工业机器人及应用-项目2_2-谐波减速器课件

1、项目二、任务 2 基本概念：机器人结构简单，配套部件种类单一；关键部件：谐波减速器（哈默纳科）、RV减速器（纳博特斯克），占机械成本7080%。其他专业厂生产的功能部件：CRB轴承；同步带、滚珠丝杠、直线导轨（通用，数控课程介绍）。一、谐波减速器1. 基本概念要点美国C . W. Musser（马瑟）1955年发明 ；日本Harmonic Drive System（哈默纳科）是全球最早、最大、最著名，几乎唯一的生产企业；国内已有产品，但性能差距十分大。全称谐波齿轮传动装置（Harmonic gear drive）；谐波齿轮传动装置可用于减速，也可用于升速；在机器人上，总是用于减速，故称谐波减速

2、器；是目前减速比最大（可达320 ）的减速器。 概念辨析：速比、传动比、减速比概念辨析（ 非常重要！）速比 国外（如日本）常用术语 速比 = 输出转速 / 输入转速 减速器的“速比”总是小于1。传动比 国内常用术语 传动比 = 输入转速 / 输出转速 减速器的“传动比”总是大于1。减速比 国内、外通用术语 减速比 = 输入转速 / 输出转速 减速器的“减速比”总是大于1。2. 结构与原理基本结构 非常简单，只要刚轮、柔轮、谐波发生器3个部件。谐波发生器柔轮刚轮刚轮（Circular Spline） 有连接孔的刚性内齿圈；齿数比柔轮略多（一般多2或4个）；有时直接加工在CRB轴承上（单元型减速器

3、）。 柔轮（Flex Spline） 薄壁金属弹性外齿圈 ，减速器关键部件；齿形与刚轮相同，齿数比刚轮少2或4个）；柔轮可以制成类似水杯（Cup）、礼帽（Silk Hat） 、薄饼（Pancake）等形状。 谐波发生器（Wave Generator ）内芯为椭圆凸轮，外圈为弹性薄壁滚珠轴承；凸轮与输入轴可采用柔性联轴器、刚性法兰连接。变速原理 参见P51、图2.2-2。谐波发生器回转柔轮一齿、一齿与刚轮啮合 由于柔轮、刚轮只能一齿一齿啮合，如柔轮齿数少于刚轮，回转一圈后，柔轮基准齿将偏移刚轮基准齿一个齿差（2或4齿）。 结论： 可将谐波发生器（输入）的360回转变成柔轮（输出）一个齿差的偏转，

4、输出/输入速比为： i =（ Z c Z f ）/ Z f Z c：刚轮齿数；Z f ：柔轮齿数 定义: 基本减速比 R = 1/ i = Z f / （ Z c Z f ） 以符号 “-” 表示输出与输入转向相反。 典型应用：速比 i = -1/ R减速比：-R速比 i = 1/ （R + 1）减速比：R+1谐波发生器输入谐波发生器输入刚轮固定刚轮输出柔轮输出柔轮固定主要特点承载能力强、传动精度高。 基本概念：同时啮合的齿数越多，承载能力越强、传动精度越高。 普通齿轮：同时啮合齿12对（27%），传动精度61510-4rad ； 谐波减速器：同时啮合齿数十对（30%），传动精度1.5410-

5、4rad 。 数控机床回转轴精度：210-5rad。 非常重要！ 1 arc min = 1 /60 = 2.9110-4rad 1 arc sec = 1 /3600 = 4.8510-6rad 传动比大，但传动效率较低 。 基本概念： 普通齿轮：传动比810，传动效率9098%； 谐波减速器：传动比30320，传动效率4090%； 重要！提高减速比、工作温度和输出转矩，可提高效率。结构简单，体积小、重量轻、使用寿命长。 只有3个零件，寿命700010000h（哈默纳科）传动平稳，无冲击、噪声小 ，安装调整方便 。对材料（特别柔轮）要求极高。 国产谐波减速器还远远达不到7000h。3. 可选

6、结构 柔轮形状、输入连接方式可选。柔轮形状 水杯形（Cup type） 礼帽形（Silk Hat type） 薄饼形（Pancake type）水杯形（Cup type ）外径小、刚性好；不能为“中空” 结构，对连接面要求较高。礼帽形（ Silk Hat type ） 端面敞开、安装方便，对连接面要求较低；可采用“中空”结构； 外径大、刚性较差 。 薄饼形（ Pancake type ） 超薄型减速器特殊结构，可大大减少轴向尺寸； 不能直接固定或连接负载，必须使用第2刚轮 ； 承载能力强，安装要求特殊，连续工作要求油润滑（脂润滑：减速器平均输入转速、负载率ED% 10%、运行时间 10min）

