隨著我國(guó)社會(huì)老齡化程度的加劇和工業(yè)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)改造，我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求逐年遞增。截至2018年，我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。從工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成結(jié)構(gòu)上分析，完整的工業(yè)機(jī)器人包括減速器、伺服電機(jī)和控制器3大核心零部件。工業(yè)機(jī)器人制造產(chǎn)業(yè)的總成本表明：我國(guó)機(jī)器人3大核心零部件的占比分別為32%、22%及12%，制造成本占工業(yè)機(jī)器人總制造成本的70%。精密減速器作為工業(yè)機(jī)器人最重要的基礎(chǔ)部件，直接關(guān)系到機(jī)器人的反應(yīng)速度和功能實(shí)現(xiàn)精度，即精密減速器的性能直接決定了機(jī)器人的整體性能水平。

　　1精密減速器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　在工業(yè)機(jī)器人用精密減速器領(lǐng)域，國(guó)外企業(yè)起步早，技術(shù)積累時(shí)間久，而國(guó)內(nèi)企業(yè)處于相對(duì)落后的狀態(tài)。但是，隨著國(guó)家政策和國(guó)內(nèi)外環(huán)境的變化，國(guó)內(nèi)精密減速器領(lǐng)域也取得了巨大進(jìn)步。

　　1.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　國(guó)外企業(yè)對(duì)于精密減速器領(lǐng)域的研究已有100多年的歷史。經(jīng)過(guò)100多年的技術(shù)沉淀和積累，在精密減速器的研發(fā)、設(shè)計(jì)與制造方面，國(guó)外企業(yè)一直處于壟斷領(lǐng)先地位。不論是技術(shù)還是市場(chǎng)開(kāi)拓，國(guó)內(nèi)企業(yè)與之尚存在一定的差距。值得注意的是，目前的全球精密減速器市場(chǎng)中，日本企業(yè)占據(jù)了半壁江山。以Nabtesco生產(chǎn)的RV減速器為例，該企業(yè)的產(chǎn)品占據(jù)了全球RV減速器市場(chǎng)約60%的份額。此外，Harmonica生產(chǎn)的諧波減速器和SUMITOMO生產(chǎn)的行星齒輪減速器也都在全球市場(chǎng)占據(jù)著重要份額。除日本外，韓國(guó)、美國(guó)及斯洛伐克等國(guó)家近幾年不斷進(jìn)行各種技術(shù)創(chuàng)新，推出各種新型精密減速器產(chǎn)品，且研制的各種型號(hào)的精密減速器當(dāng)前仍處于保密狀態(tài)?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)前全球工業(yè)機(jī)器人用精密減速器市場(chǎng)仍是以歐美和日韓為主導(dǎo)的市場(chǎng)，且其技術(shù)一直在不斷發(fā)展和更新。

　　1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

　　我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人用精密減速器領(lǐng)域起步較晚，技術(shù)積累較為薄弱。自20世紀(jì)60年代諧波減速器技術(shù)引入我國(guó)之后，幾十年的時(shí)間，我國(guó)的精密減速器行業(yè)從無(wú)到有，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)檢驗(yàn)現(xiàn)已發(fā)展較為完備，具備一定的設(shè)計(jì)、研發(fā)及制造能力。特別是進(jìn)入新世紀(jì)后，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展涌現(xiàn)出了一大批精密減速器優(yōu)秀企業(yè)，近年來(lái)，這些企業(yè)與科研院所合作，在減速器設(shè)計(jì)方面有所建樹(shù)，如減速器設(shè)計(jì)理論研究、減速器加工工藝研究及減速器整機(jī)性能測(cè)試研究等方面。雖然國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的精密減速器在精度及壽命上達(dá)不到國(guó)外企業(yè)的水平，但由于我國(guó)企業(yè)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，在國(guó)內(nèi)及國(guó)際也占據(jù)了一定的市場(chǎng)。

　　目前，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人精密減速器核心零部件嚴(yán)重依賴進(jìn)口，精密減速器單項(xiàng)占總機(jī)的成本達(dá)到30%以上。由于核心零部件的成本過(guò)高，導(dǎo)致我國(guó)精密減速器行業(yè)及工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的受到了一定阻礙。所以，國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)該立足當(dāng)下，積極尋求與國(guó)外企業(yè)的合作，爭(zhēng)取以合作共贏的方式彌補(bǔ)技術(shù)上的不足。

　　2工業(yè)機(jī)器人用精密減速器的分類(lèi)

　　2.1RV減速器

　　最早提出RV(RotateVector)減速器概念的是德國(guó)Braren博士。1926年，Braren博士創(chuàng)造性地提出在精密機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用擺線齒廓，并在隨后的幾年開(kāi)始批量生產(chǎn)和銷(xiāo)售擺線減速器[20]。RV減速器日后在世界范圍內(nèi)大規(guī)模商業(yè)化推廣應(yīng)用，主要?dú)w功于日本的Nabtesco公司。該公司在研制適配機(jī)器人關(guān)節(jié)手臂的減速器時(shí)，首次正式將RV減速器的概念規(guī)?；?，并在以后的生產(chǎn)實(shí)踐中將其產(chǎn)業(yè)化。

