工业机器人减速器RV320的修形参数优化与工艺性研究.pdf
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1、中文摘要RV减速器具有刚度高、传动精度高、承载能力强、体积小等特点,广泛应 用于工业机器人产品中。随着工业生产技术的发展,工业机器人拥有强大的市 场需求,而RV减速机全部被国外垄断。所以RV减速器的国产化的需求也日渐 突出。本论文来源是国家高技术研究发展计划(简称863计划)中的“工业机器 人高精度高效率减速器开发”课题的基础研究内容。RV减速器的主要结构是一级行星轮系与二级的摆线传动复合而成的新型结 构。由于结构较复杂又需要较高承载能力和高精度,所以对每一个部件都要有 较高的要求。RV减速器中的核心是摆线传动,而摆线传动中核心部分就是摆线 轮。以往的摆线轮生产都是标准的摆线齿廓齿形。为了能符
2、合RV减速器中的要 求,需要对其齿廓进行修形来提高它的承载能力,以达到RV减速器的要求。本论文通过对摆线轮齿形的修正,以增加摆线传动中摆线齿的同时啮合数,以大大提高摆线轮的承载能力。主要研究内容如下:1.研究了摆线减速器的传动原理、齿廓的标准参数方程以及带有修形量的非 标准参数方程。2.对摆线齿形进行了优化设计,提出了摆线轮齿廓的修形方式和方法。以 RV320减速器为例进行了样机加工与实验。3.研究了 RV减速器的装配方法和装配工艺。通过研究RV减速器中摆线轮齿廓修形参数的计算与优化,可以有效提高 RV减速器的承载能力和传动精度,为进一步研制出国产工业机器人用高精度、高效率的减速器打下了坚实基
3、础。关键字:RV减速器,摆线,等距修形,移距修形,转角修形IABSTRACTCycloidal reducer is the most ideal planetary reducer drive structure.Has high rigidity,high precision,carrying capacity,strong,and small volume etc characteristics,application in modern industry and high precision industrial production.Along with the industrial
4、 production technology development,the industrial robot has a strong market outlook,its core parts RV reducer of the localization of demand is also increasingly outstanding.This paper source is the national high technology research and development program(referred to as 863 Plan)of the industrial ro
5、bot high precision gear reducer highly efficient development the foundation of topic research content.RV reducer of the main structure is the level of planetary gear train and the cycloid secondary drive compound and into the new structure.Due to the complex structure is complicated and requires a h
6、igher bearing capacity and high precision.So for each unit should have higher requirements.RV reducer of the core is the cycloid drive,and cycloid transmission in the core part is cycloidal wheel.Previous cycloidal wheel production is standard cycloidal tooth profile.In order to conform to the requi
7、rements of the RV reducer,need to undertake repairing the profile shape to improve its carrying capacity,in order to achieve the requirements of RV reducer.This paper through cycloidal gear teeth shapes correction,can increase cycloid transmission in the cycloidal tooth and mesh number.This can grea
