RV减速器与谐波减速器：如何为机器人关节选择合适的减速器？

精密减速器的性能对机器人的定位精度、刚度和使用寿命起着至关重要的作用。

精密减速器将伺服电机高速、低扭矩的输出转换为机器人关节所需的低速、高扭矩运动，使工业机器人能够进行受控且可重复的运动。

在当今各种精密传动解决方案中，RV减速器和谐波减速器是工业机器人领域广泛采用的两种技术。

虽然两者都旨在实现较大的减速比和精确的运动传递，但它们在机械结构、扭转刚度、承载能力、重量和适用场景方面存在显著差异。

了解这些差异对于为机器人底座、肩关节、肘关节和腕部轴选择减速器至关重要。

本文将从技术角度比较RV减速器和谐波减速器，并说明工程师如何为不同的机器人关节选择合适的解决方案。

1. RV减速器与谐波减速器：结构有何不同？

RV减速器与谐波减速器的根本差异始于它们的机械结构。

RV减速器通常采用刚性摆线传动机构，而谐波减速器则依靠受控的弹性变形实现精密减速。

这些不同的工作原理会直接影响其机械性能和应用特性。

RV减速器如何工作？

RV减速器通常采用两级减速机构。

第一级为渐开线行星齿轮传动，第二级采用摆线针轮机构。

运行时，输入齿轮带动行星齿轮，行星齿轮再将旋转运动传递至曲轴。

曲轴的偏心运动带动摆线轮，使其与周围的针齿啮合。

该机构在传递较大输出扭矩的同时，可实现较大的减速比。

RV减速器的一项关键特性是其刚性机械结构。

摆线传动系统中的多个接触点有助于分散载荷，并提高减速器在高扭矩下的抗变形能力。

不过，RV减速器对制造和装配精度也有较高要求。

其性能取决于摆线齿形、曲轴、轴承、针齿及其他传动部件的精度。

对于重载工业机器人应用，这些特性使RV减速器成为高刚度、大承载能力关节的常见选择。

谐波减速器如何工作？

谐波减速器也称为谐波传动或应变波齿轮，采用不同的传动原理。

典型的谐波减速器由三个主要部件组成：

波发生器

柔轮

刚轮

波发生器通常包括椭圆凸轮和柔性轴承组件。

波发生器旋转时，会迫使薄壁柔轮发生弹性变形。

柔轮在椭圆长轴附近与刚轮啮合，在短轴附近脱离啮合。

由于柔轮和刚轮的齿数略有不同，两者的相对运动便产生较大的减速比。

在常见的刚轮固定配置中，柔轮以较慢速度沿与波发生器相反的方向旋转。

这种工作原理使谐波减速器能够在紧凑、轻量化的结构中实现较大的减速比。

另一项重要优势是背隙极小，因此适用于精密机器人运动应用。

不过，柔轮在运行过程中会反复发生弹性变形。

因此，柔轮的疲劳强度、材料性能、润滑条件、工作温度和承受扭矩都会影响减速器的使用寿命。

与刚性摆线传动系统不同，在评估谐波减速器的负载定位性能时，还必须考虑弹性扭转变形。

2. RV减速器与谐波减速器：五项关键性能差异

为机器人关节选择精密减速器时，工程师不应只比较减速比和额定扭矩。

以下五项因素尤其值得关注：

定位精度及精度保持能力

扭转刚度

扭矩承载能力

使用寿命

传动效率

定位精度与长期精度保持能力

谐波减速器以低背隙传动特性而广受认可。

根据产品系列、制造精度和测量条件的不同，部分谐波减速器可实现很高的传动精度。

其紧凑设计和较小的空程使其特别适用于精密定位应用。

不过，背隙小并不意味着定位误差为零。

扭转变形、传动误差、滞后和外部载荷都会影响实际输出位置。

随着时间推移，疲劳、磨损和传动特性的变化也可能影响性能。

RV减速器同样具有较高的定位精度和较小的背隙。

其刚性摆线传动结构在重载下保持性能稳定方面具有优势。

不过，长期精度保持能力取决于具体的减速器设计、润滑、载荷条件、制造质量和维护情况。

因此，认为所有RV减速器都能永久保持原有精度，或所有谐波减速器都会迅速出现精度下降，都是不准确的。

对于工业机器人应用，工程师应在具有代表性的运行条件下，比较制造商提供的实测传动精度、空程、滞后和使用寿命数据。

扭转刚度

扭转刚度是指传动系统在受到扭矩作用时抵抗角变形的能力。

对于需要在抵抗外力的同时保持定位精度的机器人关节，扭转刚度尤为重要。

RV减速器通常具有较高的扭转刚度，因为其刚性机械部件和摆线啮合结构能够通过多个接触区域分散传递扭矩。

