Varför föredrar industrirobotar och tung utrustning RV-reduktorer med dubbla skivor?

Många ingenjörer har samma fråga när de först stöter på enRV-reduktor: om en enda cykloidskiva redan kan ge hastighetsreduktion, varför är RV-reduktorer som används i industrirobotar nästan alltid konstruerade med två cykloidskivor?

Att lägga till en andra skiva innebär fler komponenter, mer komplicerad montering och högre tillverkningskostnader. Vad är då anledningen?

Svaret kan sammanfattas i en mening: den andra skivan finns inte i första hand för att ge reduktion; den finns för att förbättra noggrannhet, stabilitet, lastfördelning och livslängd.

I denna artikel använder vi vår monteringsmodell för RV-reduktorer och rörelsesimulering för att förklara varför konfigurationen med dubbla skivor har blivit den dominerande arkitekturen för industrirobotar, verktygsmaskiner, rundbord och andra precisionstransmissionssystem för tunga laster.

Obs: De numeriska data och bilderna i denna artikel baseras på simuleringsberäkningar och tillhandahålls endast som referens.

Hur fungerar en RV-reduktor?

En RV-reduktor, eller cykloidal stiftväxelreducerare, har en relativt kort transmissionskedja.

Ingående axel driver en excentermekanism. Excentermekanismen bär cykloidskivorna, som griper in i stiften i stifthuset. Den resulterande rörelsen överförs sedan till utgången via utgående stiftmekanism.

Följande är en sprängskiss av vår NX-monteringsmodell, inklusive stifthuset med 40 stift, vevaxel, excenterlager, två cykloidskivor och utgående skiva. Varje komponent i modellen genereras direkt från transmissionssystemets konstruktionsparametrar.

Reduktionsprincipen kan sammanfattas enkelt.

Stifthuset har 40 stift, medan cykloidskivan har 39 tänder. Under ett varv av vevaxeln rör sig cykloidskivan bakåt med en tandposition. Därför fullbordar utgången ett varv efter 39 varv av vevaxeln:

i = 39

Rörelsesimuleringen ger ett mer intuitivt sätt att förstå denna transmissionsprocess.

Vilka problem finns med en RV-reduktor med enkel skiva?

Problem 1: Obalans i radiell kraft

Cykloidskivan arbetar excentriskt. Dess excentriska massa roterar runt centrum, medan ingreppslasten också är koncentrerad inom en viss sektor.

I vår numeriska beräkning med hävstångsmetoden uppfyller 19 av de 40 stiften de grundläggande lastbärande villkoren, medan cirka 15 stift faktiskt belastas under de analyserade förhållandena.

Beräkningen visar att cirka 90 % av lasten är koncentrerad på 11 stift inom en sektor på 90°, vilket ger en lastfördelningskoefficient på:

Kγ = 1.71

I en konfiguration med enkel skiva roterar denna koncentrerade lastsektor tillsammans med den excentriska massan.

Resultatet är ökade vibrationer, buller och lagerbelastning.

För utrustning för tunga laster och industrirobotleder blir dessa effekter allt viktigare eftersom reduktorn måste arbeta upprepade gånger under högt vridmoment och frekvent acceleration och retardation.

Fördelar med en RV-reduktor med dubbla skivor

En RV-reduktor med dubbla skivor placerar två identiska cykloidskivor axiellt i transmissionen.

Skiva A arbetar vid excentriciteten +e, medan skiva B arbetar vid excentriciteten −e. De två excentriska sektionerna på vevaxeln är därför placerade 180° från varandra.

Det räcker dock inte att bara installera två identiska skivor 180° från varandra.

Skiva B måste också vridas med en specifik fasvinkel:

Δφ = −180° / zc = −180° / 39 = −4.615°

Denna detalj är särskilt viktig vid CAD-modellering och montering.

Om en ingenjör bara duplicerar den första cykloidskivan och installerar de två skivorna utan fasskillnad, kommer stifthålen inte att linjera korrekt och den avsedda effekten för minskat glapp kan inte uppnås.

