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                        RV(Rotate-Vector)減速器設計

                        添加時間:2019/03/13 來源:煙臺大學 作者:劉遠志
                        本論文在查閱現有研究成果的基礎上,采用理論分析法和軟件仿真分析法對FRV—400C1 型減速器進行研究,并在研究的基礎上對其試制。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          RV(Rotate-Vector)減速器是采用了差齒減速結構的高精密控制用減速器。由于該減速器同時嚙合的齒輪數比較多,所以具備小型、輕量特點的同時,也具有高剛性、耐過載的特點。另外, RV 減速器旋轉振動小、慣性小,所以具有良好的加速性能,可實現平穩運轉并獲取正確的位置精度。目前在我國,高精度的 RV 減速器仍然需要從國外大量進口成為限制我國工業機器人行業發展的主要因素。為解決這一難題,相關的科研工作者應加大對 RV 減速器理論研究,并探索解決一系列的實際加工難題。本文的主要研究成果如下:

                         。1)完成對 FRV—400C1 型減速器所有零部件的設計工作。借助 Solidworks 軟件實現對所有零件三維模型的建立,并結合 AutoCAD 軟件實現二維圖的繪制,根據RV 減速器的工作特性及具體加工要求制定公差和表面質量要求,制定設計圖。

                         。2)分析 RV 減速器的傳動特性。通過對 RV 減速器結構的研究,分析擺線輪的嚙合原理并推導擺線的生成方程,優化擺線齒形的修行量,采用平移坐標法的加工方法對擺線輪進行修形加工。

                         。3)使用 ANSYS Workbench 軟件,建立 FRV—400C1 減速器的有限元模型,對減速器進行模態分析,求解 RV 減速器的振型和固有頻率。分析 RV 減速器各個零部件在不同頻率下的工作狀態,并確定零部件的薄弱環節,對易損壞部位進行優化設計,為減速器的試制環節奠定理論基礎。

                         。4)探索 RV 減速器關鍵零部件的加工工藝,實現零件從原材料到成品的轉換,嚴格保證產品精度。應對加工過程中出現的問題,分析問題產生的原因并提出優化改進方法。

                         。5)為核心零部件的加工設計一套完整的工裝。

                          關鍵詞:RV 減速器,試制,擺線修形,有限元分析,工裝設計

                        Abstract

                          The RV (Rotate-Vector) reducer is a high precision control decelerator which uses the planocentric mode of the deceleration structure. Because of the number of gear meshing at the same time, the number of gears is more, so it has the characteristics of small and light weight, and also has the characteristics of high rigidity and overload. In addition, due to the clearance, rotating vibration, small inertia, so it has good acceleration performance, and it can achieve smooth operation and obtain the correct position precision. At present in our country, the high precision RV reducer still need to import large quantities from abroad has become the main factors restricting the development of China's industrial robot industry, in order to solve this problem, the researchers should strengthen the theoretical research of RV reducer, and explore the solution to the practical processing of a series of problems.The main research results of this paper are as follows:

                          (1) Complete the design of all parts of the FRV - 400C1 decelerator. With the help of Solidworks software, the 3D model of all parts is established, and the 2D drawing is drawn with the help of AutoCAD software. According to the working characteristics of RV reducer and the specific processing requirements, the tolerance and surface quality requirements are formulated, and the design drawing is worked out.

                          (2) Analysis of the transmission characteristics of the RV reducer. By analyzing the structure of the RV reducer, we deduce the reduction ratio, analyze the meshing principle of the cycloid wheel, and deduce the generating equation of the cycloid, and optimize the training amount of the cycloidal tooth profile.

                          (3) With the help of ANSYS Workbench software, establish the finite element model of FRV 400-C1 reducer, the reducer for modal analysis of RV reducer, solving the vibration mode and natural frequency of gear reducer. Statics analysis for RV reducer under the stress state of the parts of the state of stress and strain, determine the reducer weak link and its strength check.

                          (4) Explore the processing technology of key parts of RV reducer, realize the transformation of parts from raw materials to finished products, strictly guarantee product accuracy, deal with the problems arising in the process, analyze the causes of problems, propose optimization and improvement methods.

                          (5)Designing a complete set of tooling for the processing of the core parts.

                          Key Words : RV reducer, transmission characteristics, finite element analysis, technology,tooling

                          眾所周知,一個國家機械行業的發展水平是該國家綜合國力的重要體現。改革開放以來,中國的經濟快速發展,在機械行業尤其是重型機械領域發展迅速,減速器作為重型機械中最常見的組成部分也隨之迅速發展,在建筑機械領域和礦山機械領域對減速器的運用尤為頻繁[1]。近幾年來,精密機器人行業做為機械領域中的新生力量迅速發展壯大,成為目前最為矚目的行業。德國在高技術發展戰略中提出工業 4.0 的概念,著重強調了高精密機器人對工業自動化發展中的重要作用,機器人行業的發展前景也十分廣闊。由于機器人用減速器對整機傳動精度的要求很高,因此對機器人中使用的減速器的要求也隨之提高。

                          精密 RV 減速器作為機器人關節部位的重要傳動機構,其設計要求與加工制造難度也隨之提升。中國減速器的主要產品由一開始的齒輪減速器到目前最受矚目的 RV 減速器,其發展過程漫長而艱難。毋庸置疑,實現 RV 減速器的國產化將對國內機器人行業產生重大的影響[2]。根據前瞻研究院發布的數據顯示,2013 年我國共生產減速機 555.8 萬臺,實現銷售收入 806 億元,同比增長 25%。根據國家權威數據收集部門的采集結果,對 RV 減速器的發展規模進行預估,我國在 2018 年對工業機器人的需求總量將達到 8.9 萬臺,平均一臺工業機器人安裝 5 臺減速器來算,我國在 2018 年對 RV 減速器的需求總量將達到44.5 萬臺。根據國內目前已經投入使用的機器人數量,機器人的使用壽命 8 年計算,未來國內對精密 RV 減速器的需求量將達到 100 萬臺,銷售額將達到 200 億元。

