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綠的諧波減速機(jī)在 SCARA 機(jī)器人上的 安裝與應(yīng)用
摘 要:本文介紹了一種典型的 SCARA 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。從設(shè)計(jì)、加工、裝配等方面,展示了諧波減速機(jī)的安裝與使用,使客戶對(duì)諧波減速機(jī)的應(yīng)用有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。
0 引言        SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm,選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂),是一種圓柱坐標(biāo)型的特殊類型的工業(yè)機(jī)器人。SCARA 機(jī)器人有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),其軸線相互平行,可在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。還有一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié),用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動(dòng)。這類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快,比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位和垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。[1]SCARA 系統(tǒng)在 x、y 方向上具有順從性,在 Z 軸方向具有良好的剛度,因此特別適合裝配工作。SCARA 的另一個(gè)特點(diǎn)是其串接的兩桿結(jié)構(gòu)類似人的手臂,可以伸進(jìn)有限空間中作業(yè)然后收回,適合搬動(dòng)和取放物件,如集成電路板、藥品、食品等。 
       諧波減速機(jī)作為一種精密類減速機(jī),因其小體積、大速比、大扭矩被廣泛應(yīng)用于 SCARA 機(jī)器人。蘇州綠的諧波傳動(dòng)科技有限公司是一家從事精密諧波傳動(dòng)裝置的研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的專業(yè)化公司,在諧波傳動(dòng)領(lǐng)域已擁有 12 項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利和 19 項(xiàng)實(shí)用新型專利,是即將實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)器人用諧波齒輪減速器》的主要編制起草方。[3]蘇州工業(yè)園區(qū)東茂工業(yè)設(shè)備有限公司作為蘇州綠的諧波傳動(dòng)科技有限公司的戰(zhàn)略合作伙伴,擔(dān)負(fù)著國(guó)內(nèi)客戶的銷售服務(wù)工作。在市場(chǎng)銷售的過(guò)程中,兩家公司發(fā)現(xiàn)很多客戶對(duì)諧波減速機(jī)的應(yīng)用還不太熟悉。本文就一種典型的 SCARA 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、制造、裝配過(guò)程中所采取的措施進(jìn)行探討,展示諧波減速機(jī)的安裝與使用。

1 諧波減速機(jī)1.1 諧波減速機(jī)的傳動(dòng)原理諧 波 傳 動(dòng)(Harmonic Drive) 由 美 國(guó) 發(fā) 明 家 C.Walt Musser 馬瑟于上世紀(jì) 50 年代中期發(fā)明創(chuàng)造,具有其他傳動(dòng)所不具備的特點(diǎn)。諧波傳動(dòng)應(yīng)用金屬?gòu)椥粤W(xué)的獨(dú)創(chuàng)動(dòng)作原理和 3 個(gè)基本部件(波發(fā)生器、柔輪、剛輪)構(gòu)成精密控制用減速機(jī)。

       諧波傳動(dòng)做為減速器使用,通常采用波發(fā)生器主動(dòng),剛輪固定、柔輪輸出的形式。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)圓時(shí),迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀,其長(zhǎng)軸處柔輪輪齒插入剛輪的齒槽內(nèi),成為完全嚙合狀態(tài);而其短軸處兩輪輪齒完全不接觸,處于脫開(kāi)狀態(tài)。從嚙合到脫開(kāi)的過(guò)程則處于嚙出或者嚙入狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),迫使柔輪不斷發(fā)生變形,使兩輪輪齒在進(jìn)行嚙入、嚙合、嚙出、脫開(kāi)的過(guò)程中不斷改變各自的工作狀態(tài),產(chǎn)生了所謂的錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)波發(fā)生器與柔輪的運(yùn)動(dòng)傳遞。


1.2 諧波減速機(jī)特點(diǎn)1)精度高。多齒在兩個(gè) 180°對(duì)稱位置同時(shí)嚙合,因此齒輪齒距誤差和累計(jì)齒距誤差對(duì)旋轉(zhuǎn)精度的影響較為平均,可得到極高的位置精度和旋轉(zhuǎn)精度。2)傳動(dòng)比大。單級(jí)諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比可達(dá) 30-500,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,三個(gè)在同軸上的基本零部件就可實(shí)現(xiàn)高減速比。3)承載能力強(qiáng)。在諧波傳動(dòng)中,齒與齒的嚙合是面接觸,加上同時(shí)嚙合齒數(shù)比較多,因而單位面積載荷小,承載能力較其他傳動(dòng)形式高。4)體積小、重量輕。相比普通的齒輪裝置,該齒輪結(jié)構(gòu)體積和重量可以大幅降低,實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化。5)傳動(dòng)效率高、壽命長(zhǎng)。6)傳動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)沖擊、噪聲小。

