RV减速器结构分析与三维造型设计
时间：2023-04-12 10:50:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王万新
(德州学院 能源与机械学院，山东 德州 253023)
谐波减速器和RV减速器是工业机器人常用的两种减速器，与通用减速器相比，机器人用的减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等优点。其中RV减速器是在传统针摆行星传动的基础上发展起来的，由摆线针轮和行星支架组成，以体积小、抗冲击力强、扭矩大、减速比大等诸多优点被广泛应用于工业机器人、机床、医疗检测设备等领域。
在工业机器人结构设计时，RV减速器一般用于机器人转矩大的腿部、腰部和肘部三个关节，相比于谐波减速器，RV减速器具有更高的疲劳强度、刚度和寿命，因此，RV减速器在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的发展趋势。深入研究RV减速器原理，提高零部件加工精度及装配质量是RV减速器制造的关键。
RV减速器由摆线针轮和行星支架两部分组成，其传动原理如图1所示。第一级传动：输入轴中心轮1将运动传递给三个圆周均布的行星轮2(也有结构采用两个行星轮[1])，输出轮6起到行星架作用；
第二级传动：与行星轮2固联的曲柄轴3驱动摆线轮4形成摆线轮公转，在摆线轮公转的同时与针齿壳7上的针齿5啮合，形成摆线轮的自转[2]。
根据行星轮系的通用研究方法[3]，对整个轮系施加一个与输出轮6转速相同的反转转速后，曲柄轴3的轴线位置变为固定，第一级传动中的中心轮1、行星轮2构成定轴轮系传动，其传动比为：
(1)
其中：n1为中心轮转速；
n2为行星轮转速；
n6为输出轮转速；
“-”表示行星轮与中心轮转向相反；
z1为中心轮1的齿数；
z2为行星轮2的齿数。
1-中心轮；
2-行星轮；
3-曲柄轴；
4-摆线轮；
5-针齿；
6-输出轮；
7-机架(针齿壳)
在第二级传动中，由摆线轮、针齿、固定的针齿壳构成针齿传动，其中摆线轮、输出轮与三个圆周均布的曲柄轴构成平行四边形传动结构，摆线轮与输出轮(行星架)转动速度一致[4]，即摆线轮速度n4=n6。如果对整个减速装置施加一个与行星架大小相等的反转转速，虽然能使曲柄轴转动中心变为固定，但由曲柄驱动的摆线轮仍存在公转与自转现象，所以施加的反转转速应为曲柄轴(行星轮)的转速n2，施加反转速度n2后，摆线轮与针齿壳间的传动比为：
(2)
其中：n7针齿壳转速，其为机架，n7=0；
n4为摆线轮转数；
z4为摆线轮的齿数；
z7为针齿壳的齿数。
RV减速器中一般设计摆线轮与针齿壳的齿数差为1，即z4=z7-1，所以：
(3)
将式(3)代入式(1)可得RV减速器的传动比计算公式为：
(4)
2.1 中心轮和行星轮
输入轴上的中心轮一般取渐开线齿轮，可以做成齿轮轴或通过花键结构与输入轴连接。行星轮与曲柄轴固联，为了对称分流功率，一般设计两到三个行星轮均匀分布在中心轮的外侧圆周上。
2.2 摆线轮(RV齿轮)
摆线轮是RV减速器的核心部件之一，其齿廓曲线精度对摆线针轮的接触状态影响很大[5]。在摆线轮传动部分，为了实现径向力的平衡，一般应采用两个完全相同的摆线轮(结构如图2所示)，分别安装在曲柄轴上，且两摆线轮的偏心位置相互成180°。
图2 摆线轮结构
RV减速器摆线轮的标准齿廓曲线参数表达式为[6]：
(5)
2.3 曲柄轴
