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減速機的常見類型與應用

作者/出處: 網絡 發布時間: 2019-07-23

減速機一般用于低轉速大扭矩的傳動設備,把電動機、內燃機或其它高速運轉的動力,通過減速機的輸入軸上的齒數少的齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的,大小齒輪的齒數之比,就是傳動比。

減速機是一種相對精密的機械,使用它的目的是降低轉速,增加轉矩。減速器的種類繁多,型號各異,不同種類有不同的用途。

按照傳動類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星齒輪減速器;按照傳動級數不同可分為單級和多級減速器;按照齒輪形狀可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐-圓柱齒輪減速器;按照傳動的布置形式又可分為展開式、分流式和同軸式減速器。

為了便于合理選擇減速機,故將幾種常見減速機的類型、特點及應用一一列出,供選型時參考。

1. 單級圓柱齒輪減速機

單級圓柱齒輪減速機適用于減速比3~5。輪齒可為直齒、斜齒或人字齒,箱體通常采用鑄鐵鑄造,也可以用鋼板焊接而成。軸承常用滾動軸承,只有重載或特高速時才用滑動軸承。

2. 雙級圓柱齒輪減速機

雙級圓柱齒輪減速機分有展開式、分流式、同軸式三種,適用減速比8~40。

展開式:高速級長尾斜齒,低速級可為直齒或斜齒。由于齒輪相對軸承布置不對稱,要求軸的剛度較大,并使轉矩輸入、輸出端遠離齒輪,以減少因軸的彎曲變形引起載荷沿齒寬分布不均勻。結構簡單,應用最廣。

分流式:一般采用高速級分流。由于齒輪相對軸承布置對稱,因此齒輪和軸承受力較均勻。為了使軸上總的軸向力較小,兩對齒輪的螺旋線方向應相反。結構較復雜,常用于大功率、變載荷的場所。

同軸式:減速機的軸向尺寸較大,中間軸較長,剛度較差。當兩個大齒輪浸油深度相近時,高速級齒輪的承載能力不能充分發揮。常用于輸入和輸出軸同軸線的場所。

3. 單級錐齒輪減速機

單級錐齒輪減速機適用與減速比2~4。傳動比不宜過大,以減小錐齒輪的尺寸,利于加工。僅用于兩軸線垂直相交的傳動中。

4. 圓錐、圓柱齒輪減速機

圓錐、圓柱齒輪減速機適用于減速比為8~15。錐齒輪應布置在高速級,以減小錐齒輪的尺寸。錐齒輪可為直齒或曲線齒。圓柱齒輪多為斜齒,使其能與錐齒輪的軸向力抵消一部分。

5. 蝸桿減速機

主要有圓柱蝸桿減速機,圓弧環面蝸桿減速機,錐蝸桿減速機和蝸桿—齒輪減速機,其中以圓柱蝸桿減速機最為常用。

蝸桿減速機適用于減速比為10~80。結構緊湊,傳動比大,但傳動效率低,適用于小功率、間隙工作的場合。當蝸桿圓周速度V≤4~5m/s時,蝸桿為下置式,潤滑冷卻條件較好;當V≥4~5m/s時,油的攪動損失較大,一般蝸桿為上置式。

6. 行星齒輪減速機

行星減速機因為結構原因,單級減速最小為3,最大一般不超過10,常見減速比為:3/4/5/6/8/10,減速機級數一般不超過3,但有部分大減速比定制減速機有4級減速。

相對其他減速機,行星減速機具有高剛性、高精度(單級可做到1分以內)、高傳動效率(單級在97%-98%)、高的扭矩、體積比、終身免維護等特點。因為這些特點,行星減速機多數是安裝在步進電機和伺服電機上,用來降低轉速,提升扭矩,匹配慣量。

減速器如何替代電機轉速來控制機器人關節運動

從上面的機器人臂部結構圖中我們可以看到,在機器人關節處都安裝有電機和減速機用來控制關節運動,那么問題來了

在機器人系統中,為什么不能直接控制伺服電機轉子轉速控制關節運動,為何還需要減速器?