8、tly improve the cycloidal wheel bearing capacity.Comprehensive summarize the main research content is as follows:1.Introduce the cycloidal transmission principle,profile standard parameter equation,and with altering shape amount of nonstandard parameter equation.2.The cycloidal tooth profile optimiz
9、ation,puts forward the cycloidal tooth profile modification way and method.And with 320 rv reducer for prototype,carries on the processing.3.Introduces the RV reducer assembly method and assembly process.Through the study RV reducer of cycloidal tooth profile modification shape parameter calculation
10、 and optimization,in order to improve the bearing capacity of the RV reducer and transmission accuracy.The main project for the development of the industrial robot high precision high efficiency to provide basis.Key words:RV reducer,cycloid,isometric alter shape,shift alter shape,Angle modification
11、shap目录第一章绪论.11.1 选题背景.11.1.1 问题的提出.11.1.2 目的和意义.11.2 摆线结构与国内外RV减速器的研究现状与发展综述.31.2.1 摆线结构与摆线减速器的发展历史与现状.31.2.2 国外RV减速器的技术背景.31.2.3 国外RV减速器产品的背景.41.2.4 国内RV减速器的研究现状.61.3 论文的主要工作与总体结构.8第二章 摆线传动结构与齿形参数方程简介.92.1 摆线原理.92.1.1 摆线生成.92.1.2 生成相同摆线齿廓的条件.112.1.3 摆线的分类.132.1.4 摆线结构与齿轮结构的区别.132.2 摆线传动结构与RV传动结构.15
12、2.2.1 摆线传动结构.152.2.2 RV传动结构.162.2.3 RV传动比的计算.172.3 本章小结.19第三章摆线齿形修形量的分析与计算.203.1 摆线齿廓修形理论基础.203.1.1 摆线齿廊的修形原则.203.2 摆线齿廓的修形方法.213.2.1 等距Airp修形.213.2.2 移距Arp修形.213.2.3 转角3修形.223.3 摆线的齿廓参数方程.223.3.1 摆线齿廓的标准参数方程.223.3.2 带有修形的摆线齿廓通用参数方程.233.4 修形量的计算方法.243.5 最佳修形量的提出.25ill3.6 修形后的摆线齿廓参数方程.283.7 本章小结.28第四
13、章 摆线轮与针轮同时啮合齿数的确定.294.1 摆线轮啮合时与针齿配合受力分析.294.1.1 标准的摆线齿形与针齿之间无隙啮合时受力分析.294.1.2 修形后的摆线齿形与针齿之间无隙啮合时受力分析.294.2 摆线齿轮在传动中瞬时的共同啮合齿数的判定.304.2.1 啮合初始间隙.304.2.2 判断摆线齿与针齿在受力作用下的同时啮合齿数的方法.314.2.3 确定摆线齿轮与针齿壳专十齿之间能同时啮合齿数的原则.324.2.4 摆线齿轮齿廓修形时与针齿壳上针齿的啮合时受力分析理论.324.3 本章小结.36第五章RV320工业机器人减速器的性能参数优化.375.1 RV320工业机器人中摆
14、线轮啮合时与针齿配合受力分析.375.1.1 摆线齿轮在极端情况下的受力分析.375.1.2 摆线齿轮参与啮合齿数的确定.385.1.3 摆线齿轮的在受力情况下的实际啮合力的确定.405.2 摆线齿轮的加工与检测.415.2.1 摆线齿轮的加工.415.2.2 摆线齿轮的检测.435.3 RV320工业机器人的装配过程.445.3.1 RV320减速器的装配流程.445.4 RV320工业机器人的样机检测.475.4.1 RV320工业机器人的传动效率与温升测试.475.4.2 传动效率与温升的试验结果分析.515.4.3 静力学刚度及回差检测.525.4.4 效率与能效评估.555.5 RV
15、320减速器在装配过程中遇到的问题与难点与未来改进方案.555.5.1 装配过程中的难点与解决方案.555.5.2 针对装配过程中难点的改进方案.565.5.3 RV320工业机器人减速器刚度改进方案一.565.5.4 RV320工业机器人减速器刚度改进方案二.565.5.5 RV320工业机器人减速器中的其它改进方案.575.1 RV工业机器人中的结构在普通摆线减速器中的应用.575.1.1 修形方式的应用.585.1.2 满装滚子结构的应用.585.1.3 插齿结构的应用.58IV5.1.4 新摆线减速器产品介绍.595.2 双包络曲线齿形传动应用在摆线结构中的设想.605.3 本章小结.
