工業(yè)機(jī)器人的Rv減速器和諧波減速器對比分析

作為工業(yè)機(jī)器人核心零部件的精密減速器，與通用減速器相比，機(jī)器人用減速器要求具有傳動(dòng)鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等特點(diǎn)。

大量應(yīng)用在關(guān)節(jié)型機(jī)器人上的減速器主要有兩類：RV減速器和諧波減速器。

1、RV減速器和諧波減速器的原理和優(yōu)劣勢

RV減速器：

用于轉(zhuǎn)矩大的機(jī)器人腿部腰部和肘部三個(gè)關(guān)節(jié)，負(fù)載大的工業(yè)機(jī)器人，一二三軸都是用RV。相比諧波減速機(jī)，RV減速機(jī)的關(guān)鍵在于加工工藝和裝配工藝。RV減速機(jī)具有更高的疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命，不像諧波傳動(dòng)那樣隨著使用時(shí)間增長，運(yùn)動(dòng)精度會(huì)顯著降低，其缺點(diǎn)是重量重，外形尺寸較大。

▲RV-E型減速器▲

諧波減速器：

用于負(fù)載小的工業(yè)機(jī)器人或大型機(jī)器人末端幾個(gè)軸，諧波減速器是諧波傳動(dòng)裝置的一種，諧波傳動(dòng)裝置包括諧波加速器和諧波減速器。諧波減速器主要包括：剛輪、柔輪、軸承和波發(fā)生器三者，四者缺一不可。其中，剛輪的齒數(shù)略大于柔輪的齒數(shù)。諧波減速機(jī)用于小型機(jī)器人特點(diǎn)是體積小、重量輕、承載能力大、運(yùn)動(dòng)精度高，單級傳動(dòng)比大。

▲諧波減速器▲

兩者都是少齒差嚙合，不同的是諧波里的一種關(guān)鍵齒輪是柔性的，它需要反復(fù)的高速變形，所以它比較脆弱，承載力和壽命都有限。RV通常是用擺線針輪，諧波以前都是用漸開線齒形，現(xiàn)在有部分廠家使用了雙圓弧齒形，這種齒形比漸開線先進(jìn)很多。

減速器的兩巨頭是Nabtesco和Hamonica Drive，他們幾乎壟斷了全球的機(jī)器人用減速器。這兩種減速器都是微米級的加工精度，光這一條在量產(chǎn)階段可靠性高就很難了，更別說幾千轉(zhuǎn)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而且還要高壽命。

諧波減速器由“柔輪、波發(fā)生器、剛輪、軸承”這四個(gè)基本部件構(gòu)成。

柔輪的外徑略小于剛輪的內(nèi)徑，通常柔輪比剛輪少2個(gè)齒。波發(fā)生器的橢圓型形狀決定了柔輪和剛輪的齒接觸點(diǎn)分布在介于橢圓中心的兩個(gè)對立面。波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，柔輪和剛輪齒接觸部分開始嚙合。波發(fā)生器每正時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，柔輪就相當(dāng)于剛輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)1個(gè)齒數(shù)差。在180°對稱的兩處，全部齒數(shù)的30%以上同時(shí)嚙合，這也造就了其高轉(zhuǎn)矩傳送。

相比諧波減速器，RV傳動(dòng)是新興起的一種傳動(dòng)，它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，不僅克服了一般針擺傳動(dòng)的缺點(diǎn)，還具有體積小、重量輕、傳動(dòng)比范圍大、壽命長、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)等一系列優(yōu)點(diǎn)。

RV減速器是由擺線針輪和行星支架組成，以其體積小、抗沖擊力強(qiáng)、扭矩大、定位精度高、振動(dòng)小、減速比大等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床、醫(yī)療檢測設(shè)備、衛(wèi)星接收系統(tǒng)等領(lǐng)域。

RV減速器的殼體和擺線針輪是通過實(shí)體的鋼來發(fā)生傳動(dòng)的，因此承載能力強(qiáng)。而諧波減速器的柔輪可不斷發(fā)生變形來傳遞扭矩，這一點(diǎn)決定了諧波減速器承受大扭矩和沖擊載荷的能力有限，因此一般運(yùn)用在前端。

2、RV減速器和諧波減速器兩者的優(yōu)劣勢

諧波減速器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，適合于小型化、低、中載荷的應(yīng)用。

RV減速器剛性好、抗沖擊能力強(qiáng)、傳動(dòng)平穩(wěn)、精度高，適合中、重載荷的應(yīng)用，但RV減速器需要傳遞很大的扭矩，承受很大的過載沖擊，保證預(yù)期的工作壽命，因而在設(shè)計(jì)上使用了相對復(fù)雜的過定位結(jié)構(gòu)，制造工藝和成本控制難度較大。RV減速器內(nèi)部沒有彈性形變的受力元件，所以能夠承受一定扭矩。RV減速器的軸承是其薄弱環(huán)節(jié)，受力時(shí)很容易突破軸承受力極限而導(dǎo)致軸承異常磨損或破裂。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)這個(gè)問題更突出，所以RV減速機(jī)的額定扭矩隨輸入轉(zhuǎn)速下降非常明顯。

3、減速器之間是否存在取代關(guān)系

正方觀點(diǎn)：

RV減速器較機(jī)器人中常用的諧波傳動(dòng)具有高得多的疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命，而且回差精度穩(wěn)定，不像諧波傳動(dòng)那樣隨著使用時(shí)間增長運(yùn)動(dòng)精度就會(huì)顯著降低。所以許多國家的高精度機(jī)器人傳動(dòng)多采用RV減速器，因此，RV減速器在先進(jìn)機(jī)器人傳動(dòng)中有逐漸取代諧波減速器的發(fā)展趨勢。

這些產(chǎn)品在某些型號上確實(shí)存在替代關(guān)系，但這幾類減速器只能實(shí)現(xiàn)部分替代。絕大部分情況下，各類減速器很難實(shí)現(xiàn)替換，比如在速比方面，諧波和RV的速比都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于行星，所以小速比領(lǐng)域是行星的天下。當(dāng)然行星的速比是可以做大的，但是很難去替換諧波和RV。又比如剛性方面，行星和RV的剛性要好于諧波，在體現(xiàn)剛性的使用工況下，諧波很難有好的表現(xiàn)。

諧波減速器的特點(diǎn)是輕和小，在這方面，行星和RV卻很難做到。所以各類減速器只能在一部分情況下可實(shí)現(xiàn)替換，但是如果一種產(chǎn)品全方位替換另一種產(chǎn)品是不現(xiàn)實(shí)的。

反方觀點(diǎn)：

各類減速器之間不能相互取代，而是一種互補(bǔ)的關(guān)系。

RV和諧波這兩種傳動(dòng)有互補(bǔ)性，但也不排除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和制造工藝突破后，在中低載荷應(yīng)用領(lǐng)域形成局部競爭。