要回答這個問題,首先要明確工業機器人關節的工況:

1. 工業機器人的關節需要撐住后端機構由于重力產生的扭矩。

2. 工業機器人關節轉速不高。機器人關節角速度很低,可電機在極低的速度下轉動是不平穩的,控制不易,需要一個機械讓電機在較合理的轉速下運動,保證運動的平順。

那么使用減速機的原因有兩點,第一點是提扭矩,第二點就是提控制分辨率和閉環精度。

例如,一個50:1的諧波減速機就能輕松將一個額定100mNm的電機的額定扭矩提升到5Nm,代價是:

1.轉子轉速比直驅高49倍

本來工業機器人的關節轉速就不高,一般都是每秒一兩轉,額定100mNm的電機輕松跑6k轉/min,白不轉那么快。要是嫌轉的不夠快?解決辦法就是提電壓,但這要考慮的是軸承和轉子是否撐得住。

2.重量提高到原來3倍

舉個例子,maxon EC45最厚的電機額定轉矩為83mNm,重110g;maxon EC90的額定轉矩為560mNm,重600g。從這個兩個數據出發,可以腦補一下額定5Nm的電機重量是多少倍。

3.維持相同扭矩時,發熱功率是不加減速機的1/2500

其實不是說額定100mNm的電機干不到5Nm,也是可以做到的,只要往死里提電流就好了,但這樣將會造成電機快速發燙,撐不了幾秒就得冒煙,就算上了水冷電費也會比較多。要想達到相同扭矩又不想太燙就得換扭矩/發熱效率高且熱阻小、熱容量大的電機,但這樣就又回到2所說的問題了。

此外,使用減速機的好處有:

1.以更低價格的機械實現更高的分辨率

一個普通5k線的光電碼盤就能實現1.44mdeg的角度分辨率(當然,如果資金太多上正余弦編碼器使勁細分也可以實現的);或者是一個5相1000步的步進電機可以做到7.2mdeg的分辨率(此處說的就是東方電機的33步進+50:1的諧波)。分辨率高的好處是轉速控制可以更精確,由于量化造成的階躍產生的高頻分量變得很小,控制更加平滑。

2. 提高閉環精度,更好的控制控制環路

由于有個50:1的大減速比,減速機出軸受到擾動傳遞到電機端就比直驅縮減了37dB,使得閉環精度在減速機出軸顯得更高。同時轉子等效的轉動慣量提高到了2500倍,使得控制環路的滯后環節受轉子慣量占主導,而轉子由于直接受電磁力的驅動從而沒有由于剛度造成的扭矩滯后,比直驅要好控。

除了上面技術性方面的解答,這里還有一個案例,可來從另一個角度間接回答此問題。

某客戶一種型號為6150的車床,卡盤為10寸(直徑約250mm)液壓卡盤,為了達到單邊7mm的切削能力,利用主軸電機(交流異步電機)的低速大扭矩(轉矩)特性,擬選取一款7.5kw額定轉速1000轉的電機,同時使用1:2傳動比(減速)的齒輪。

已知傳動比和功率、轉矩成正比,即使用1:2的傳動比,7.5kw的電機達到了15kw、同時2倍轉矩(注意,此處不是指2倍額定轉矩)的特性。如果選擇的是15kw的電機,價格就要貴不少,安裝尺寸也要變大;而加工出1:2傳動比的一對齒輪不需要很多錢。

不明白的可查看下面這張異步電機功率、轉矩特性曲線圖。(注意:和直流電機不同,異步電機是可能工作在超過橫轉矩區的。)

除了獲得低速、大扭矩特性,機器人上用的直流電機可能也有這方面原因,而所用的減速機的傳動比可能更大(2級傳動或更高)。

當然,使用減速機并不是完美的,還是有一些缺點,但是,兩相比較之下,還是使用減速機更為合適。 ? ? ? ? ?

使用減速機之缺點:

1. ?如果配置了減速機而編碼器又裝在電機端的話,減速機的制造精度會影響實際精度;

2. ?多級減速機里的齒隙油膜厚度變化等小誤差經過多級放大還是會造成重復精度的下降;

3. ?還有減速機畢竟有齒輪嚙合或是柔輪變形,有壽命限制;

4. ?對多連桿機構齒隙的非線性耦合使得機器人的絕對精度較差,所以工業機器人只談重復定位精度不談絕對精度,從而使得機器人很難純粹地進行離線編程,提高了部署的難度和成本。

以上就是為什么不能直接控制伺服電機轉子轉速來控制關節運動,而是需要使用減速器的原因。雖然現在有直驅電機驅動的機器人,但是由于上述問題,成熟度上還差一些。

總之,工業機器人上用減速機就是用電機容易達到的高轉速換取電機不易做到的高扭矩和低質量。

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