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            如何保證減速器“動”而不“振”

            2021-07-01
            減速器振動問題一直是機器人的應用痛點,它不僅影響了機器人的終端用戶體檢,更為關鍵的是,它限制了機器人在高端裝備制造領域“大展拳腳”;由于減速器的振動會傳遞到機器人末端,從而使末端出現抖動,大大降低了機器人的軌跡精度、重復定位精度。

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            例如,在機器人焊接復雜曲面、切割復雜形狀時,受減速器振動影響,機器人的運動軌跡會出現不光滑,甚至是運動軌跡不連續的情況,不利于對機器人軌跡進行優化??梢哉f,如果不能有效解決減速器的振動問題,機器人就無法承擔類似的高速、高精生產任務。


            不僅如此,一旦減速器振動過大,機器人關節運動速度的上限也會大大降低,并且使得定位時間增加,從而影響機器人的工作效率;而減速器的振動也會讓機器人在運動過程中產生附加沖擊力,從而降低了整機系統的使用壽命。



            是什么引起了減速器的振動?

            那么如何才能解決這令人頭痛不已的減速器振動問題呢?


            我們首先需要從原理著手,了解減速器為什么會產生振動。以諧波減速器為例,從齒輪嚙合原理來看,當嚙合存在干涉或齒面光潔度差時都會導致嚙合沖擊力增大,從而引起減速器的振動劇烈增大。

            而從薄壁圓筒機理看,引起諧波減速器振動深層次原因為:
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            經過理論研究,減速器振動的大小與材料的密度成正比、與材料的楊氏模量和泊松比成反比。
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            結構設計對減速器振動的影響,振動的大小與輪齒的嚙合長度成反比,與柔輪的壁厚成反比,與柔輪半徑成正比。

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            諧波減速器振動幅值和輪齒嚙合長度的關系

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            諧波減速器振動幅值和柔輪壁厚之間的關系

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            零件加工精度的影響,減速器中的一些關鍵零部件,例如凸輪軸形位公差齒面表面光潔度的影響,如果同軸度對稱度形位公差較大,會使諧波減速器產生偏心力,偏心力就會成為減速器振動的一個激勵,從而加劇振動。
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            減速器裝配的影響,零件選配的不合理,不僅會使得減速器系統出現不平衡力,而且還會產生新的諧波頻率,這些不僅會使得系統振動增加,同時增加系統出現共振的概率。


            減速器振動解決方案

            基于對以上振動理論的研究,昊志機電在齒形及結構設計方面,正向設計開發SP齒形及凸輪廓曲線,并優化了輪齒的最佳嚙合長度和柔輪的最佳壁厚。

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            此外,改善齒輪加工精度等級、齒面的光潔度,降低摩擦提升傳動的平順性。

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            在材料選用上,昊志機電選擇了密度小、彈性模量大的新型合金鋼,并通過對加工工藝不斷改進,精細化了材料的晶粒,從而進一步提高了材料的彈性模量、泊松比;這些舉措都很好地避免了減速器出現過大的振動,下圖為改進工藝后材料晶粒的金相圖,其晶粒度等級已經達到了1-2級。

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            試樣邊緣 500X


            在零件加工方面,通過改良裝夾工裝和工藝流程,盡量減少零件在加工時的裝夾次數和加工基準的更換,從而提升了零件的加工精度等級;以凸輪軸為例,凸輪對稱度嚴格控制在5μm之內,輪廓度小于2μm。

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            在裝配規則方面,將人工智能算法引入到了諧波減速器的裝配上來,真正的做到了零件的“智能”選配。智能化選配的流程圖如下所示:

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            減速器振動改善效果呈現

            從頻譜分析圖對比可以發現,改善振動幅值明顯降低,另外,齒輪的嚙合頻率及邊頻明顯降低,這說明昊志機電減速器齒輪嚙合狀態良好,運轉中受到的沖擊較小。

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            優化前頻譜測試效果

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            優化后頻譜測試效果

            昊志機電始終堅持做優質的國產機器人核心零部件供應商,秉承“立足自主技術創新、服務全球先進制造”的發展戰略,不斷提升減速器的易用性、穩定性、精度等,助力國產工業機器人在更多更廣的領域“開疆拓土”。


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