1.3 綠的諧波減速機(jī)綠的諧波跳出了傳統(tǒng)以 Willis 定理為基礎(chǔ)的漸開(kāi)線齒輪設(shè)計(jì),應(yīng)用全新的齒形設(shè)計(jì)理論,設(shè)計(jì)出非共軛的諧波嚙合齒形,可以在大幅提高諧波減速機(jī)使用壽命的前提下,提高其輸出效率和扭矩承受能力。與國(guó)外同類產(chǎn)品齒形比較,全新的諧波嚙合齒形“P型齒”克服了以往諧波嚙合齒形的缺點(diǎn),通過(guò)一系列創(chuàng)新性的改進(jìn)措施,能極大提高柔輪的使用壽命。“P 型齒”優(yōu)點(diǎn)包括:1)齒高較低,不需要很深的嚙合距離就可以獲得較大的嚙合量,可承受較大的扭矩;2)齒寬較大,齒根弧度亦大,可減少發(fā)生斷裂失效的風(fēng)險(xiǎn);3)所需柔輪變形量較小,可使柔輪的壽命得到很大提高;4)20%-30% 的齒參與嚙合,齒面比壓較小。

在性能參數(shù)上,綠的諧波減速機(jī)的優(yōu)勢(shì)包括:1)承載扭矩大幅提升,是國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的 2 倍以上,極限載荷優(yōu)于國(guó)外知名品牌;2)體積小,重量輕,體積是國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的 1/2 以下;3)高效率、低背隙、可實(shí)現(xiàn)零誤差精確傳動(dòng);4)超長(zhǎng)工作壽命,極限載荷壽命是國(guó)外知名品牌的4 倍以上;5)可以獲得超穩(wěn)定的低頻輸出特性,對(duì)于有精密點(diǎn)位控制要求和穩(wěn)定性的焊接機(jī)器人具有重要意義。[3]

2 一種典型的 SCARA 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)一種典型的 SCARA 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

2.1 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)1) 波發(fā)生器軸向定位嚴(yán)密。

如圖 4 所示,波發(fā)生器必須要完全定位:以電機(jī)軸頭為軸向定位基準(zhǔn)。以波發(fā)生器端面距離柔輪端面為定位尺寸(見(jiàn)圖 5)。

2)諧波減速機(jī)應(yīng)注意避免干涉,如圖 6 所示

① 避免柔輪在發(fā)生彈性變形時(shí)與相配零件干涉。② 注意安裝螺釘長(zhǎng)度,防止因螺釘過(guò)長(zhǎng)干涉柔輪。3)諧波減速機(jī)本體上的螺釘不能拆卸。4)注意諧波減速機(jī)潤(rùn)滑與密封。

圖 7 所示的諧波減速機(jī)是一款開(kāi)式減速機(jī),減速機(jī)內(nèi)部需要考慮形成一個(gè)“密封的腔體”,防止漏油。故此,需要在相應(yīng)的配合零件位置使用 O 型密封圈或者涂抹平面密封劑。電機(jī)必須有軸封密封,防止?jié)櫥托孤哆M(jìn)電機(jī)內(nèi)部。5)注意諧波減速機(jī)相配零件的形位公差。① 與減速機(jī)連接固定的安裝平面形位公差為:平面度0.01mm、垂直度0.01mm,螺紋孔或者通孔位置度0.1mm。② 盡量減少需相配合零件的數(shù)量,防止尺寸鏈過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生的累計(jì)誤差。6)確認(rèn)減速機(jī)齒面及柔性軸承部分始終保持充分潤(rùn)滑。不建議齒面始終朝上使用,會(huì)影響潤(rùn)滑效果。如果出現(xiàn)齒面始終朝上的情況,腔體內(nèi)的油位必須超過(guò)嚙合齒面,保證齒部和柔性軸承的有效潤(rùn)滑。7)過(guò)渡法蘭止口公差配合。減速機(jī)共有 3 處公差配合,如圖 8 中①②③所示。為了防止“過(guò)定位”,需要將過(guò)渡法蘭止口公差放大。


2.2 加工工藝要求諧波減速機(jī)對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的傾斜非常敏感,故加工時(shí)必須考慮合適的工藝方案,尤其要保證相應(yīng)的形位公差。2.3 裝配工藝要求2.3.1 裝配環(huán)境要求諧波減速機(jī)必須在足夠清潔的環(huán)境下安裝,安裝過(guò)程中不能有任何異物進(jìn)入減速機(jī)內(nèi)部,以免使用過(guò)程中造成減速機(jī)的損壞。2.3.2 裝配工具包括相應(yīng)規(guī)格的扭矩扳手、定量加油器具、無(wú)塵紙、螺紋膠等。2.3.3 裝配要點(diǎn)在柔性軸承、柔輪內(nèi)壁上均勻涂抹綠的諧波專業(yè)潤(rùn)滑脂,再進(jìn)行安裝。將 電 機(jī) 以 100r/min 的速度開(kāi)動(dòng),以十字交叉的方式鎖緊電機(jī)過(guò)渡法蘭,以 4-5 次均等遞增加力至螺釘對(duì)應(yīng)鎖緊。(螺釘對(duì)應(yīng)鎖緊力見(jiàn)表 1)

3 結(jié)語(yǔ)       諧波減速機(jī)做為一種開(kāi)式減速機(jī),其應(yīng)用涉及到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、裝配的全過(guò)程。它不僅對(duì)設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)制造者,也對(duì)裝配者提出了諸多要求。任何一個(gè)環(huán)節(jié)如未能得到有效控制,都將影響諧波減速機(jī)的應(yīng)用。
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