因此，RV减速器适用于机器人底座、肩部及其他承受重载的关节。

谐波减速器采用柔性传动元件。

因此，弹性变形是其工作原理固有的一部分。

在承受较大的外部扭矩时，这种变形可能导致输出端产生角位移。

不过，任一种减速器的实际扭转刚度都取决于产品尺寸、设计、工作扭矩和制造商规格。

因此，工程师应比较已发布的扭矩—变形曲线，而不应对所有RV减速器和谐波减速器套用统一的刚度比例。

扭矩承载能力与负载性能

扭矩承载能力是选择机器人关节减速器时的另一项重要考虑因素。

RV减速器常用于需要较大输出扭矩的中重载机器人应用。

其机械结构特别适合高负载关节以及承受显著外力的应用。

谐波减速器通常用于注重空间利用率的紧凑、轻量化关节。

虽然许多谐波减速器用于扭矩相对较低或中等的应用，但大型型号同样可以提供较大的扭矩。

因此，不应使用固定的扭矩范围来界定任一种技术的能力上限。

评估减速器时，工程师应区分以下参数：

额定扭矩

反复峰值扭矩

最大瞬时扭矩

允许倾覆力矩

径向和轴向承载能力

这些参数反映了减速器性能的不同方面，必须分别核查。

使用寿命与耐久性

使用寿命不仅取决于减速器的传动原理。

对于RV减速器，重要因素包括齿轮和轴承疲劳、润滑条件、接触应力、冲击载荷和工作温度。

对于谐波减速器，由于柔性部件在运行中反复变形，柔轮疲劳也是一项关键考虑因素。

只要选型正确并在规定限值内运行，两种减速器都能实现较长的使用寿命。

不过，应根据制造商的测试条件解读寿命额定值。

载荷谱、转速、工作循环、润滑和环境条件都会显著影响实际性能。

因此，工程师应避免假设某一种减速器总是比另一种使用寿命更长。

传动效率

RV减速器和谐波减速器都能实现高效的精密运动传递。

不过，传动效率会随减速器尺寸、传动比、输出扭矩、转速、润滑和温度而变化。

RV减速器的损失来自多级齿轮啮合、轴承和密封件。

谐波减速器的损失则与齿轮啮合、柔性轴承运行、弹性变形及其他内部机构有关。

因此，这两种技术的相对效率会随工作点而变化。

如果能耗或热性能十分重要，最可靠的做法是在预期转速和负载条件下查看制造商提供的效率曲线。

3. 如何为工业机器人关节选择RV减速器和谐波减速器

选择机器人关节减速器的基本原则很明确：

应根据关节的实际机械需求选择减速器，而不是仅凭某种技术的声誉来决定。

合适的选型流程应从扭矩要求开始，然后依次评估刚度、精度、承载能力、安装空间和使用寿命。

步骤1：计算所需关节扭矩

第一步是确定机器人关节必须传递的扭矩。

运行过程中，机器人关节可能受到三种主要扭矩分量的作用。

1. 静态扭矩

静态扭矩主要由重力作用于机器人连杆、末端执行器和有效载荷而产生。

其大小取决于质量分布、关节姿态以及重心与旋转轴之间的距离。

2. 动态扭矩

动态扭矩用于加速或减速旋转部件。

对于简化的单轴模型：

T_a = J × α

其中：

T_a = 加速扭矩

J = 等效转动惯量

α = 角加速度

3. 外部载荷扭矩

外部扭矩可能来自焊接、加工、搬运或装配等制造过程。

这些力会对关节造成额外载荷。

对于简化的旋转系统，所需扭矩可表示为：

T_required = T_gravity + T_acceleration + T_external + T_friction

由于各扭矩分量会随关节角度、运动方向和运行条件变化，工程师应计算完整的扭矩曲线，而不是简单地将不同工作点的最大值相加。

随后应将等效工作扭矩与减速器的额定扭矩及允许工作循环进行核对。

峰值扭矩也必须保持在制造商规定的限值内。

应根据载荷不确定性、运行条件、冲击载荷和相关制造商建议，选择适当的设计裕量。

步骤2：根据机器人关节位置匹配减速器类型

传统六轴工业机器人包含六个旋转关节。

这些关节承受不同的机械载荷，对尺寸、重量和刚度也有不同要求。

许多传统关节型工业机器人采用以下常见配置：

关节1–3：RV减速器

前三个关节通常包括：

J1：底座旋转

J2：肩关节

J3：肘关节

这些关节通常承载机器人结构和有效载荷中相当大的一部分。

