第4章 谐波减速器及维护

4.1　变速原理与产品

4.1.1　谐波齿轮变速原理

(1)基本结构

谐波减速器是谐波齿轮传动装置(harmonic gear drive)的俗称。谐波齿轮传动装置实际上既可用于减速,也可用于升速,但由于其传动比很大(通常为30~320),因此,在工业机器人、数控机床等机电产品上应用时,多用于减速,故习惯上称谐波减速器。

谐波齿轮传动装置是美国发明家C.W.Musser(马瑟,1909—1998)在1955年发明的一种特殊齿轮传动装置,最初称变形波发生器(strain wave gearing);1960年,美国United Shoe Machinery公司(USM)率先研制出样机;1964年,日本的长谷川齿轮株式会社(Hasegawa Gear Works,Ltd.)和USM合作成立了Harmonic Drive(哈默纳科,现名Harmonic Drive System Co.,Ltd.)公司,开始对其进行产业化研究和生产,并将产品定名为谐波齿轮传动装置(Harmonic gear drive)。因此,Harmonic Drive System(哈默纳科)既是全球最早研发生产谐波减速器的企业,也是目前全球最大、最著名的谐波减速器生产企业,世界著名的工业机器人几乎都使用Harmonic Drive System的谐波减速器。

谐波减速器的基本结构如图4.1.1所示。减速器主要由刚轮(circular spline)、柔轮(flex spline)、谐波发生器(wave generator)3个基本部件构成。刚轮、柔轮、谐波发生器可任意固定其中1个,其余2个部件一个连接输入(主动),另一个即可作为输出(从动),以实现减速或增速。

① 刚轮　刚轮(circular spline)是一个加工有连接孔的刚性内齿圈,其齿数比柔轮略多(一般多2或4齿)。刚轮通常用于减速器安装和固定,在超薄型或微型减速器上,刚轮一般与交叉滚子轴承(cross roller bearing,简称CRB)设计成一体,构成减速器单元。

② 柔轮　柔轮(flex spline)是一个可产生较大变形的薄壁金属弹性体,弹性体与刚轮啮合的部位为薄壁外齿圈,它通常用来连接输出轴。柔轮有水杯、礼帽、薄饼等形状。

③ 谐波发生器　谐波发生器(wave generator)又称波发生器,其内侧是一个椭圆形的凸轮,凸轮外圆套有一个能弹性变形的柔性滚动轴承(flexible rolling bearing),轴承外圈与柔轮外齿圈的内侧接触。凸轮装入轴承内圈后,轴承、柔轮均将变成椭圆形,并使椭圆长轴附近的柔轮齿与刚轮齿完全啮合,短轴附近的柔轮齿与刚轮齿完全脱开。凸轮通常与输入轴连接,它旋转时可使柔轮齿与刚轮齿的啮合位置不断改变。

(2)变速原理

谐波减速器的变速原理如图4.1.2所示。

假设减速器的刚轮固定、谐波发生器凸轮连接输入轴、柔轮连接输出轴,图4.1.2所示的谐波发生器椭圆凸轮长轴位于0°的位置为起始位置。当谐波发生器顺时针旋转时,由于柔轮的齿形和刚轮相同,但齿数少于刚轮(如2齿),因此,当椭圆长轴到达刚轮-90°位置时,柔轮所转过的齿数必须与刚轮相同,故转过的角度将大于90°。例如,对于齿差为2的减速器,柔轮转过的角度将为“90°+0.5齿”,即柔轮基准齿逆时针偏离刚轮0°位置0.5个齿。

进而,当谐波发生器椭圆长轴到达刚轮-180°位置时,柔轮转过的角度将为“90°+1齿”,即柔轮基准齿将逆时针偏离刚轮0°位置1个齿。如椭圆长轴绕刚轮回转一周,柔轮转过的角度将为“90°+2齿”,柔轮的基准齿将逆时针偏离刚轮0°位置一个齿差(2个齿)。

