Эта статья представляет наиболее полный анализ и описание четырех основных категорий прецизионных редукторов и объясняет их будущие тенденции развития, особенно в отношении прецизионных двигателей.

Классификация прецизионных редукторов

Прецизионные редукторы в основном классифицируются на гармонические редукторы, планетарные редукторы, RV-редукторы и циклоидные редукторы.

Гармонический прецизионный редуктор

Гармонический редуктор — это новый тип редукционного механизма, который обеспечивает передачу за счет упругой деформации. Он отличается от традиционных жестких механических передач, используя гибкие компоненты для передачи механической мощности. Гармонический редуктор в основном состоит из трех основных компонентов: волнового генератора, жесткого зубчатого колеса с внутренним профилем зубьев (круговой шлиц) и гибкого зубчатого колеса с внешним профилем зубьев (флекссплайн).

Волновой генератор представляет собой кулачковый компонент, два конца которого плотно прижимаются к внутренней стенке флекссплайна. Флекссплайн — это тонкостенное зубчатое колесо, способное к значительной упругой деформации. Когда волновой генератор вставляется в флекссплайн, он заставляет его поперечное сечение изменяться с круглой формы на эллиптическую. На двух концах большой оси зубья флекссплайна полностью входят в зацепление с зубьями кругового шлица, а вблизи двух концов малой оси зубья полностью разъединяются с круговым шлицем.

Гармонические редукторы отличаются большим передаточным отношением, компактными размерами, малым количеством компонентов и высокой эффективностью передачи. Обычно они устанавливаются в предплечье, запястье или кисти роботов.

Гармонические редукторы обеспечивают снижение скорости и увеличение крутящего момента за счет дифференциального движения зубьев. Типичный принцип работы предполагает конфигурацию, в которой волновой генератор является входом, круговой шлиц фиксирован, а флекссплайн — выходом. Эллиптический волновой генератор соединен с валом двигателя и установлен внутри кругового флекссплайна, вызывая его упругую деформацию. На большой оси зубья флекссплайна полностью входят в зацепление с зубьями кругового шлица, а на малой оси они полностью разъединяются, при этом остальные области находятся в переходном зацеплении. По мере непрерывного вращения волнового генератора флекссплайн многократно деформируется и создает дифференциальное движение зубьев. Состояние зацепления непрерывно изменяется через зацепление, полное зацепление, разъединение и повторное зацепление, заставляя флекссплайн медленно вращаться относительно кругового шлица в направлении, противоположном волновому генератору, тем самым передавая движение.

Планетарный прецизионный редуктор

Планетарный прецизионный редуктор в основном состоит из солнечной шестерни, планетарных шестерен, водила и коронной шестерни. Его принцип снижения скорости основан на передаче зубчатых колес. Во время работы серводвигатель или другой первичный двигатель приводит в движение солнечную шестерню, которая вращается. Зацепление между солнечной шестерней и планетарными шестернями заставляет планетарные шестерни вращаться вокруг своих осей. В то же время планетарные шестерни зацепляются с внутренней коронной шестерней, закрепленной на корпусе, заставляя их катиться вдоль коронной шестерни при вращении, образуя движение «революции» вокруг солнечной шестерни.

Планетарные шестерни передают движение на водило, которое соединено с выходным валом и передает выходной крутящий момент. Обычно несколько планетарных шестерен работают одновременно, распределяя нагрузку и совместно приводя выход.

Планетарные прецизионные редукторы в основном доступны в одноступенчатой и многоступенчатой конструкциях. Многоступенчатые планетарные редукторы добавляют несколько ступеней на основе одноступенчатой конструкции, причем каждая ступень состоит из солнечной шестерни, планетарных шестерен и коронной шестерни, образуя каскадную структуру для дальнейшего снижения выходной скорости и увеличения крутящего момента. Хотя несколько планетарных шестерен распределяют нагрузку и повышают грузоподъемность, каждое дополнительное зацепление зубьев снижает эффективность передачи. Для сохранения компактности многоступенчатые планетарные редукторы обычно используют общую коронную шестерню, которая также служит корпусом.

Прецизионный RV-редуктор

RV-редуктор представляет собой двухступенчатую систему снижения скорости, состоящую из первой ступени планетарного редуктора и второй ступени циклоидного редуктора.

Первая ступень снижения: солнечная шестерня соединена с двигателем, и двигатель приводит в движение солнечную шестерню, которая вращается. Солнечная шестерня приводит в движение планетарные шестерни, соединенные с коленчатым валом, передний и задний концы которого соединены с планетарными шестернями и RV-шестернями (циклоидными дисками). По мере вращения планетарных шестерен коленчатый вал вращается с той же скоростью. Из-за большего количества зубьев планетарных шестерен их скорость вращения ниже, чем у входной шестерни, что обеспечивает первую ступень снижения скорости.

Вторая ступень снижения: входной вал — это коленчатый вал из первой ступени. Два циклоидных диска (RV-шестерни) установлены на эксцентриковой части коленчатого вала через игольчатые подшипники. Количество штифтов в штифтовом кольце корпуса на один больше, чем количество зубьев на циклоидных дисках. Когда коленчатый вал совершает один оборот, циклоидные диски завершают один цикл эксцентрического движения и поворачиваются на один зуб в направлении, противоположном коленчатому валу, обеспечивая дальнейшее снижение скорости.

Циклоидный редуктор

Циклоидный редуктор использует технологию прецизионной циклоидной передачи, впервые предложенную немецким инженером Лоренцем Брареном в 1926 году. Это планетарная передача с малым разностным числом зубьев, использующая эпициклоидный профиль зубьев. Поскольку его ключевые компоненты — циклоидные диски и штифтовые колеса, он известен как циклоидный редуктор и является разновидностью RV-редуктора.

Конкретно, «циклоидный» относится к фактическому профилю циклоидного диска, который представляет собой равноудаленную кривую короткой эпициклоиды. Согласно методу внутреннего качения, катящаяся окружность катится без проскальзывания внутри фиксированной базовой окружности, создавая циклоидную траекторию. Точка, закрепленная на катящейся окружности, описывает короткую эпициклоиду во время качения. Проводя окружности равного радиуса с центром в точках вдоль этой траектории, огибающая этих окружностей образует фактический профиль зубьев циклоидного диска.

Характеристики и сферы применения различных редукторов

RV-редукторы отличаются высокой точностью, большим передаточным отношением, высокой жесткостью, высокой перегрузочной способностью, длительным сроком службы и высокой усталостной прочностью, с низким уровнем вибрации, шума и энергопотребления. Они обычно используются в суставах роботов с высокими требованиями к крутящему моменту, таких как ноги, поясница и локти, а также в тяжелых промышленных роботах. Первая, вторая и третья оси обычно используют RV-редукторы. Благодаря широкому диапазону передаточных отношений, стабильной точности, высокой усталостной прочности, а также высокой жесткости и крутящему моменту, RV-редукторы особенно выгодны в тяжелых позициях, таких как руки и основания роботов.

Гармонические редукторы отличаются большим и гибким передаточным отношением, высокой точностью, компактными размерами, малым весом, плавной передачей, низким уровнем шума и возможностью передачи движения в герметичных пространствах. По сравнению с обычными редукторами, гармонические редукторы обеспечивают одинаковый выходной крутящий момент при меньших размерах и весе, что дает им преимущества в предплечьях, запястьях и кистях роботов. Однако их точность движения со временем снижается, поэтому они обычно используются в легких промышленных роботах или конечных осях крупных роботов, а также в аэрокосмической отрасли, точной обработке и медицинском оборудовании.

Планетарные редукторы широко используются в сервоприводах, шаговых и DC-приводах благодаря компактным размерам и длительному сроку службы. Однако одноступенчатые планетарные редукторы имеют ограниченное передаточное отношение, и для достижения высокого крутящего момента требуются многоступенчатые конфигурации, что увеличивает размеры и вес. Области применения включают мобильных роботов, оборудование для возобновляемой энергии, высококлассные станки и интеллектуальный транспорт. Робот Optimus от Tesla использует планетарные редукторы в ловких руках, в то время как некоторые производители роботов применяют планетарные редукторы в ногах и тазобедренных суставах.

Циклоидные редукторы обладают высокой грузоподъемностью, относительно высокой точностью передачи, компактными размерами, малым весом и плавной передачей благодаря многозубому зацеплению. Хотя их структура сложна, а точность немного ниже, чем у гармонических редукторов, их высокая грузоподъемность дает им большой потенциал для использования в высоконагруженных суставах, таких как поясница и тазобедренные суставы человекоподобных роботов.

Сравнение различных прецизионных редукторов

Гармонический редуктор: принцип работы включает движение волнового генератора, вызывающее деформацию флекссплайна и зацепление с круговым шлицем через малую разность зубьев для снижения скорости; структура состоит из волнового генератора, флекссплайна и кругового шлица; более высокая цена за единицу; меньший вес; высокая точность передачи; относительно высокая эффективность; высокое передаточное отношение; длительный расчетный срок службы; относительно высокая крутильная жесткость; преимущества включают высокое передаточное отношение, высокую точность, компактную конструкцию и малый вес; недостатки включают ограниченную грузоподъемность и меньший срок службы.

Планетарный редуктор: принцип работы включает вращение планетарных шестерен под действием солнечной шестерни; простая структура, состоящая из солнечной шестерни, планетарных шестерен и коронной шестерни; более низкая цена за единицу; меньший вес; средняя точность передачи; высокая эффективность; умеренное передаточное отношение; длительный расчетный срок службы; высокая крутильная жесткость; преимущества включают простую структуру и компактную одноступенчатую конструкцию; недостатки включают более низкое передаточное отношение и меньший выходной крутящий момент.

RV-редуктор: двухступенчатая передача с планетарной и циклоидной ступенями; сложная структура с большим количеством компонентов; высокая цена за единицу; больший вес; высокая точность передачи; высокая эффективность; высокое передаточное отношение; длительный расчетный срок службы; высокая крутильная жесткость; преимущества включают высокую грузоподъемность, высокую крутильную жесткость и стабильную точность; недостатки включают большие размеры и ограниченные сферы применения.

Циклоидный редуктор: принцип работы включает эксцентрическое движение, приводящее циклоидные диски к вращению вокруг штифтовых колес с использованием малой разности зубьев; структура включает циклоидные диски, штифтовые колеса и эксцентриковые валы; относительно высокая цена за единицу; меньший вес; относительно высокая точность передачи; высокая эффективность; высокое передаточное отношение; длительный расчетный срок службы; высокая крутильная жесткость; преимущества включают высокую грузоподъемность, компактные размеры, малый вес и плавную передачу; недостатки включают сложность изготовления и более низкую точность по сравнению с гармоническими редукторами.

Принципы, параметры, преимущества и недостатки прецизионных редукторов

Ключевые технические показатели прецизионных редукторов включают крутильную жесткость, передаточное отношение, эффективность передачи, точность передачи, ошибку передачи, пусковой крутящий момент, мертвый ход и люфт.

Крутильная жесткость — это способность компонента сопротивляться деформации при кручении под действием крутящего момента, или отношение номинального крутящего момента к упругой угловой деформации, на которую влияют конструкция, способ опоры подшипников, тип подшипников, жесткость и точность зубчатых колес, а также передаточное отношение.

Передаточное отношение — это отношение входной скорости к выходной скорости; большее передаточное отношение приводит к более низкой выходной скорости и более высокому крутящему моменту, на что влияют количество зубьев и количество ступеней снижения скорости.

Эффективность передачи — это отношение выходной мощности к входной мощности, на которую влияют передаточное отношение, скорость, нагрузочный крутящий момент, температура, условия смазки, выбор материалов, количество ступеней передачи, конструкция, точность зубчатых колес, позиционирование зубчатых колес и качество сборки.

Точность передачи и ошибка передачи описывают, насколько фактический выходной угол соответствует теоретическому углу при одностороннем вращении входного вала; на них влияют конструкция, обработка, сборка и смазка.

Пусковой крутящий момент — это крутящий момент, необходимый для запуска без нагрузки, на который влияют конструкция, передаточное отношение, коэффициенты трения и качество подшипников.

Мертвый ход — это угловое запаздывание выходного вала при изменении направления вращения входного вала, на которое влияют конструкция, качество изготовления, износ, установка и регулировка.

Люфт — это небольшое угловое смещение на входе при фиксированном выходе и корпусе и попеременном приложении ±2% номинального крутящего момента; на него влияют точность зубчатых колес, точность подшипников, толщина масляной пленки, точность станков, точность сборки и рабочая температура.

Почему прецизионные двигатели — это будущий тренд

Прецизионный двигатель — это интегрированный модуль, сочетающий прецизионный редуктор с двигателем. С быстрым развитием промышленной автоматизации, человекоподобных роботов, полупроводникового и медицинского оборудования спрос на интегрированные решения редуктор-двигатель продолжает расти.

Что такое гармонический мотор-редуктор?

Гармонический мотор-редуктор состоит из гармонического редуктора, безрамного моментного двигателя, тормоза, энкодера и блока привода. Как ключевой компонент в робототехнике, достижения в технологии гармонических мотор-редукторов будут продолжать способствовать развитию специализированных и человекоподобных роботов в направлении большей гибкости и более широких сфер применения. Помимо робототехники, моторы для суставов роботов также используются в полупроводниковом оборудовании, фотоэлектрическом оборудовании, прецизионном медицинском оборудовании, оборудовании 3C, оптическом оборудовании и других областях.

Что такое планетарный мотор-редуктор?

Планетарный мотор-редуктор — это ключевой компонент силовых систем роботов. Благодаря высокоинтегрированной конструкции, сочетающей планетарный редуктор, безрамный моментный двигатель, тормоз, энкодер и драйвер, он обеспечивает значительную оптимизацию объема и веса и позволяет точно контролировать движение суставов. Это приводит к большему крутящему моменту, меньшим размерам и весу. По сравнению с гармоническими мотор-редукторами планетарные мотор-редукторы отличаются меньшим передаточным отношением, более высокой выходной скоростью и более высокой плотностью крутящего момента, что делает их более подходящими для средних и легких нагрузок. Также доступны услуги индивидуальной настройки в соответствии с требованиями заказчика. Благодаря преимуществам, таким как высокая скорость, устойчивость к ударам, компактность и малый вес, стандартные планетарные модули для суставов стали предпочтительным решением для человекоподобных роботов, специализированных роботов, логистических AGV и промышленной автоматизации, способствуя улучшению производительности роботов и расширению сфер их применения.

Что такое фланцевый RV-редуктор?

Фланцевый интегрированный RV-редуктор — это высокоточное устройство для снижения скорости, разработанное для передового оборудования. Его внутренний механизм включает уникальную двухступенчатую комбинацию циклоидных и планетарных шестерен, заключенных в герметичный блок. Редуктор поставляется полностью собранным с интегрированным фланцем и предварительно смазан специальной смазкой, что позволяет сразу устанавливать и использовать его с серводвигателем без дополнительной подготовки.

RV-редукторы обычно используются в промышленных роботах, особенно в основаниях и высоконагруженных суставах (суставы 1–4) для роботизированных рук с грузоподъемностью до 20 кг. Если грузоподъемность превышает 20 кг, все шесть суставов обычно оснащаются RV-редукторами. Эти редукторы играют критическую роль в поддержании точности позиционирования.

Фланцевый интегрированный RV-редуктор — это специализированная версия, разработанная путем включения фланцевого уплотнения в традиционную конструкцию RV-редуктора. Подобно стандартным RV-редукторам, фланцевые интегрированные модели классифицируются на два типа: серия Flange-Integrated E с цельным валом и серия Flange-Integrated C с полым валом.

Прецизионные редукторы развиваются в направлении одновременного повышения производительности и более глубокой мехатронной интеграции. В частности, гармонические редукторы должны адаптироваться к мехатронной интеграции, сочетая гармонические редукторы с двигателями, энкодерами, тормозами, датчиками и другими компонентами для предоставления высокодобавочных модульных продуктов, что позволяет лучше применять их в человекоподобных роботах, полупроводниковом оборудовании, оптических системах и отраслях прецизионных измерений.