曲柄轴的结构如图3所示，其一端Ⅰ段用于连接减速器输出轮，另一端Ⅳ段用于装配行星轮，曲柄轴的Ⅱ段、Ⅲ段用于支撑摆线轮，曲柄轴转动时可以带动摆线轮产生公转，同时又支撑摆线轮的自转，减速器输出轮可以看作行星轮系的转臂H。
图3 曲柄轴结构
曲柄轴的Ⅰ段、Ⅳ段同轴，曲柄轴的Ⅱ段、Ⅲ段轴心对称分布在Ⅰ～Ⅳ段轴心两侧，与Ⅰ～Ⅳ段公共轴心的偏心距为a。
零件的建模、装配可以使用常用的CAD/CAM软件，如SolidWorks。RV减速器结构的组成如图4所示，关键零部件包括中心轮、行星轮、曲柄轴、摆线轮、针齿壳等，其中用到的螺栓、螺母、轴承等标准件可以直接从标准零件库中调取。
3.1 主要零件的建模
(1) 曲柄轴由于结构简单，可以通过常规的建模方法实现。
(2) 中心轮、行星轮等渐开线齿轮及摆线轮需要进行参数化建模，是RV减速器三维建模的关键[7]。齿轮参数化建模过程如下：①明确基本设计参数，如模数、齿数、压力角、齿顶高系数、齿根高系数和齿轮宽度等；
②确定齿形绘制算法，确定齿廓参数公式的参数及取值范围；
③进行二次开发交互设计，根据齿廓参数公式生成单个齿形，然后镜像、阵列形成所有齿形，最终完成建模[8]。
(3) 摆线轮由于齿廓曲线较为复杂，生成的难点在于齿廓参数方程的分析，可以利用参数方程先生成半个理论轮廓，镜像完成整个轮廓，然后通过拉伸、切除完成摆线轮建模。在摆线轮廓的基础上绘制出半径为rp、偏心距为a的偏心圆，该偏心圆是针齿圆心分布圆，可以在该偏心圆上阵列出针齿草图，拉伸即可得到针齿模型。在不影响仿真结果，尤其是传动精度的前提下，为提高仿真效率，可以适当简化。
1-中心轮；
2-行星轮；
3-曲柄轴，4,5,7,10-轴承；
6-行星架；
8-针齿壳；
9-摆线轮；
11-连接螺栓；
12-连接螺母；
13-输出轮
3.2 结构装配
本文采用自下而上设计方式，先建立各关键零件模型，然后对各零件进行导入、添加关系约束进行装配。RV减速器的零件较多且关系复杂，只在一个装配体工程中完成全部零件的组装较难，所以可先对局部零部件分级组装，最后再对子装配体总装。
3.2.1 针齿壳与针齿的子装配
针齿壳是减速器中的固定件，先导入针齿壳，再导入针齿模型，通过同轴约束、重合约束完成针齿装配，如图5(a)所示。
3.2.2 曲柄轴组件子装配
RV减速器有3根曲柄轴，每根曲柄轴上有4个轴承，分别与行星架、支撑法兰、两个摆线轮对应的轴段配合，同轴配合与重合配合即可，装配时需注意圆锥滚子轴承方向，如图5(b)所示。
3.2.3 输入端支撑子装配
输入端支撑由行星架(输入端法兰)、圆柱滚子轴承等组成，通过同轴配合与重合配合装配，如图5(c)所示。
3.2.4 输出端子装配
输出端装配由输出盘(输出法兰)、密封圈、圆柱滚子轴承等组成，通过同轴配合与重合配合装配，如图5(d)所示。
3.2.5 总体装配
子装配完成后，以输入端子支撑为参照，依次导入曲柄轴子组件(如图5(e)所示)、摆线轮(如图5(f)所示)、针齿壳(如图5(g)所示)、输出端子装配(如图5(h)所示)，通过孔、轴同轴配合和端面重合等约束实现装配，最后装配螺栓、螺母等剩余零件进行相关配合，完成总装配。
图5 减速器装配
RV减速器结构在建模装配时，应依据实物的拆卸、测量结果，并与理论知识结合。如在结构装配、仿真运动时出现干涉或碰撞应及时合理地修改模型，以便直观地了解RV减速器各零部件的基本构造、装配关系以及运动原理。通过对减速器关键部件建模和结构装配，可为设计、制造减速器，深入研究减速器结构的传动误差及额定工况下的动力学分析提供数字模型。
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