16、61第六章结论与未来展望.636.1 研究结论.636.2 本课题的未来展望.63参考文献.65附录1样机试验报告书.70附录2检测中心的检测报告.71致谢.72v第一章绪论第一章绪论1.1 选题背景本课题来源于国家高技术研究发展计划(简称863计划),为先进制造技术 领域“工业机器人工程化产品及自动化生产线”重大项目(第一期)中的子课 题“工业机器人高精度高效率减速器开发”的基础研究内容。天津百利天星传动有限公司前身是天津减速机总厂,始建于1956年,是国 家定点生产减速机、变速机的专业厂;是行星摆线针轮减速机和油浸式电动滚 筒产品开发生产的发源地;是机械工业重点骨干企业;中国减、变速机行业
17、协 会理事长单位。多年来,企业始终遵循“进取求实,从严创新”的精神迅速发 展,以“一切为用户着想”作为企业各项工作决策的宗旨,积极开展广泛的对 外交流与合作。列为中国机械工业500家大型企业之一,天津市百强企业之一。LL1问题的提出目前,工业生产领域中工业机器人的应用越来越广泛,随着工业生产技术 的发展,工业机器人拥有强大的市场发展前景。工业机器人的核心部件之一一 一减速器。目前市场的减速器种类很多,主要分为:摆线行星针轮减速器,齿 轮减速器,行星减速器,蜗轮蜗杆减速器等。应用于工业机器人的驱动装置要 求很高,主要是高精度、高承载能力及体积小等要求。所以这些减速器都不能 用在工业机器人上来当作
18、驱动装置。这就需要设计一种能够用在工业机械上驱 动装置上的高承载能力,高精度和体积小的减速器。RV减速器的主要结构就是摆线行星传动结构。在此结构上摆线轮是其最重 要的部件之一。一般的摆线减速器都是标准的摆线齿廓,未经过修形处理。而 RV减速器需要应用在工业机器人上,就需要较大的传动扭矩。而摆线结构中,摆线轮,偏心轴,偏心轴承和针齿销就是比较薄弱的部件。为了克服上述不足,RV减速器采用了通过行星传动中的三个行星轮来变成三偏心结构。而摆线轮的 改进就需要对摆线轮的齿形进行修形处理。1.1.2目的和意义工业机器人是推动我国制造装备升级与换代的重要支撑技术,发展空间巨 1第一章绪论大。目前,我国迫切需
19、要研究核心部件、自动化生产线的关键技术,提高工业 机器人及其生产线成套工艺设计能力和核心部件水平,促进我国工业机器人产 业发展,提高基础制造装备的竞争力。项目总体目标:攻克工业机器人本体、精密减速器、伺服驱动器和电机、控制器等核心部件的共性技术,自主研发工 业机器人工程化产品,推动国产工业机器人在汽车等行业自动化生产线上的应 用,实现工业机器人及其核心部件的技术突破和产业化。RV减速器的主要结构是一级行星轮系与二级的摆线传动复合而成的新型结 构口。由于结构复合较复杂,结构盐分紧凑,又需要较大的传动比和高承载能 力、高精度。所以对每一个部件都要有较高的要求。而RV减速器中的核心就是 摆线传动,而
20、摆线传动中的核心部分和相对薄弱的部件就是摆线轮。以往的摆 线轮生产都是标准的摆线齿廓齿形。为了其能适应在RV减速器中的要求。就要 对其齿廓进行修形来提高它的承载能力,以达到RV减速器的要求。863课题的研究目标:针对165kg以上的点焊机器人、300kg以上的重载 搬运机器人而开发高精度高效率的工业机器人减速器,以实现工程应用。本课题的研究目标:针对对摆线轮的齿形修形来提高RV320机器人减速器 的承载能力,并保证其传动精度符合原先设计之要求。主要研究内容:高精度、高效率精密减速器设计技术,精密减速器加工与 装配技术,精密减速器精度和效率保持技术,减速器试验和检测技术等。以工业机器人实际工程与
