RV（Rotate-Vector）减速器设计

摘要

　　RV（Rotate-Vector）减速器是采用了差齿减速结构的高精密控制用减速器。由于该减速器同时啮合的齿轮数比较多，所以具备小型、轻量特点的同时，也具有高刚性、耐过载的特点。另外， RV 减速器旋转振动小、惯性小，所以具有良好的加速性能，可实现平稳运转并获取正确的位置精度。目前在我国，高精度的 RV 减速器仍然需要从国外大量进口成为限制我国工业机器人行业发展的主要因素。为解决这一难题，相关的科研工作者应加大对 RV 减速器理论研究，并探索解决一系列的实际加工难题。本文的主要研究成果如下：

　　（1）完成对 FRV—400C1 型减速器所有零部件的设计工作。借助 Solidworks 软件实现对所有零件三维模型的建立，并结合 AutoCAD 软件实现二维图的绘制，根据RV 减速器的工作特性及具体加工要求制定公差和表面质量要求，制定设计图。

　　（2）分析 RV 减速器的传动特性。通过对 RV 减速器结构的研究，分析摆线轮的啮合原理并推导摆线的生成方程，优化摆线齿形的修行量，采用平移坐标法的加工方法对摆线轮进行修形加工。

　　（3）使用 ANSYS Workbench 软件，建立 FRV—400C1 减速器的有限元模型，对减速器进行模态分析，求解 RV 减速器的振型和固有频率。分析 RV 减速器各个零部件在不同频率下的工作状态，并确定零部件的薄弱环节，对易损坏部位进行优化设计，为减速器的试制环节奠定理论基础。

　　（4）探索 RV 减速器关键零部件的加工工艺，实现零件从原材料到成品的转换，严格保证产品精度。应对加工过程中出现的问题，分析问题产生的原因并提出优化改进方法。

　　（5）为核心零部件的加工设计一套完整的工装。

　　关键词：RV 减速器，试制，摆线修形，有限元分析，工装设计

Abstract

　　The RV (Rotate-Vector) reducer is a high precision control decelerator which uses the planocentric mode of the deceleration structure. Because of the number of gear meshing at the same time, the number of gears is more, so it has the characteristics of small and light weight, and also has the characteristics of high rigidity and overload. In addition, due to the clearance, rotating vibration, small inertia, so it has good acceleration performance, and it can achieve smooth operation and obtain the correct position precision. At present in our country, the high precision RV reducer still need to import large quantities from abroad has become the main factors restricting the development of China's industrial robot industry, in order to solve this problem, the researchers should strengthen the theoretical research of RV reducer, and explore the solution to the practical processing of a series of problems.The main research results of this paper are as follows:

　　(1) Complete the design of all parts of the FRV - 400C1 decelerator. With the help of Solidworks software, the 3D model of all parts is established, and the 2D drawing is drawn with the help of AutoCAD software. According to the working characteristics of RV reducer and the specific processing requirements, the tolerance and surface quality requirements are formulated, and the design drawing is worked out.

　　(2) Analysis of the transmission characteristics of the RV reducer. By analyzing the structure of the RV reducer, we deduce the reduction ratio, analyze the meshing principle of the cycloid wheel, and deduce the generating equation of the cycloid, and optimize the training amount of the cycloidal tooth profile.

　　(3) With the help of ANSYS Workbench software, establish the finite element model of FRV 400-C1 reducer, the reducer for modal analysis of RV reducer, solving the vibration mode and natural frequency of gear reducer. Statics analysis for RV reducer under the stress state of the parts of the state of stress and strain, determine the reducer weak link and its strength check.

　　(4) Explore the processing technology of key parts of RV reducer, realize the transformation of parts from raw materials to finished products, strictly guarantee product accuracy, deal with the problems arising in the process, analyze the causes of problems, propose optimization and improvement methods.

　　(5)Designing a complete set of tooling for the processing of the core parts.

　　Key Words : RV reducer, transmission characteristics, finite element analysis, technology,tooling

　　众所周知，一个国家机械行业的发展水平是该国家综合国力的重要体现。改革开放以来，中国的经济快速发展，在机械行业尤其是重型机械领域发展迅速，减速器作为重型机械中最常见的组成部分也随之迅速发展，在建筑机械领域和矿山机械领域对减速器的运用尤为频繁[1]。近几年来，精密机器人行业做为机械领域中的新生力量迅速发展壮大，成为目前最为瞩目的行业。德国在高技术发展战略中提出工业 4.0 的概念，着重强调了高精密机器人对工业自动化发展中的重要作用，机器人行业的发展前景也十分广阔。由于机器人用减速器对整机传动精度的要求很高，因此对机器人中使用的减速器的要求也随之提高。

　　精密 RV 减速器作为机器人关节部位的重要传动机构，其设计要求与加工制造难度也随之提升。中国减速器的主要产品由一开始的齿轮减速器到目前最受瞩目的 RV 减速器，其发展过程漫长而艰难。毋庸置疑，实现 RV 减速器的国产化将对国内机器人行业产生重大的影响[2]。根据前瞻研究院发布的数据显示，2013 年我国共生产减速机 555.8 万台，实现销售收入 806 亿元，同比增长 25%。根据国家权威数据收集部门的采集结果，对 RV 减速器的发展规模进行预估，我国在 2018 年对工业机器人的需求总量将达到 8.9 万台，平均一台工业机器人安装 5 台减速器来算，我国在 2018 年对 RV 减速器的需求总量将达到44.5 万台。根据国内目前已经投入使用的机器人数量，机器人的使用寿命 8 年计算，未来国内对精密 RV 减速器的需求量将达到 100 万台，销售额将达到 200 亿元。

