機(jī)器人 ＲV 減速器主軸承的設(shè)計(jì)及應(yīng)用
2021-11-24 來(lái)源： 河南廣播電視大學(xué) 洛陽(yáng)軸承研究所 作者：王超俊 李智博 王東峰 孫建勇
摘要: 通過(guò)對(duì) ＲV 減速器主軸承受力模型分析得知，要保證其具有足夠的徑向、軸向及力矩承載能力，則其接觸角范圍應(yīng)為 30° ～ 50°; 工藝設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)控制內(nèi)外圈溝位置、配合面平面度、凸出量偏差( 0． 1 mm) 、裝配高散差等，而對(duì)于套圈寬度偏差、平行差、擋邊高度等均可放寬控制標(biāo)準(zhǔn); 軸承安裝時(shí)可通過(guò)調(diào)整 ＲV 減速器某一側(cè)的墊片厚度保證其具有合適的剛度。
關(guān)鍵詞: 滾動(dòng)軸承; 減速器; 角接觸球軸承; 設(shè)計(jì); 應(yīng)用
ＲV 減速器廣泛應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè)，具有軸向尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，速比靈活，運(yùn)轉(zhuǎn)精度高且使用時(shí)間長(zhǎng)等特性，是在擺線行星減速機(jī)構(gòu)形式上建立的二級(jí)封閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 。
目前，由于國(guó)外對(duì) ＲV 減速器技術(shù)的封鎖，加上我國(guó)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，造成國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域與國(guó)外差距較大。以其內(nèi)部使用的關(guān)鍵部件主軸承( 角接觸球軸承) 為例，國(guó)外廠商采用的均為非標(biāo)設(shè)計(jì)，但關(guān)于該非標(biāo)軸承的設(shè)計(jì)原理及使用方法鮮有報(bào)道。鑒于此，基于 ＲV 減速器的實(shí)際使用工況，介紹主軸承的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。
1、主軸承受力分析
ＲV 減速器結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，在使用過(guò)程中有行星架輸出( 固定減速器外殼) 和外殼輸出( 固定行星架) 2 種動(dòng)力輸出方式。主軸承位于減速器外殼與行星架之間，受到減速器外殼與行星架之間的相互作用力，包括軸向力、徑向力及傾覆力矩。
圖 1 ＲV 減速器結(jié)構(gòu)圖
重載工業(yè)機(jī)器人 ＲV 減速器分布示意圖如圖2 所示，共裝有 6 臺(tái) ＲV 減速器。負(fù)載( 也稱持重)是工業(yè)機(jī)器人的一項(xiàng)重要指標(biāo)，工業(yè)機(jī)器人在工作過(guò)程中工位不斷變化，故作用于機(jī)器人手腕末端的負(fù)載對(duì)于 1#，2#，3#ＲV 減速器既可能是軸向力，也可能是徑向力; 對(duì)于 4#，5#ＲV 減速器，在使用過(guò)程中主要受徑向力; 對(duì)于 6#ＲV 減速器，不僅受到外部作用力，還要承受機(jī)械手臂的重力，其受力主要為軸向力和傾覆力矩，對(duì)于該位置減速器，必須能夠承受盡可能大的軸向力，且具有良好的抗傾覆力矩能力。
圖 2 ＲV 減速器分布示意圖
ＲV 減速器主軸承受力如圖 3 所示 ，載荷位于減速器外部，無(wú)論減速器在圖 2 中何位置，外載荷 F1，F(xiàn)2 將形成施加在主軸承上的傾覆力矩 M1。在外載荷下作用下：
圖 3 ＲV 減速器主軸承受力示意圖
由( 1) ，( 2) 式可以看出: 軸承抗傾覆力矩性能不僅與其自身徑向承載能力有關(guān)，也與其接觸角所決定的受力作用點(diǎn)有關(guān)。以 ＲV100C 采用的 H76 /182 軸承為例進(jìn)行說(shuō)明，軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表 1。
表 1 H76 /182 軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
參照?qǐng)D 3，基于 ＲomaxDesigner 建立相應(yīng)軸系模型，軸承中心距 L 為 100 mm，施加外部?jī)A覆力矩M1 為 1 000 N·m，采用不同接觸角的 H76 /182 軸承進(jìn)行仿真分析，軸承承載能力及徑向變形量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 2。
表 2 不同接觸角 H76 /182 軸承的承載能力及徑向變形
由表 2 可知: 接觸角增大，額定載荷減小，但由于該軸承背對(duì)背安裝，接觸角增大時(shí)，兩軸承受力支承點(diǎn)間距 Lmn也增加; 軸承徑向變形量由 27． 43μm 減小為 23． 75 μm，說(shuō)明增大接觸角能夠提升整個(gè)減速器軸系抗傾覆力矩能力; 同時(shí)，接觸角增大能有效提升整個(gè)減速器軸向剛度，適用于受軸向載荷較大的減速器，尤其是圖 2 中 6#減速器。
故對(duì)于 ＲV 減速器主軸承，需綜合考慮其受力特點(diǎn)，在保證其具有足夠徑向承載能力的同時(shí)，要提升其軸向承載能力及抗傾覆力矩能力。這也驗(yàn)證了 ＲV 減速器技術(shù)指標(biāo)中力矩剛性的說(shuō)明。
2、主軸承結(jié)構(gòu)及精度控制
ＲV 減速器主軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須在滿足軸承承載能力的前提下，充分考慮減速器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而確定主軸承尺寸及精度控制方向。