                          目前工業用機器人減速器的主流產品大致分為三種類型:RV 減速器、擺線針輪減速器、諧波減速器[3]。RV 減速器由于本身的獨特優勢,雖然價格昂貴但是對其的需求量有增無減,RV 減速器擁有以下優點:

                         。1)傳動比范圍大。RV 減速器的本質是一種二級減速裝置,輸入齒輪與三個環繞布局的行星輪構成第一級減速系統,擺線輪與針齒(針齒殼)構成第二級減速系統。由于第二級減速系統為少齒差齒傳動,即擺線輪齒數比針齒數少 1,因此可獲得范圍較大的傳動比[4-6]。一般情況下經常用的傳動比為 57~192。

                         。2)傳動精度高,傳動回差小。根據 RV 減速器運動理論設計要求,擺線輪齒與針齒、針齒與針齒殼之間的接觸方式均為無間隙、無滑動的純滾動摩擦接觸,所以只要設計加工 的合理,就可獲得較高的傳動精度和較小的傳動回差。目前階段 RV 減速器的傳動誤差≤1’,空程角回差≤1.5’,額定狀態下的總回差≤6’[7]。

                         。3)傳動效率高。一般的漸開線行星齒輪減速器的傳動效率與傳動比成反比[8],即傳動比越大,傳動效率越高。而 RV 減速器因為第二級減速機構為純滾動摩擦式接觸,所以在保證了 RV 減速器具有較大傳動比的同時,傳動效率可達90%~97%。

                         。4)承載能力強,使用壽命長。RV 減速器的兩個擺線輪成對稱安裝,相位角相差 180°。在其工作過程中不同于漸開線齒輪的凸凸嚙合,而 RV 減速器中擺線輪與針齒為凹凸嚙合,增加了接觸面積[9-11],因此可獲得較大的扭矩,承載能力大。理論上擺線輪輪齒可同時與 1/2 的針齒同時接觸,可減少磨損從而增加使用壽命。

                          同時 RV 減速器還具有體積小、質量輕、結構緊湊、運行噪聲小、維修保養周期長等眾多優勢。

                          RV(Rotate-Vector)減速器設計:

                        擺線輪剖面圖
                        擺線輪剖面圖

                         擺線輪主視圖
                        擺線輪主視圖

                        底盤
                        底盤

                        有限元分析圖
                        有限元分析圖

                        擺線輪樣品圖
                        擺線輪樣品圖

                        心軸工裝
                        心軸工裝

                        上頂尖
                        上頂尖

                        下頂尖
                        下頂尖

                        工裝底座
                        工裝底座

                        裝配體
                        裝配體

                        目錄

                          摘要
                          Abstract
                          第一章 緒論
                            1.1 課題研究背景及意義
                            1.2 國內外研究現狀
                              1.2.1 國外 RV 減速器的發展史與研究現狀
                              1.2.2 國內 RV 減速器的發展和研究現狀
                            1.3 課題研究的目的與意義
                            1.4 課題研究內容與創新點
                              1.4.1 課題研究內容
                              1.4.2 課題研究思路
                              1.4.3 課題創新點
                            1.5 本章小結
                          第二章 RV 減速器的結構分析
                            2.1 RV 減速器的傳動原理
                            2.2 RV 減速器零部件分析與實體建模
                              2.2.1 簡介
                              2.2.2 零件介紹及重要加工表面的分析
                            2.3 本章小結
                          第三章 RV 減速器有限元仿真
                            3.1 簡介
                            3.2 導入創建的幾何體
                            3.3 添加材料屬性
                            3.4 劃分網格
                            3.5 施加約束載荷并求解
                            3.6 模態計算結果及分析
                            3.7 本章小結
                          第四章 RV 減速器擺線的形成與修形
                            4.1 RV 減速器擺線的形成
                              4.1.1 擺線的定義
                              4.1.2 擺線的分類
                              4.1.3 外擺線方程的求解
                              4.1.4 擺線輪的三維建模
                            4.2 RV 減速器擺線的修形
                              4.2.1 齒廓修形理論
                              4.2.2 平移坐標法修形齒廓
                              4.2.3 修形檢測結果分析
                            4.3 本章小結
                          第五章 RV 減速器關鍵零部件工裝的設計
                            5.1 擺線輪立加工裝的模塊化設計
                              5.1.1 模塊化工裝的意義
                              5.1.2 技術方案
                              5.1.3 模塊化設計
                              5.1.4 有限元仿真分析
                              5.1.5 總結
                            5.2 行星輪磨齒工裝的設計
                              5.2.1 行星輪特征及加工時需要注意的問題
                              5.2.2 技術方案
                              5.2.2 磨齒工裝的可行性分析
                              5.2.3 總結
                            5.3 針齒殼磨齒工裝的設計
                              5.3.1 引言
                              5.3.2 技術方案
                              5.3.3 檢測報告的分析
                              5.3.4 總結
                            5.4 本章小結
                          第六章 總結與展望
                            6.1 本文工作總結
                            6.2 未來工作展望
                          參考文獻
                          附錄
                          致謝
                          攻讀學位期間的研究成果
                          版權聲明

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