21、应用环境为导向,搭建工业机器人的专用减速器 试验台。开展扭转加载综合性能的指标检测。包括:扭转刚度、传动效率、温 升和噪声测试。传动精度检测包括:角传动误差测量、动静态刚度检测、空程(即 回差)测量等。并针对目前国内外的同类型产品进行实验检测对比分析。基于其 测试分析的结果,对前期参数的设计、材料热处理的方法和制造装配的工艺中 的有效性与正确性进行检验分析。预估系统精度和效率可靠性。完成国内外的 同类型产品。完成实验的对比分析。在此,形成了工业机器人用RV高精度高效 率减速机的检测技术规范与标准。为国内同类型的高精密传动装置的检测提供 了技术指导。主要考核指标:(1)开发出满足165kg以上点
22、焊机器人和300kg以上重载搬运机器人所 需的成套减速器产品系列,技术水平处于国内领先,其中平均无故障时间MTBF 50000ho(2)系列精密减速器产品在5台套以上机器人工程化产品上实现示范应 2第一章绪论用,并正常运行半年以上,具备制造生产千台以上的能力。(3)形成自主知识产权,核心技术申报发明专利。(4)建立国内外产品性能对比试验平台;产品指标通过第三方机构测试。1.2摆线结构与国内外RV减速器的研究现状与发展综述1.2.1 摆线结构与摆线减速器的发展历史与现状摆线结构与摆线减速器是德国人L.Braren在1926年时发明的。也首次采用 变幅外摆线的内侧等距曲线当作了行星轮廓(也就是摆线
23、轮)的曲线,而把圆 弧曲线用作了中心轮的齿廓曲线。日本住友(Sumitomo)重机株式会社于1938 年买断了其专利并创新。日本住友公司先后推出了“80”及“90”系列的产品。与之前的普通摆线 减速机在性能与结构方面有了改进:例如增大了速比:由原先的8种更新到了 16种。增加了机型:由原先的15种更新到了 21种。增大了输入功率。摆线行星针轮减速器与普通的齿轮减速器和蜗轮蜗杆减速器相比,具有高 效率、大传动比、体积小巧、重量轻并且能够同轴输出、传动平衡和噪声小等 特点。而由于其同时啮合的齿数比其它齿轮减速机相比较多,所以承载能力、和啮合效率也很不错。1.2.2 国外RV减速器的技术背景在减速机
24、的制造领域中,日本一宜处在领先地方上。在五六十年代中,就 进行了许多的行星结构齿轮减速机的理论性研究工作。到了八十年代时,就开 始了研究了五种新型的2KV结构减速机。第一级为行星齿轮结构。第二级为摆 线三曲柄结构。并取得了阶段性成果。并且已经形成了系列产品。并申请了多 项关于三曲柄结构摆线针轮。一级和加二级摆线结构。曲柄轴结构等专利。Blanche最先开始进行了摆线齿轮结构的回差精度的研究。并发表了两篇论 文。主要研究了一种单摆线轮的回转精度。和与其侧隙、速比所引起的扭转振 动。并用几何学的方法推算出一系列的产生加工误差与装配过程误差所导致的 侧隙产生的公式。算出的侧隙、速比波动与扭转振动的一
25、种关系。可以得到相 应的线图结果等一系列理论。1.推算了摆线齿轮齿廓的参数方程式。这种方程 式之一的参数就是针齿销的半径。之后考虑了由此半径所引来的摆线齿轮齿廓 齿距缩小的误差。并在此状态下研究其回转精度。之后就是通过实例来证明转 3第一章绪论_角的误差表现为周期性的变化。其周期是言。同时其速比也是周期变化的。并 由此造成了其输出轴的氛围振动现象。Blanche还用了一些几何的方法研究了摆线行星结构减速机的传动精度。其 理论分析比较严谨,其结果有相当高的参考价值。查也有一些不足的地方。如 在研究过程中,只考虑了单级单片摆线齿轮结构的减速机的传动精度。没考虑 现在应用广泛的多级,多片摆线轮,多曲
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