　　從本質(zhì)上來(lái)講，RV減速器是以擺線針輪行星傳動(dòng)為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的工業(yè)機(jī)器人用精密減速器。按照行星輪系基本結(jié)構(gòu)，可以將其歸類(lèi)為2K-V型行星傳動(dòng)裝置。該減速器主要包括兩級(jí)傳動(dòng)裝置，分別為漸開(kāi)線行星齒輪傳動(dòng)和擺線針輪行星傳動(dòng)。漸開(kāi)線行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中包括行星直齒輪、偏心軸和中心輪，擺線針輪行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中包括擺線輪、偏心軸、針齒和行星架。

　　2.2諧波減速器

　　諧波減速器是以行星齒輪傳動(dòng)為原理研制的精密減速器，主要包括波發(fā)生器、柔輪與剛輪。此類(lèi)型減速器工作時(shí)，波發(fā)生器會(huì)發(fā)生可控變形，同時(shí)依靠柔輪、剛輪的嚙合傳遞動(dòng)力。諧波減速器中一般將諧波發(fā)生器作為主動(dòng)軸，將柔輪與鋼輪作為從動(dòng)軸。諧波減速器不僅在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域得到了應(yīng)用推廣，也在其他諸如航空航天、精密加工設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

　　2.3精密行星減速器

　　精密行星減速器體積比較小，主要包括行星輪、太陽(yáng)輪和內(nèi)齒圈。精密行星減速器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，傳動(dòng)比都在10以內(nèi)，且減速級(jí)數(shù)一般不會(huì)超過(guò)3級(jí)。市場(chǎng)上認(rèn)可度較高的精密減速器為德國(guó)SEW和FLENDER。此外，國(guó)產(chǎn)四通精密行星減速器在我國(guó)也占有一定的市場(chǎng)。

　　2.4擺線針輪行星減速器

　　擺線針輪行星減速器是以應(yīng)用行星式傳動(dòng)為基礎(chǔ)、以擺線針齒嚙合為載體的傳動(dòng)裝置，如圖3所示。與其他減速器結(jié)構(gòu)類(lèi)似，構(gòu)成擺線針輪行星減速器主要分為輸入部分、減速部分和輸出部分。不同于其他減速器，擺線針輪行星減速器在輸入端設(shè)有一個(gè)雙偏心套，并在偏心套上配有兩個(gè)滾珠軸承，構(gòu)成了該減速器的H機(jī)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)組成了擺線針輪行星減速器種齒差為1的內(nèi)嚙合減速結(jié)構(gòu)。擺線針輪行星減速器承載能力大，因此被廣泛應(yīng)用于如礦山、化工和起重等工程機(jī)械領(lǐng)域。

　　2.5濾波齒輪減速器

　　濾波齒輪減速器由重慶大學(xué)的梁錫昌教授研發(fā)。該減速器屬于NN型少齒差減速器，主要包括偏心減速機(jī)構(gòu)、濾波花鍵機(jī)構(gòu)和三向止推軸承。作為我國(guó)首款自行研制的精密加速器，濾波齒輪減速器的出現(xiàn)標(biāo)志著我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人用精密減速器領(lǐng)域取得了原創(chuàng)性突破，打破了國(guó)外企業(yè)在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，在精密減速器領(lǐng)域中國(guó)制造向中國(guó)“智”造轉(zhuǎn)變過(guò)程中具有里程碑意義。

　　3工業(yè)機(jī)器人用精密減速器的特點(diǎn)

　　3.1RV減速器的特點(diǎn)

　　與傳統(tǒng)的擺線針輪行星傳動(dòng)相比，RV減速器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先，RV減速器采用兩級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，故其傳動(dòng)比的范圍較其他結(jié)構(gòu)的減速器更大，傳動(dòng)效率更高。根據(jù)測(cè)算，RV減速器的傳動(dòng)比可在31～171范圍內(nèi)浮動(dòng)，同時(shí)傳動(dòng)效率可達(dá)85%～92%。其次，RV減速器低速級(jí)擺線輪結(jié)構(gòu)為180°對(duì)稱分布，使得擺線輪的結(jié)構(gòu)受力均勻、嚙合次數(shù)增加，提高了減速器傳動(dòng)的平穩(wěn)性和減速器的承載能力。最后，RV減速器采用兩端支撐的輸出結(jié)構(gòu)，相比普通的擺線減速器，其剛性和耐過(guò)載沖擊性能得到大幅度提升，傳動(dòng)精度與傳動(dòng)誤差得到大幅優(yōu)化。因此，RV減速器在工業(yè)機(jī)器人用精密減速器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

　　3.2諧波減速器的特點(diǎn)