Vänster sida i jämförelsen nedan visar den felaktiga fasordningen på 0°, där stifthålen är tydligt felinriktade. Höger sida visar den korrekta fasordningen på −4.615°.

Fördel 1: Utjämning av tröghetskrafter

Skiva A arbetar vid +e, medan skiva B arbetar vid −e.

De excentriska massorna rör sig därför i motsatta riktningar, vilket gör att deras första ordningens tröghetskrafter till stor del kan ta ut varandra.

Detta minskar vibrationerna och hjälper RV-reduktorn att arbeta mjukare.

För industrirobotleder är detta en av de mest direkta fördelarna med arkitekturen med dubbla skivor.

Lägre vibrationer kan också minska den dynamiska belastningen på lager och andra transmissionskomponenter.

Fördel 2: Glapp kan minskas genom förspänning

För att förstå varför strukturen med dubbla skivor kan minska glapp måste vi först förstå var glappet kommer ifrån.

I vår modell omvandlades fem huvudsakliga felkällor till utgångsvinkeln med hjälp av en hävstångsbaserad beräkning.

Under exemplets toleransförhållanden stod spelet i utgående stifthål för cirka 48 % av det totala beräknade glappet, vilket ungefär motsvarade det sammanlagda bidraget från de övriga fyra källorna.

Den cykloidala tandprofilen i sig stod för endast omkring en fjärdedel av totalen.

Detta innebär att en stor del av glappet kommer från spelkedjan, snarare än enbart från den cykloidala tandprofilen.

Fasskillnaden mellan de två cykloidskivorna ger ett sätt att kompensera för en del av detta spel.

Genom att justera fasen kan en skiva placeras mot ena sidan av spelet medan den andra skivan får kontakt med motsatt sida.

Principen liknar glappkompenseringsmekanismen i en förspänd kulskruv med dubbelmutter.

Det finns dock ett viktigt konstruktionsfönster som ofta förbises.

Vår beräkning ger ett monteringsfasfönster på cirka:

ε* = 79″

När fasfelet ligger inom detta fönster förblir effekten av glappreduktionen verksam.

När fasfelet överskrider det tillåtna fönstret kan de två skivorna börja motverka varandra och delvis låsa sig. Glappet kan fortsätta att minska, men friktion och temperaturökning uppstår samtidigt.

Därför bör godkännande av RV-reduktorer med dubbla skivor utvärdera både glapp och tomgångsmoment.

Att endast granska en av dessa parametrar kan ge en missvisande bild av den faktiska monteringskvaliteten.

Fördel 3: Lastdelning

De två cykloidskivorna ger parallella lastvägar.

Under ideala teoretiska förhållanden skulle varje skiva bära cirka 50 % av transmissionslasten.

I en verklig reduktor innebär tillverkningstoleranser och fasfel att lasten inte fördelas helt jämnt.

Trots detta minskar konfigurationen med dubbla skivor lastkoncentrationen betydligt.

Fler tänder kan delta i lastöverföringen, vilket kan minska kontaktspänningen och förbättra slitfördelningen.

Denna lastdelningsegenskap är särskilt värdefull i tillämpningar med högt vridmoment och lång drifttid.

Fördel 4: Högre torsionsstyvhet

Konfigurationen med dubbla skivor skapar ytterligare en parallell transmissionsväg.

Detta kan öka transmissionssystemets effektiva torsionsstyvhet och minska utgående vinkelrörelse under belastning.

För tillämpningar såsom svetsrobotar, materialhanteringsrobotar, industriella rundbord och verktygsmaskiner är torsionsstyvhet särskilt viktig eftersom utgången måste behålla sin position under varierande externa laster.

RV-reduktor med enkel skiva jämfört med dubbla skivor

Den extra cykloidskivan ökar antalet komponenter och monteringskomplexiteten, men ger även förbättringar av kraftbalans, lastdelning, glappkontroll och torsionsstyvhet.

Var används RV-reduktorer med dubbla skivor?

