向，如圖5(b)所示。

3.2.3 輸入端支撐子裝配

輸入端支撐由行星架(輸入端法蘭)、圓柱滾子軸承等組成，通過同軸配合與重合配合裝配，如圖5(c)所示。

3.2.4 輸出端子裝配

輸出端裝配由輸出盤(輸出法蘭)、密封圈、圓柱滾子軸承等組成，通過同軸配合與重合配合裝配，如圖5(d)所示。

3.2.5 總體裝配

子裝配完成后，以輸入端子支撐為參照，依次導入曲柄軸子組件(如圖5(e)所示)、擺線輪(如圖5(f)所示)、針齒殼(如圖5(g)所示)、輸出端子裝配(如圖5(h)所示)，通過孔、軸同軸配合和端面重合等約束實現(xiàn)裝配，最后裝配螺栓、螺母等剩余零件進行相關配合，完成總裝配。

圖5 減速器裝配

4 結束語

RV減速器結構在建模裝配時，應依據(jù)實物的拆卸、測量結果，并與理論知識結合。如在結構裝配、仿真運動時出現(xiàn)干涉或碰撞應及時合理地修改模型，以便直觀地了解RV減速器各零部件的基本構造、裝配關系以及運動原理。通過對減速器關鍵部件建模和結構裝配，可為設計、制造減速器，深入研究減速器結構的傳動誤差及額定工況下的動力學分析提供數(shù)字模型。