因此,当刚轮固定、谐波发生器凸轮连接输入轴、柔轮连接输出轴时,输入轴顺时针旋转1转(-360°),输出轴将相对于固定的刚轮逆时针转过一个齿差(2个齿)。假设柔轮齿数为Zf、刚轮齿数为Zc;输出/输入的转速比为:

i1=

对应的传动比(输入/输出转速比,即减速比)为Zf /(Zc - Zf)。

同样,如谐波减速器柔轮固定、刚轮旋转,当输入轴顺时针旋转1转(-360°)时,将使刚轮的基准齿顺时针偏离柔轮一个齿差,其偏移的角度为:

θ=×360°

其输出/输入的转速比为:

i2=

对应的传动比(输入/输出转速比,即减速比)为Zc /(Zc - Zf)。

这就是谐波齿轮传动装置的减速原理。

反之,如谐波减速器的刚轮固定、柔轮连接输入轴、谐波发生器凸轮连接输出轴,则柔轮旋转时,将迫使谐波发生器快速回转,起到增速的作用;减速器柔轮固定、刚轮连接输入轴、谐波发生器凸轮连接输出轴的情况类似。这就是谐波齿轮传动装置的增速原理。

(3)技术特点

由谐波齿轮传动装置的结构和原理可见,它与其他传动装置相比,主要有以下特点。

① 承载能力强、传动精度高。齿轮传动装置的承载能力、传动精度与其同时啮合的齿数(称重叠系数)密切相关,多齿同时啮合可起到减小单位面积载荷、均化误差的作用,故在同等条件下,同时啮合的齿数越多,传动装置的承载能力就越强、传动精度就越高。

一般而言,普通直齿圆柱渐开线齿轮的同时啮合齿数只有1~2对,同时啮合的齿数通常只占总齿数的2%~7%。谐波齿轮传动装置有两个180°对称方向的部位同时啮合,其同时啮合齿数远多于齿轮传动,故其承载能力强,齿距误差和累积齿距误差可得到较好的均化。因此,它与部件制造精度相同的普通齿轮传动相比,谐波齿轮传动装置的传动误差大致只有普通齿轮传动装置的1/4左右,即传动精度可提高4倍。

以Harmonic Drive System(哈默纳科)谐波齿轮传动装置为例,其同时啮合的齿数最大可达30%以上,最大转矩(peak torque)可达4470N·m,最高输入转速可达14000r/min;角传动精度(angle transmission accuracy)可达1.5×10-4rad,滞后误差(hysteresis loss)可达2.9×10-4rad。这些指标基本上代表了当今世界谐波减速器的最高水准。

需要说明的是,虽然谐波减速器的传动精度比其他减速器要高很多,但目前它还只能达到弧分级(arc min,1'≈2.9×10-4rad),它与数控机床回转轴所要求的弧秒级(arc sec,1″≈4.85×10-6rad)定位精度比较,仍存在很大差距,这也是目前工业机器人的定位精度普遍低于数控机床的主要原因之一。因此,谐波减速器一般不能直接用于数控机床的回转轴驱动和定位。

② 传动比大、传动效率较高。在传统的单级传动装置上:普通齿轮传动的推荐传动比一般为8~10,传动效率为0.9~0.98;行星齿轮传动的推荐传动比2.8~12.5,齿差为1的行星齿轮传动效率为0.85~0.9;蜗轮蜗杆传动装置的推荐传动比为8~80,传动效率为0.4~0.95;摆线针轮传动的推荐传动比11~87,传动效率为0.9~0.95。而谐波齿轮传动的推荐传动比为50~160,可选择30~320,正常传动效率为0.65~0.96(与减速比、负载、温度等有关),高于传动比相似的蜗轮蜗杆减速。