RV-reduktorer med dubbla skivor förknippas i stor utsträckning med tillämpningar som kräver högt vridmoment, hög styvhet, exakt positionering och långsiktig tillförlitlighet.

HONPINE RV-reduktorer används för närvarande i tillämpningar som robotarmar för tunga laster, industriella positionerare, industriella rundbord och verktygsmaskinsystem.

RV-reduktorer för industrirobotar

Industrirobotleder prioriterar inte främst att spara kostnaden för en cykloidskiva.

De kräver en kombination av:

• Hög positioneringsnoggrannhet

• Hög torsionsstyvhet

• Lågt glapp

• Hög lastkapacitet

• Lång livslängd

• Stabil drift

• Hög tillförlitlighet

RV-arkitekturen med dubbla skivor ökar tillverknings- och monteringskomplexiteten, men ger fördelar inom glappreduktion, vibrationskontroll, lastdelning och styvhet.

Därför används RV-reduktorer med dubbla cykloidskivor och fasförspänning i stor utsträckning i industrirobotleder.

RV-konfigurationer med enkel skiva förekommer oftare i utbildningssystem, experimentutrustning eller kostnadskänsliga tillämpningar där kraven på styvhet, vibrationer och långvarig drift under tung belastning är lägre.

RV-reduktorer för industriella positionerare

Industriella positionerare delar en viktig egenskap med robotleder: de hanterar ofta stora laster samtidigt som utgående axel även utsätts för excentriska laster och stjälpmoment.

En svetspositionerare måste till exempel rotera ett arbetsstycke samtidigt som stabil positionering bibehålls.

Om reduktorn har för stort glapp eller otillräcklig torsionsstyvhet kan utgången uppleva små vinkelrörelser under acceleration, retardation, riktningsändring eller extern belastning från svetsprocessen.

Industriella positionerare ägnar därför stor uppmärksamhet åt:

• Utgående vridmoment

• Torsionsstyvhet

• Glapp

• Tillåtet stjälpmoment

• Start-stopp-drift med hög frekvens

• Långsiktig drifttid

Dessa är också områden där RV-arkitekturen med dubbla skivor kan ge viktiga mekaniska fördelar.

RV-reduktorer för industriella rundbord

Industriella rundbord för tunga laster, robotrundbord, svetsbord och precisionspositioneringsbord ställer liknande krav på transmissionssystemet.

Kravet är inte bara att få bordet att rotera.

Systemet måste noggrant rotera en stor last till målpositionen och behålla stabil positionering efter att rörelsen har stannat.

Därför omfattar viktiga parametrar för en RV-reduktor som används i ett rundbord:

• Glapp

• Torsionsstyvhet

• Axiell och radiell lastkapacitet

• Tillåtet stjälpmoment

• Utgående vridmoment

• Positioneringsnoggrannhet

• Långsiktig driftsäkerhet

En RV-reduktor med dubbla skivor kan därför vara särskilt lämplig för roterande tillämpningar där hög belastning och stabil positionering krävs.

Varför är konfigurationen med dubbla skivor den dominerande RV-arkitekturen?

Reduktionsfunktionen hos en RV-reduktor kommer från den cykloidala stifttandtransmissionen.

Den extra cykloidskivan skapar inte i grunden utväxlingsförhållandet.

Dess främsta värde ligger i att förbättra transmissionssystemets mekaniska egenskaper.

Strukturen med enkel skiva behandlar den grundläggande frågan:

Kan mekanismen uppnå hastighetsreduktion?

Strukturen med dubbla skivor behandlar mer krävande frågor:

Kan den minska vibrationer, fördela last, kontrollera glapp, öka styvheten och fungera tillförlitligt under lång livslängd?

Denna skillnad förklarar varför RV-reduktorer med dubbla skivor används i stor utsträckning i industrirobotar, verktygsmaskiner, rundbord för tunga laster och andra precisionstransmissionstillämpningar.

Den lilla fasskillnaden på −4.615° i detta exempel är därför mycket mer än en CAD-monteringsdetalj. Den är en av nyckelfaktorerna som gör två cykloidskivor till ett samordnat precisionstransmissionssystem.