　　目前工业用机器人减速器的主流产品大致分为三种类型：RV 减速器、摆线针轮减速器、谐波减速器[3]。RV 减速器由于本身的独特优势，虽然价格昂贵但是对其的需求量有增无减，RV 减速器拥有以下优点：

　　（1）传动比范围大。RV 减速器的本质是一种二级减速装置，输入齿轮与三个环绕布局的行星轮构成第一级减速系统，摆线轮与针齿（针齿壳）构成第二级减速系统。由于第二级减速系统为少齿差齿传动，即摆线轮齿数比针齿数少 1，因此可获得范围较大的传动比[4-6]。一般情况下经常用的传动比为 57～192。

　　（2）传动精度高，传动回差小。根据 RV 减速器运动理论设计要求，摆线轮齿与针齿、针齿与针齿壳之间的接触方式均为无间隙、无滑动的纯滚动摩擦接触，所以只要设计加工 的合理，就可获得较高的传动精度和较小的传动回差。目前阶段 RV 减速器的传动误差≤1’，空程角回差≤1.5’，额定状态下的总回差≤6’[7]。

　　（3）传动效率高。一般的渐开线行星齿轮减速器的传动效率与传动比成反比[8]，即传动比越大，传动效率越高。而 RV 减速器因为第二级减速机构为纯滚动摩擦式接触，所以在保证了 RV 减速器具有较大传动比的同时，传动效率可达90%～97%。

　　（4）承载能力强，使用寿命长。RV 减速器的两个摆线轮成对称安装，相位角相差 180°。在其工作过程中不同于渐开线齿轮的凸凸啮合，而 RV 减速器中摆线轮与针齿为凹凸啮合，增加了接触面积[9-11]，因此可获得较大的扭矩，承载能力大。理论上摆线轮轮齿可同时与 1/2 的针齿同时接触，可减少磨损从而增加使用寿命。

　　同时 RV 减速器还具有体积小、质量轻、结构紧凑、运行噪声小、维修保养周期长等众多优势。

　　RV（Rotate-Vector）减速器设计:

摆线轮剖面图

 
摆线轮主视图

底盘

有限元分析图

摆线轮样品图

心轴工装

上顶尖

下顶尖

工装底座

装配体

目录

　　摘要
　　Abstract
　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题研究背景及意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 国外 RV 减速器的发展史与研究现状
　　　　　　1.2.2 国内 RV 减速器的发展和研究现状
　　　　1.3 课题研究的目的与意义
　　　　1.4 课题研究内容与创新点
　　　　　　1.4.1 课题研究内容
　　　　　　1.4.2 课题研究思路
　　　　　　1.4.3 课题创新点
　　　　1.5 本章小结
　　第二章 RV 减速器的结构分析
　　　　2.1 RV 减速器的传动原理
　　　　2.2 RV 减速器零部件分析与实体建模
　　　　　　2.2.1 简介
　　　　　　2.2.2 零件介绍及重要加工表面的分析
　　　　2.3 本章小结
　　第三章 RV 减速器有限元仿真
　　　　3.1 简介
　　　　3.2 导入创建的几何体
　　　　3.3 添加材料属性
　　　　3.4 划分网格
　　　　3.5 施加约束载荷并求解
　　　　3.6 模态计算结果及分析
　　　　3.7 本章小结
　　第四章 RV 减速器摆线的形成与修形
　　　　4.1 RV 减速器摆线的形成
　　　　　　4.1.1 摆线的定义
　　　　　　4.1.2 摆线的分类
　　　　　　4.1.3 外摆线方程的求解
　　　　　　4.1.4 摆线轮的三维建模
　　　　4.2 RV 减速器摆线的修形
　　　　　　4.2.1 齿廓修形理论
　　　　　　4.2.2 平移坐标法修形齿廓
　　　　　　4.2.3 修形检测结果分析
　　　　4.3 本章小结
　　第五章 RV 减速器关键零部件工装的设计
　　　　5.1 摆线轮立加工装的模块化设计
　　　　　　5.1.1 模块化工装的意义
　　　　　　5.1.2 技术方案
　　　　　　5.1.3 模块化设计
　　　　　　5.1.4 有限元仿真分析
　　　　　　5.1.5 总结
　　　　5.2 行星轮磨齿工装的设计
　　　　　　5.2.1 行星轮特征及加工时需要注意的问题
　　　　　　5.2.2 技术方案
　　　　　　5.2.2 磨齿工装的可行性分析
　　　　　　5.2.3 总结
　　　　5.3 针齿壳磨齿工装的设计
　　　　　　5.3.1 引言
　　　　　　5.3.2 技术方案
　　　　　　5.3.3 检测报告的分析
　　　　　　5.3.4 总结
　　　　5.4 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 本文工作总结
　　　　6.2 未来工作展望
　　参考文献
　　附录
　　致谢
　　攻读学位期间的研究成果
　　版权声明

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