它们可能需要较大的输出扭矩和较高的机械刚度。

因此，RV减速器常用于这些位置。

关节4–6：谐波减速器

腕部关节通常包括：

J4：腕部旋转

J5：腕部摆动

J6：工具旋转

这些关节通常对重量和安装空间更加敏感。

采用紧凑型谐波减速器有助于减轻机器人腕部的质量，并改善机械集成。

腕部质量降低还可减少传递至上游关节的载荷。

不过，这种配置并非适用于所有情况。

部分工业机器人会根据有效载荷、机器人尺寸、精度要求和制造商设计采用不同的传动配置。

较大的腕部轴也可能采用RV减速器或其他减速器技术，而紧凑型机器人则可能在靠近底座的关节中采用谐波减速器。

示例：为有效载荷为20 kg的工业机器人选择减速器

设想一台用于搬运20 kg有效载荷的六轴工业机器人。

前三个关节不仅要支撑有效载荷，还要支撑机器人的连杆和下游关节组件。

因此，这些关节的扭矩要求可能明显高于腕部关节。

对于这些高负载关节，RV减速器在输出扭矩承载能力和结构刚度方面可能具有优势。

相比之下，第六关节主要控制末端执行器的旋转方向。

根据工具配置、有效载荷惯量、运行速度和外部工艺力，紧凑型谐波减速器可能适用。

不过，仅凭20 kg有效载荷无法确定减速器要求。

还必须考虑机器人的连杆尺寸、重心位置、加速度曲线和工作循环。

这说明，机器人关节减速器的选型应基于各关节的具体载荷，而不是单一的整机有效载荷额定值。

步骤3：验证谐波减速器的疲劳寿命

长期运行时，柔轮疲劳是谐波减速器的一项重要考量因素。

随着波发生器旋转，柔轮会反复变形。

在大量运行循环中，这种变形会使柔性部件承受循环应力。

减速器的使用寿命受以下因素影响：

施加的扭矩及扭矩波动

转速

运行循环次数

润滑质量

温度

冲击载荷

柔轮设计和材料性能

一些机械疲劳和轴承寿命模型使用载荷与预期寿命之间的幂律关系。

不过，目前并不存在能够准确预测所有谐波减速器使用寿命的通用扭矩—寿命公式。

实际关系取决于制造商的产品设计、测试方法和失效判定标准。

因此，只要制造商提供了寿命计算方法，工程师就应采用该方法。

步骤4：评估工作温度和润滑情况

工作温度可能影响RV减速器和谐波减速器的性能。

对于谐波减速器，高温可能影响润滑性能、材料特性和疲劳性能。

对于RV减速器，温度可能影响轴承运行、润滑剂黏度以及传动机构内部的接触状态。

在焊接、铸造和高温制造等严苛环境中，工程师应核实以下内容：

允许工作温度

推荐润滑剂

热膨胀方面的考虑

密封和环境防护

维护要求

在某些应用中，可能需要额外的冷却、防护罩或其他热管理措施。

4. RV减速器还是谐波减速器：哪种更适合您的机器人？

RV减速器和谐波减速器之间没有放之四海而皆准的优胜者。

在不同的机械和运行条件下，两种技术各有优势。

当设计重点是高扭矩承载能力、机械刚度以及承受较大外部载荷的能力时，通常优先考虑RV减速器。

当紧凑尺寸、轻量化结构、较大减速比和低背隙尤为重要时，谐波减速器尤其具有吸引力。

对于工业机器人制造商，合适的选择取决于各关节的特性。

机器人底座和腕部关节的要求很少完全相同。

同样，重载焊接机器人和紧凑型精密装配机器人可能需要截然不同的传动解决方案。

最佳工程方法是评估关节的完整载荷曲线、运动要求、精度目标、安装限制和预期使用寿命。

5. 总结：为机器人关节设计选择合适的精密减速器

不应将RV减速器和谐波减速器简单视为相互竞争的技术。

在许多机器人系统中，两者承担着互补的功能。

RV减速器在重载传动和结构刚度方面具有优势。

谐波减速器则可实现紧凑、轻量化的精密传动，具有较大的减速比和较小的背隙。

对于机器人制造商，选型的核心问题并不是哪种减速器技术本身更优越。

而是：

机器人关节有什么要求？哪种减速器能够最有效地满足这些要求？

通过分析扭矩、刚度、定位精度、工作循环、环境条件和使用寿命要求，工程师可以选择兼顾性能、可靠性和设备设计限制的精密传动解决方案。

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