③ 结构简单,体积小,重量轻,使用寿命长。谐波齿轮传动装置只有3个基本部件,它与达到同样传动比的普通齿轮减速箱比较,其零件数可减少50%左右,体积、重量大约只有1/3左右。此外,在传动过程中,由于谐波齿轮传动装置的柔轮齿进行的是均匀径向移动,齿间的相对滑移速度一般只有普通渐开线齿轮传动的1%;加上同时啮合的齿数多、轮齿单位面积的载荷小、运动无冲击,因此,齿的磨损较小,传动装置使用寿命可长达7000~10000h。

④ 传动平稳,无冲击、噪声小。谐波齿轮传动装置可通过特殊的齿形设计,使得柔轮和刚轮的啮合、退出过程实现连续渐进、渐出,啮合时的齿面滑移速度小,且无突变,因此,其传动平稳,啮合无冲击,运行噪声小。

⑤ 安装调整方便。谐波齿轮传动装置的只有刚轮、柔轮、谐波发生器三个基本构件,三者为同轴安装。刚轮、柔轮、谐波发生器可按部件提供(称部件型谐波减速器),由用户根据自己的需要,自由选择变速方式和安装方式,并直接在整机装配现场组装,其安装十分灵活、方便。此外,谐波齿轮传动装置的柔轮和刚轮啮合间隙,可通过微量改变谐波发生器的外径调整,甚至可做到无侧隙啮合,因此,其传动间隙通常非常小。

但是,谐波齿轮传动装置需要使用高强度、高弹性的特种材料制作,特别是柔轮、谐波发生器的轴承,它们不但需要在承受较大交变载荷的情况下不断变形,而且,为了减小磨损,材料还必须要有很高的硬度,因而,它对材料的材质、抗疲劳强度及加工精度、热处理的要求均很高,制造工艺较复杂。截至目前,除了Harmonic Drive System外,全球能够真正产业化生产谐波减速器的厂家还不多。

(4)变速比

谐波减速器的输出/输入速比与减速器的安装方式有关,如用正、负号代表转向,并定义谐波传动装置的基本减速比R为:

R=

式中　R——谐波减速器基本减速比;

　　Zf——减速器柔轮齿数;

　　Zc——减速器刚轮齿数。

这样,通过不同形式的安装,谐波齿轮传动装置将有表4.1.1所示的6种不同用途和不同输出/输入速比,速比为负值时,代表输出轴转向和输入轴相反。

4.1.2　产品与结构

(1)结构型式与输入连接

① 结构型式　Harmonic Drive System(哈默纳科)谐波减速器的结构型式分为部件型(component type)、单元型(unit type)、简易单元型(simple unit type)、齿轮箱型(gear head type)、微型(mini type及supermini type)5大类;柔轮形状分为水杯形(cup type)、礼帽形(silk hat type)和薄饼形(pancake type)3大类;减速器轴向长度分为标准型(standard)和超薄型(super flat)两类;用户可以根据自己的需要选用。其中,部件型、单元型、简易单元型是工业机器人最为常用的谐波减速器产品(见下述)。

我国现行的GB/T 30819—2014标准,目前只规定了部件(component)、整机(unit)两种结构;柔轮形状上也只规定了杯形(cup)和中空礼帽形(hollow)两种;轴向长度分为标准型(standard)和短筒型(dwarf)两类。国标中所谓的“整机”结构,实际就是哈默纳科的单元型减速器,所谓“短筒型”就是哈默纳科的超薄型。

② 输入连接　谐波减速器用于大比例减速时,谐波发生器凸轮需要连接输入轴,两者的连接形式有刚性连接和柔性连接两类。

刚性连接的谐波发生器凸轮和输入轴,直接采用图4.1.3所示的轴孔、平键或法兰、螺钉等方式连接。刚性连接的减速器输入传动部件结构简单、外形紧凑,并且可做到无间隙传动,但是,它对输入轴和减速器的同轴度要求较高,故多用于薄饼形、超薄型、中空型谐波减速器。