2. 1 接觸角
通過(guò)上文分析可知，主軸承接觸角顯著影響減速器系統(tǒng)的承載能力及結(jié)構(gòu)剛性，通常情況下，采用 40°接觸角即可滿足上述性能需求。但減速器性能需求根據(jù)其在工業(yè)機(jī)器人中所處位置不同而有所側(cè)重，圖 2 中 6#減速器對(duì)軸向承載能力及抗傾覆力矩能力要求較高，該位置主軸承應(yīng)選用更大接觸角。分析國(guó)外減速器發(fā)現(xiàn)各減速器中軸承接觸角也并非固定值，通常在 30° ～ 50°之間，接觸角應(yīng)根據(jù)其所處位置決定。
2. 2 外圈寬度
國(guó)外 ＲV 減速器用主軸承通常采用內(nèi)、外圈寬度不等的結(jié)構(gòu)，可以使軸承及減速器輕量化。減速器主軸承雖然也是配對(duì)使用，但對(duì)配對(duì)結(jié)果影響最大的是軸承裝配高。軸承外圈非基面不與任何部位接觸，真正起作用的是圖 4 中 L2 部分，即軸承外圈溝位置。
圖 4 ＲV 減速器主軸承安裝結(jié)構(gòu)示意圖
因此，除軸承外圈溝道直徑、溝位置重點(diǎn)控制外，只需控制軸承配合面平面度即可，對(duì)于外圈寬度偏差、平行差，均可放寬控制標(biāo)準(zhǔn)。
2. 3 外圈基面擋邊高
對(duì)于常規(guī)軸承，外圈基面擋邊高應(yīng)保證軸承在允許的外力作用下接觸橢圓長(zhǎng)軸不超出擋邊邊緣。而對(duì)于 ＲV 減速器主軸承，外圈擋邊實(shí)際高度遠(yuǎn)超上述需求，這是由于該擋邊需要對(duì)圖 1 針齒的軸向位移進(jìn)行限制。在某些 ＲV 減速器中，外圈擋邊還需對(duì)擺線輪的軸向位移進(jìn)行限制。外圈基面擋邊高的確定需要考慮針齒及擺線輪在 ＲV 減速器外殼中的實(shí)際位置。
2. 4 內(nèi)圈參數(shù)
與外圈相同，需嚴(yán)控溝道參數(shù)和基面平面度，擋邊高度僅需保證其在允許的外力作用下接觸橢圓長(zhǎng)軸不超出擋邊邊緣。此外，內(nèi)圈寬度明顯大于外圈，且在軸承預(yù)緊后，內(nèi)圈非基面通常高于外圈基面，即凸出量為正，采用該設(shè)計(jì)方案可以適當(dāng)限定擺線輪軸向位移，避免軸承外圈由于擋邊高度不足而在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中與擺線輪干涉。
2. 5 凸出量
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)角接觸球軸承，凸出量是軸承能否組配使用的關(guān)鍵，但對(duì)于 ＲV 減速器主軸承，凸出量對(duì)軸承應(yīng)用影響不大，僅對(duì)擺線輪軸向位移有一定的影響，其尺寸公差控制在 0． 1 mm 即可。
2. 6 裝配高
角接觸球軸承若要發(fā)揮其高精度、高剛性等性能優(yōu)勢(shì)，需對(duì)其施加一定的預(yù)緊力 ，而裝配高將極大影響軸承預(yù)緊狀態(tài)，在生產(chǎn)過(guò)程中需精確控制。裝配高影響參數(shù)眾多，若將其嚴(yán)格控制在某一尺寸范圍，會(huì)增加制造難度及生產(chǎn)成本。在生產(chǎn)過(guò)程中僅需控制每批軸承裝配高散差即可，軸承預(yù)緊力可以通過(guò)選配墊片尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3、主軸承應(yīng)用
由圖 4 可以看出軸承分布在行星架兩側(cè)，背對(duì)背安裝，軸承預(yù)緊方式為定位預(yù)緊，可以得到整個(gè)減速器裝配尺寸鏈如圖 5 所示，圖中: TA 為左側(cè)軸承 A 裝配高，L1 為外殼擋肩寬，TB 為右側(cè)軸承B 裝配高，L3 為墊片理論厚度，L 為行星架左右擋邊之間的距離。
圖 5 ＲV 減速器裝配尺寸鏈
在整個(gè)裝配尺寸鏈中，為便于控制預(yù)緊力，調(diào)節(jié)右側(cè)墊片厚度 L3 最方便，可以此為整個(gè)裝配鏈的閉環(huán)，間接保證其尺寸并進(jìn)行選配安裝。裝配高 TA，TB 在整個(gè)裝配鏈具有重要影響，其尺寸增加( 減小) 將導(dǎo)致 L3 的減小( 增加) ，由于已嚴(yán)格控制裝配高散差，墊片厚度 L3 散差也相應(yīng)得到了控制，選配難度降低。
在上述裝配尺寸鏈中，軸承預(yù)緊通過(guò)墊片施加，墊片實(shí)際尺寸 L'3應(yīng)在 L3 基礎(chǔ)上加上 2 套軸承預(yù)緊后的軸向變形量，H76 /182 軸承預(yù)緊力與軸向位移的關(guān)系如圖 6 所示。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)減速器整體設(shè)計(jì)目標(biāo)確定預(yù)緊力，以保證整個(gè)
系統(tǒng)具有合適的剛度。
圖 6 H76 /182 軸承預(yù)緊力與軸向位移的關(guān)系
4、結(jié)束語(yǔ)
對(duì) ＲV 減速器主軸承主要受載模型及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析可知: 在主軸承設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮其主要設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù); 在加工制造過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)控制其關(guān)鍵工藝參數(shù)，在滿足軸承主要性能的同時(shí)，考慮其加工經(jīng)濟(jì)性; 在軸承應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)其受力情況、使用部位，合理選用配合尺寸、預(yù)緊力等，以滿足軸承使用性能。
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