温斯顿(常州)机械有限公司

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如何保证减速器“动”而不“振”

减速器振动问题一直是机器人的应用痛点,它不仅影响了机器人的终端用户体检,更为关键的是,它限制了机器人在高端装备制造领域“大展拳脚”;由于减速器的振动会传递到机器人末端,从而使末端出现抖动,大大降低了机器人的轨迹精度、重复定位精度。

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例如,在机器人焊接复杂曲面、切割复杂形状时,受减速器振动影响,机器人的运动轨迹会出现不光滑,甚至是运动轨迹不连续的情况,不利于对机器人轨迹进行优化。可以说,如果不能有效解决减速器的振动问题,机器人就无法承担类似的高速、高精生产任务。


不仅如此,一旦减速器振动过大,机器人关节运动速度的上限也会大大降低,并且使得定位时间增加,从而影响机器人的工作效率;而减速器的振动也会让机器人在运动过程中产生附加冲击力,从而降低了整机系统的使用寿命



是什么引起了减速器的振动?

那么如何才能解决这令人头痛不已的减速器振动问题呢?


我们首先需要从原理着手,了解减速器为什么会产生振动。以谐波减速器为例,从齿轮啮合原理来看,当啮合存在干涉或齿面光洁度差时都会导致啮合冲击力增大,从而引起减速器的振动剧烈增大。

而从薄壁圆筒机理看,引起谐波减速器振动深层次原因为:
1
经过理论研究,减速器振动的大小与材料的密度成正比、与材料的杨氏模量和泊松比成反比。
2
结构设计对减速器振动的影响,振动的大小与轮齿的啮合长度成反比,与柔轮的壁厚成反比,与柔轮半径成正比。

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谐波减速器振动幅值和轮齿啮合长度的关系

谐波减速器振动幅值和柔轮壁厚之间的关系.jpg

谐波减速器振动幅值和柔轮壁厚之间的关系

3
零件加工精度的影响,减速器中的一些关键零部件,例如凸轮轴形位公差齿面表面光洁度的影响,如果同轴度对称度形位公差较大,会使谐波减速器产生偏心力,偏心力就会成为减速器振动的一个激励,从而加剧振动。
4
减速器装配的影响,零件选配的不合理,不仅会使得减速器系统出现不平衡力,而且还会产生新的谐波频率,这些不仅会使得系统振动增加,同时增加系统出现共振的概率。


减速器振动解决方案

基于对以上振动理论的研究,昊志机电在齿形及结构设计方面,正向设计开发SP齿形及凸轮廓曲线,并优化了轮齿的**啮合长度和柔轮的**壁厚。

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此外,改善齿轮加工精度等级、齿面的光洁度,降低摩擦提升传动的平顺性。

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在材料选用上,昊志机电选择了密度小、弹性模量大的新型合金钢,并通过对加工工艺不断改进,精细化了材料的晶粒从而进一步提高了材料的弹性模量、泊松比;这些举措都很好地避免了减速器出现过大的振动,下图为改进工艺后材料晶粒的金相图,其晶粒度等级已经达到了1-2级。

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试样边缘 500X


在零件加工方面,通过改良装夹工装和工艺流程,尽量减少零件在加工时的装夹次数和加工基准的更换,从而提升了零件的加工精度等级;以凸轮轴为例,凸轮对称度严格控制在5μm之内,轮廓度小于2μm。

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在装配规则方面,将人工智能算法引入到了谐波减速器的装配上来,真正的做到了零件的“智能”选配。智能化选配的流程图如下所示:

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减速器振动改善效果呈现

从频谱分析图对比可以发现,改善振动幅值明显降低,另外,齿轮的啮合频率及边频明显降低,这说明昊志机电减速器齿轮啮合状态良好,运转中受到的冲击较小。

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优化前频谱测试效果

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优化后频谱测试效果


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