7、。输入连接方式 可选柔性轴孔（带联轴器）、刚性轴孔、刚性法兰。柔性轴孔刚性轴孔刚性法兰凸轮轴承轴套联轴器轴承凸轮柔性轴孔（标准结构 ）输入轴与轴套孔采用平键连接、轴套与凸轮通过奥尔德姆联轴器（Oldmans Coupling） 连接；具有偏心自动调整功能，对输入轴和减速器的同轴度要求低；联轴器存在间隙，不能为“中空”结构。 奥尔德姆联轴器（十字滑块联轴器）原理输入十字滑块输出刚性轴孔连接轴孔直接加工在凸轮体上，输入轴与凸轮采用平键连接；不能为“中空” 结构；刚性、无间隙连接，不具备自动调心功能。刚性法兰连接面、孔直接加工在凸轮体上，输入轴与凸轮用法兰（内孔、端面定位）连接、螺钉固定；输入轴可为

8、“中空” 结构；刚性、无间隙连接，不具备自动调心功能。4. 产品型式部件型（Component type ）只提供刚轮、柔轮、谐波发生器3个部件；规格全、价格低、使用灵活；减速器需用户现场安装，装配要求高；支承柔轮的输出轴承需用户设计、安装；需用户充填润滑脂、维护工作量大；柔轮形状、输入连接方式可选。 常用产品： 标准水杯形、标准礼帽形、标准博饼形。标准水杯形（P56、图2.2-9）标准结构；柔轮为水杯形，输入为柔性轴孔连接。刚轮凸轮轴套柔轮输入轴平键标准礼帽形（P56、图2.2-10）标准结构；柔轮为礼帽形，输入为柔性轴孔连接。刚轮凸轮轴套柔轮输入轴平键标准薄饼形（P57、图2.2-11）标

9、准结构；柔轮为薄壁外齿圈、通过1:1传动的刚轮S连接负载（或固定）；输入为刚性轴孔连接。刚轮S凸轮柔轮输入轴平键刚轮D单元型（Unit type ）减速器、CRB轴承、壳体统一设计，可整体安装；刚轮、柔轮间有CRB轴承；可直接连接负载；带有密封壳体，工作可靠性高；无需用户现场组装，使用简单、方便；无需用户充填润滑脂，维护工作量小；输入连接可选择标准轴孔、中空轴、标准轴。 变形产品：简易单元型（Simple unit type ）单元型的简化结构，有CRB轴承，但无壳体；性能、价格介于部件型、单元型之间；减速器无需用户现场组装，但润滑脂需用户充填；柔轮均为礼帽形，输入连接可为标准轴孔、中空轴。标

10、准单元型（P57、图2.2-12）水杯形柔轮、柔性轴孔输入，刚轮与壳体一体。刚轮凸轮CRB柔轮连接板中空轴单元型（P58、图2.2-13）礼帽形柔轮，输入轴中空、用前后端盖支承、密封。刚轮中空轴&凸轮CRB柔轮端盖端盖轴输入单元型（P58、图2.2-14）礼帽形柔轮、标准轴输入，有前后端盖支承、密封。刚轮输入轴CRB柔轮端盖端盖凸轮简易标准单元（P58、图2.2-15）礼帽形柔轮、标准轴孔输入，无前后支承、密封端盖。刚轮CRB柔轮凸轮简易中空单元（P59、图2.2-16）礼帽形柔轮、标准轴孔输入，无前后支承、密封端盖。刚轮中空轴&凸轮CRB柔轮其他产品齿轮箱型（Gear head type ）

11、可直接安装电机、直接驱动负载（P35图2.2-7）。回转执行器（Rotary Actuator ）电机、减速器集成一体，典型机电一体化。 练一练 ： 完成 P68，技能训练三、RV减速器1. 基本概念要点旋转矢量（Rotary Vector）减速器的简称 ；日本Nabtesco Corporation（纳博特斯克）1985年研发；减速原理 = 摆线针轮减速 + 行星齿轮减速；纳博特斯克是全球最早、最大、最著名，几乎唯一的RV减速器生产企业；国内有山寨产品，但性能差距十分大；实际也可用于升速；在机器人上，总是用于减速，故称RV减速器。2. 结构与原理基本结构 复杂，包括行星齿轮、曲轴、摆线针轮3