柔性连接的谐波减速器,其谐波发生器凸轮和输入轴间采用图4.1.4所示的奥尔德姆联轴器(Oldham’s coupling,俗称十字滑块联轴器)连接。联轴器滑块可十字滑动,自动调整输入轴与输出轴的偏心,降低输入轴和输出轴的同轴度要求。但由于滑块存在间隙,减速器不能做到无间隙传动。

(2)部件型减速器

部件型(component type)谐波减速器只提供刚轮、柔轮、谐波发生器3个基本部件;用户可根据自己的要求,自由选择变速方式和安装方式。哈默纳科部件型减速器的规格齐全、产品的使用灵活、安装方便、价格低,它是目前工业机器人广泛使用的产品。

根据柔轮形状,部件型谐波减速器又分为图4.1.5所示的水杯形(cup type)、礼帽形(silk hat type)、薄饼形(pancake)3大类,并有通用、高转矩、超薄等不同系列。

部件型谐波减速器采用的是刚轮、柔轮、谐波发生器分离型结构,无论是工业机器人生产厂家的产品制造,还是机器人使用厂家维修,都需要进行谐波减速器和传动零件的分离和安装,其装配调试的要求较高。

(3)单元型减速器

单元型(unit type)谐波减速器又称谐波减速单元,它是带有外壳和CRB输出轴承,减速器的刚轮、柔轮、谐波发生器、壳体、CRB轴承被整体设计成统一的单元;减速器带有输入/输出连接法兰或连接轴,输出采用高刚性、精密CRB轴承支承,可直接驱动负载。

哈默纳科单元型谐波减速器有图4.1.6所示的标准型、中空轴、轴输入三种基本结构型式,其柔轮形状有水杯形和礼帽形2类,并有轻量、密封等系列。

谐波减速单元虽然价格高于部件型,但是,由于减速器的安装在生产厂家已完成,产品的使用简单、安装方便、传动精度高、使用寿命长,无论工业机器人生产厂家的产品制造或机器人使用厂家的维修更换,都无需分离谐波减速器和传动部件,因此,它同样是目前工业机器人常用的产品之一。

(4)简易单元型减速器

简易单元型(simple unit type)谐波减速器是单元型谐波减速器的简化结构,它将谐波减速器的刚轮、柔轮、谐波发生器3个基本部件和CRB轴承整体设计成统一的单元,但无壳体和输入/输出连接法兰或轴。

哈默纳科简易谐波减速单元的基本结构有图4.1.7所示的标准型、中空轴两类,柔轮形状均为礼帽形。简易单元型减速器的结构紧凑、使用方便,性能和价格介于部件型和单元型之间,它经常用于机器人手腕、SCARA结构机器人。

(5)齿轮箱型减速器

齿轮箱型(gear head type)谐波减速器又称谐波减速箱,它可像齿轮减速箱一样,直接安装驱动电机,以实现减速器和驱动电机的结构整体化。

哈默纳科谐波减速箱的基本结构有图4.1.8所示的连接法兰输出和连接轴输出两类;其谐波减速器的柔轮形状均为水杯形,并有通用系列、高转矩系列产品。齿轮箱型减速器特别适合于电机的轴向安装尺寸不受限制的Delta结构机器人。

(6)微型和超微型

微型(mini)和超微型(supermini)谐波减速器是专门用于小型、轻量工业机器人的特殊产品,它实际上就是微型化的单元型、齿轮箱型谐波减速器,常用于3C行业电子产品、食品、药品等小规格搬运、装配、包装工业机器人。

哈默纳科微型减速器有图4.1.9所示的单元型(微型谐波减速单元)、齿轮箱型(微型谐波减速箱)两种基本结构,微型谐波减速箱也有连接法兰输出和连接轴输出两类。超微型减速器实际上只是对微型系列产品的补充,其结构、安装使用要求均和微型相同。