　　諧波減速器最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在密閉空間內(nèi)傳遞運(yùn)動(dòng)。此外，諧波減速器的運(yùn)動(dòng)精度高，質(zhì)量和體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。多級(jí)諧波齒輪具有較大的傳動(dòng)比，在機(jī)器人中可以完成快速檢測(cè)。但是，諧波減速器的缺點(diǎn)也較為明顯。因?yàn)橹C波減速器工作時(shí)柔輪每轉(zhuǎn)一次就會(huì)產(chǎn)生橢圓變形兩次，所以容易引起材料的疲勞破壞，并在工作時(shí)產(chǎn)生一定的傳動(dòng)誤差。由于這一缺點(diǎn)，柔輪通常使用高強(qiáng)度材料，以提高其齒輪的負(fù)載能力。

　　3.3精密行星減速器的特點(diǎn)

　　精密行星減速器在運(yùn)行過(guò)程中一個(gè)太陽(yáng)輪有3個(gè)行星輪繞轉(zhuǎn)，所以其體積小、質(zhì)量較輕，相較于其他減速器啟動(dòng)更加平穩(wěn)，且剛性、精度和扭矩高。精密行星減速器的主要應(yīng)用場(chǎng)合為步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，用以降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩。

　　3.4擺線針輪行星減速器的特點(diǎn)

　　擺線針輪行星減速器是K-H-V型行星齒輪傳動(dòng)，屬于少齒差行星齒輪傳動(dòng)。該類(lèi)型減速器的單級(jí)傳動(dòng)比范圍可達(dá)6～110，傳動(dòng)效率為0.90～0.95。相比于其他減速器，擺線針輪行星減速器可減少2/3的體積和1/3的質(zhì)量。但是，擺線針輪行星減速器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，生產(chǎn)成本高。此外，擺線針輪行星減速器轉(zhuǎn)臂軸承易過(guò)載，影響整體的壽命和承載能力。

　　3.5濾波減速器的特點(diǎn)

　　濾波減速器從結(jié)構(gòu)上解決了諧波減速器中柔輪易變性、導(dǎo)致材料容易疲勞等缺點(diǎn)。它在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)扭矩大，具有更長(zhǎng)的使用壽命，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。

　　4主要性能指標(biāo)

　　工業(yè)機(jī)器人精密減速器的性能指標(biāo)可以分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩部分。

　　4.1靜態(tài)特性

　　4.1.1扭轉(zhuǎn)剛度

　　扭轉(zhuǎn)剛度指的是當(dāng)扭轉(zhuǎn)力矩作用于減速器構(gòu)件時(shí)構(gòu)件本身的抗變形能力，表示為：

　　4.1.2傳動(dòng)效率

　　精密減速器輸出軸實(shí)際輸出功率與理論輸出功率的比值為傳動(dòng)效率，表示為：

　　4.1.3空程

　　輸入軸由正向變?yōu)榉崔D(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)角滯后量為空程。

　　4.1.4傳動(dòng)誤差

　　傳動(dòng)誤差指的是輸入軸單向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸實(shí)際輸出角度與理論輸出角度的差值。

　　4.1.5啟動(dòng)扭矩

　　減速器輸入軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的瞬間力矩為啟動(dòng)扭矩。由于減速器在啟動(dòng)階段會(huì)遇到摩擦力矩的限制阻礙其啟動(dòng)，只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩比減速器自身的摩擦力矩大時(shí)，減速器才開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　4.1.6背隙

　　當(dāng)在精密減速器輸入端添加一定量的額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，減速器的輸入端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小位移角，這個(gè)位移角就是背隙。背隙的存在會(huì)影響輸入端的輸出精度。

　　4.1.7傳動(dòng)精度

　　減速器工作時(shí)，輸入軸輸入動(dòng)力后，輸出軸會(huì)存在實(shí)際轉(zhuǎn)角和相對(duì)理論轉(zhuǎn)角兩個(gè)轉(zhuǎn)角。這兩個(gè)轉(zhuǎn)角的接近程度就是傳動(dòng)精度，會(huì)影響整個(gè)減速器的正常工作。特別是在工業(yè)用精密減速器這種對(duì)精度要求高的應(yīng)用場(chǎng)所，傳動(dòng)精度會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　4.2動(dòng)態(tài)特性

　　4.2.1固有特性

　　加速器齒輪系統(tǒng)最基本的動(dòng)態(tài)特性是固有特性，具體來(lái)講是指固有頻率和振型。固有特性很大程度上會(huì)影響系統(tǒng)動(dòng)載荷的產(chǎn)生與傳遞及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

　　4.2.2動(dòng)力穩(wěn)定性

　　精密減速器齒輪系統(tǒng)本質(zhì)上是一種參數(shù)激勵(lì)系統(tǒng)，因此不可避免存在動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題。分析整個(gè)精密減速器系統(tǒng)的動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題，可以明確穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)，給整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力的參考。

　　4.2.3動(dòng)態(tài)響應(yīng)

　　精密減速器齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要包括輪齒動(dòng)態(tài)嚙合力和齒輪動(dòng)力的傳遞。減速器整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究可以大幅度降低系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲。