Почему промышленные роботы и тяжёлое оборудование предпочитают двухдисковые RV-редукторы?

Многие инженеры при первом знакомстве с RV-редуктором задаются одним и тем же вопросом: если один циклоидальный диск уже может обеспечивать снижение скорости, почему RV-редукторы в промышленных роботах почти всегда имеют конструкцию с двумя циклоидальными дисками?

Добавление второго диска означает больше компонентов, более сложную сборку и более высокие производственные затраты. Так в чём же причина?

Ответ можно выразить одной фразой: второй диск предназначен прежде всего не для обеспечения передаточного отношения, а для повышения точности, стабильности, распределения нагрузки и срока службы.

В этой статье мы с помощью нашей сборочной модели RV-редуктора и моделирования движения объясним, почему двухдисковая конфигурация стала основной архитектурой для промышленных роботов, станков, поворотных столов и других тяжёлых прецизионных систем передачи.

Примечание: числовые данные и изображения в этой статье основаны на расчётах моделирования и приведены только для справки.

Как работает RV-редуктор?

RV-редуктор, или циклоидально-цапфовый редуктор, имеет относительно короткую кинематическую цепь.

Входной вал приводит в движение эксцентриковый механизм. Эксцентриковый механизм несёт циклоидальные диски, которые входят в зацепление с пальцами внутри корпуса с пальцами. Полученное движение затем передаётся на выход через механизм выходных пальцев.

Ниже представлен покомпонентный вид нашей сборочной модели NX, включающей корпус с 40 пальцами, коленчатый вал, эксцентриковые подшипники, два циклоидальных диска и выходной диск. Каждый компонент модели непосредственно сформирован на основе инженерных параметров системы передачи.

Принцип редукции можно кратко изложить следующим образом.

Корпус имеет 40 пальцев, тогда как циклоидальный диск имеет 39 зубьев. За один оборот коленчатого вала циклоидальный диск смещается назад на один шаг зуба. Следовательно, после 39 оборотов коленчатого вала выходной вал совершает один оборот:

i = 39

Моделирование движения позволяет более наглядно понять этот процесс передачи.

Какие проблемы возникают у однодискового RV-редуктора?

Проблема 1: дисбаланс радиальных сил

Циклоидальный диск работает эксцентрично. Его эксцентричная масса вращается вокруг центра, при этом нагрузка в зацеплении также сосредоточена в определённом секторе.

В нашем численном расчёте методом рычага из 40 пальцев 19 соответствуют базовым условиям восприятия нагрузки, тогда как в анализируемых условиях фактически нагружены приблизительно 15 пальцев.

Расчёт показывает, что примерно 90% нагрузки сосредоточено на 11 пальцах в секторе 90°, при этом коэффициент распределения нагрузки составляет:

Kγ = 1.71

В однодисковой конфигурации этот сектор концентрированной нагрузки вращается вместе с эксцентричной массой.

В результате возрастают вибрация, шум и нагрузка на подшипники.

Для тяжёлого оборудования и шарниров промышленных роботов эти эффекты приобретают всё большее значение, поскольку редуктор должен многократно работать при высоком крутящем моменте и частых ускорениях и замедлениях.

Преимущества двухдискового RV-редуктора

В двухдисковом RV-редукторе два идентичных циклоидальных диска размещаются в передаче по оси.

Диск A работает при эксцентриситете +e, тогда как диск B работает при эксцентриситете −e. Поэтому два эксцентриковых участка на коленчатом валу расположены под углом 180° друг к другу.

Однако простой установки двух одинаковых дисков со смещением 180° недостаточно.

Диск B также необходимо повернуть на определённый фазовый угол:

Δφ = −180° / zc = −180° / 39 = −4.615°

Эта деталь особенно важна при CAD-моделировании и сборке.

Если инженер просто продублирует первый циклоидальный диск и установит два диска с нулевой разностью фаз, отверстия под пальцы не будут правильно совмещены, и требуемый эффект уменьшения люфта не будет достигнут.

Слева на приведённом ниже сравнении показана неправильная фазовая схема 0°, в которой отверстия под пальцы явно смещены. Справа показана правильная фазовая схема −4.615°.

Преимущество 1: компенсация инерционных сил

Диск A работает при +e, тогда как диск B работает при −e.

Поэтому эксцентричные массы движутся в противоположных направлениях, что позволяет их инерционным силам первого порядка в значительной степени компенсировать друг друга.

Это снижает вибрацию и способствует более плавной работе RV-редуктора.

Для шарниров промышленных роботов это одно из наиболее непосредственных преимуществ двухдисковой архитектуры.

Снижение вибрации также может уменьшить динамическую нагрузку на подшипники и другие компоненты передачи.

Преимущество 2: люфт можно уменьшить за счёт предварительного натяга

Чтобы понять, почему двухдисковая конструкция может уменьшать люфт, сначала необходимо понять, откуда он возникает.

В нашей модели пять основных источников погрешностей были преобразованы в выходной угол с помощью расчёта на основе рычага.

При приведённых условиях допуска зазор в отверстии выходного пальца составлял приблизительно 48% общего расчётного люфта, что примерно соответствовало совокупному вкладу остальных четырёх источников.

На профиль циклоидального зуба приходилась лишь около одной четверти общего значения.

Это означает, что значительная часть люфта обусловлена цепочкой зазоров, а не только профилем циклоидального зуба.

Разность фаз между двумя циклоидальными дисками позволяет компенсировать часть этого зазора.

Регулируя фазу, один диск можно расположить с упором в одну сторону зазора, в то время как другой диск будет контактировать с противоположной стороной.

Этот принцип аналогичен механизму устранения люфта в шарико-винтовой передаче с предварительно нагруженной двойной гайкой.

Однако существует важный инженерный диапазон, который часто упускают из виду.

Наш расчёт даёт окно сборочной фазы приблизительно:

ε* = 79″

Когда фазовая ошибка остаётся в пределах этого окна, эффект уменьшения люфта сохраняется.

Как только фазовая ошибка превышает допустимое окно, два диска могут начать противодействовать друг другу и частично заклиниваться. Люфт может продолжать уменьшаться, однако одновременно возрастают трение и температура.

Поэтому при приёмке двухдискового RV-редуктора следует оценивать как люфт, так и момент холостого хода.

Оценка только одного из этих параметров может создать неверное представление о фактическом качестве сборки.

Преимущество 3: распределение нагрузки

Два циклоидальных диска создают параллельные пути передачи нагрузки.

В идеальных теоретических условиях каждый диск воспринимал бы примерно 50% нагрузки передачи.

В реальном редукторе производственные допуски и фазовые ошибки означают, что нагрузка распределяется не идеально.

Тем не менее двухдисковая конфигурация значительно снижает концентрацию нагрузки.

Большее количество зубьев может участвовать в передаче нагрузки, что позволяет снизить контактные напряжения и улучшить распределение износа.

Это свойство распределения нагрузки особенно ценно в применениях с высоким крутящим моментом и длительным сроком эксплуатации.

Преимущество 4: более высокая крутильная жёсткость

Двухдисковая конфигурация создаёт дополнительный параллельный путь передачи.

Это может повысить эффективную крутильную жёсткость системы передачи и уменьшить угловое смещение выходного звена под нагрузкой.

Для таких применений, как сварочные роботы, роботы для транспортировки материалов, промышленные поворотные столы и станки, крутильная жёсткость особенно важна, поскольку выходное звено должно сохранять своё положение при изменяющихся внешних нагрузках.

Однодисковый и двухдисковый RV-редуктор

Дополнительный циклоидальный диск увеличивает количество компонентов и сложность сборки, но также обеспечивает улучшение баланса сил, распределения нагрузки, контроля люфта и крутильной жёсткости.

Где применяются двухдисковые RV-редукторы?

Двухдисковые RV-редукторы широко связаны с применениями, требующими высокого крутящего момента, высокой жёсткости, точного позиционирования и долговременной надёжности.

RV-редукторы HONPINE в настоящее время используются, в том числе, в тяжёлых роботизированных манипуляторах, промышленных позиционерах, промышленных поворотных столах и станочных системах.

RV-редукторы для промышленных роботов

Для шарниров промышленных роботов первоочередной задачей не является экономия стоимости одного циклоидального диска.

Им требуется сочетание следующих характеристик:

• Высокая точность позиционирования

• Высокая крутильная жёсткость

• Малый люфт

• Высокая грузоподъёмность

• Длительный срок службы

• Стабильная работа

• Высокая надёжность

Двухдисковая RV-архитектура усложняет производство и сборку, но обеспечивает преимущества в уменьшении люфта, контроле вибрации, распределении нагрузки и жёсткости.

По этой причине двухциклоидальные RV-редукторы с фазовым предварительным натягом широко применяются в шарнирах промышленных роботов.

Однодисковые RV-конфигурации чаще встречаются в учебных системах, экспериментальном оборудовании или чувствительных к стоимости применениях, где требования к жёсткости, вибрации и длительной тяжёлой эксплуатации ниже.

RV-редукторы для промышленных позиционеров

Промышленные позиционеры имеют важную общую характеристику с шарнирами роботов: они часто работают с большими нагрузками, при этом выходной вал также подвергается эксцентричным нагрузкам и опрокидывающим моментам.

Например, сварочный позиционер должен вращать заготовку, сохраняя при этом стабильное позиционирование.

Если редуктор имеет чрезмерный люфт или недостаточную крутильную жёсткость, выходное звено может испытывать небольшие угловые перемещения при ускорении, замедлении, реверсировании направления или внешней нагрузке, возникающей в процессе сварки.

Поэтому для промышленных позиционеров особое внимание уделяется:

• Выходной крутящий момент

• Крутильная жёсткость

• Люфт

• Допустимый опрокидывающий момент

• Высокочастотная работа с пусками и остановками

• Долговременный срок эксплуатации

Это также области, в которых двухдисковая RV-архитектура может обеспечить важные механические преимущества.

RV-редукторы для промышленных поворотных столов

Тяжёлые промышленные поворотные столы, роботизированные поворотные столы, сварочные столы и прецизионные позиционирующие столы предъявляют сходные требования к системе передачи.

Требование состоит не просто в обеспечении вращения стола.

Система должна точно поворачивать большую нагрузку в целевое положение и сохранять стабильное позиционирование после остановки движения.

По этой причине важные параметры RV-редуктора, используемого в поворотном столе, включают:

• Люфт

• Крутильная жёсткость

• Осевая и радиальная грузоподъёмность

• Допустимый опрокидывающий момент

• Выходной крутящий момент

• Точность позиционирования

• Долговременная эксплуатационная надёжность

Таким образом, двухдисковый RV-редуктор может быть особенно подходящим для поворотных применений, где требуются высокая нагрузка и стабильное позиционирование.

Почему двухдисковая конфигурация является основной RV-архитектурой?

Функция редукции RV-редуктора обеспечивается циклоидальной передачей с цевочным зацеплением.

Дополнительный циклоидальный диск сам по себе не формирует передаточное отношение.

Его основная ценность заключается в улучшении механических характеристик системы передачи.

Однодисковая конструкция отвечает на основной вопрос:

Может ли механизм обеспечивать снижение скорости?

Двухдисковая конструкция отвечает на более сложные вопросы:

Может ли она уменьшать вибрацию, распределять нагрузку, контролировать люфт, повышать жёсткость и надёжно работать в течение длительного срока службы?

Это различие объясняет, почему двухдисковые RV-редукторы широко применяются в промышленных роботах, станках, тяжёлых поворотных столах и других прецизионных системах передачи.

Таким образом, небольшая разность фаз −4.615° в данном примере — это гораздо больше, чем деталь CAD-сборки. Это один из ключевых факторов, превращающих два циклоидальных диска в согласованную прецизионную систему передачи.