12、大部分。输入太阳轮行星齿轮2. 行星齿轮曲轴RV齿轮3. RV齿轮针齿销针轮 传动路线太阳轮（输入轴）带动行星齿轮（2或3个）旋转 ； 第一级、正齿轮减速；行星齿轮带动曲轴（2或3根）旋转；旋转曲轴带动RV齿轮（2片）摆动；RV齿轮通过针齿销推动针轮偏转； 简单RV减速器有时直接将RV齿轮、针轮做成齿轮，省略针齿销。 RV齿轮和针轮存在齿差（一般为1） ，RV齿轮旋转一周，只能推动针轮偏转一个齿差。 第二级、差动齿轮变速。变速原理 观看原理视频曲轴回转RV齿轮和针轮啮合位置（最高点）一齿、一齿顺时针移动针齿销推动针轮缓慢偏转 差动齿轮变速原理曲轴回转360，针轮偏移1个齿差 结论： 可将曲轴（

13、行星齿轮）的360回转变成针轮（输出）一个齿差的偏转。 第一级（正齿轮减速）输出/输入速比 i 1 = Z 1 / Z 2 Z 1：太阳轮齿数；Z2：行星齿轮齿数第二级（差动齿轮变速，针轮输出时） i 2 =（ Z 4 Z 3 ）/ Z 4 Z 4 ：针轮齿数（针齿销数）；Z3 ：RV齿轮齿数 如齿差为1，则（ Z 4 Z 3 ）= 1 i 2 =（ Z 4 Z 3 ）/ Z 4 = 1 / Z 4 总变速比（针轮输出/太阳轮输入，齿差为1） i =（ Z 1 / Z 2 ）（1 / Z 4 ）= Z 1 / ( Z 2 Z 4 )变速比 定义: 基本减速比 R = 1 + ( Z 2 Z 4

14、 ) / Z 1 以符号 “-” 表示输出与输入转向相反。 典型应用：速比 i = - 1 / (R 1)减速比：-（ R 1 ）太阳轮输入针轮输出RV齿轮固定针轮固定RV齿轮输出太阳轮输入速比 i = 1 / R减速比：R主要特点（相比谐波减速器）减速比较大、结构刚性更好。 原因：齿差小（通常为1）、2级减速（减速比相乘，R= 30260）；针齿销直径较大、刚性高（谐波齿轮减速器柔轮为薄壁、小齿）。传动间隙较大、传动精度较低。 原因：2级齿轮传动 + 曲轴摆动，必然存在间隙；降低传动精度。结构复杂，安装、调试、维修不及谐波减速器方便。 原因：零件多、不能分离安装。 结论：谐波减速器：适合手腕

15、（小体积、高精度）；RV减速器：适合机身（高刚性、大转矩）。3. 产品型式 有基本型 、单元型（分标准型、紧凑型、中空型）、齿轮箱型（分高速型、标准型、基座型）3大类。基本型（Original type ） P94、图4.3-1, P99、图4.3-4； 由外向内（径向）可分针轮层、RV齿轮层、芯轴层3层，每一层均可旋转。针轮层RV齿轮层芯轴层针轮层由针轮和针齿销组成；针轮是加工有法兰和安装孔的内齿圈；针齿销用来代替齿轮直接啮合，减小摩擦阻力。 RV齿轮层（最复杂）包括RV齿轮、端盖、输出法兰、曲轴组件等；RV齿轮、端盖、输出法兰均为中空结构，中间用来安装芯轴；端盖和输出法兰用来安装曲轴支承轴

16、承，两者通过法兰上的脚状支架（23个）连为一体；脚状支架所空出的空间用来安装曲轴；RV齿轮套在脚状支架外圆上，可偏摆、不能回转； 曲轴组数量与减速器规格（输出转矩大小）有关，小规格2组，中、大规格为3组。 芯轴层包括芯轴和太阳轮，安装在减速器中心；中空型减速器的芯轴为空心轴；同规格减速器的减速比，通过正齿轮速比改变；减速比大、太阳直径小，芯轴、太阳轮一体；太阳轮齿轮直接加工在芯轴上；减速比小、太阳直径大，芯轴、太阳轮分离；太阳轮套在芯轴上。芯轴为花键轴，太阳轮的外圈为齿轮、内圈为花键。单元型标准单元型 P99、图4.3-5 采用标准单元型结构，减速器端盖、输出法兰和针轮间，有1对（2只）高刚性、角接触球轴承（和基本型的区别）； 减速器可直接安装、并连接负载，使用更方便 。输出轴承紧凑单元型 P100、图4.3-6 减速器端盖、输出法兰和针轮间，同样有1对（2只）高刚性、角接触球轴承； 芯轴（太阳轮）安装在输出法兰侧、不穿越减速器；减速器外径小、结构紧凑； 减速器可直接安装、并连接负载。中空单元型 P100、图4.3-7 端盖、RV齿轮、输出法兰结构同标准单元型，但中空直径更大； 太阳轮为中空双联齿轮，安装在输出法兰侧； 减速器中空区域，可以安装电缆、管线。齿轮箱型高速型（ P101、图4.3-8 ）可直接安装电机、使减速器电机一体化；输出可以为轴或法兰；减速