王東峰，張振強，李文超，尹延經(jīng)，徐振宇

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3. 高性能軸承數(shù)字化設(shè)計國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039)

RV(Rotary-Vector)減速器因體積小，抗沖擊能力強，扭矩大，定位精度高，振動小，減速比大等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人、機床、醫(yī)療檢測設(shè)備、衛(wèi)星接收系統(tǒng)等領(lǐng)域[1-5]。與常用的機器人諧波傳動相比，RV減速器疲勞強度高，剛性好，壽命長，回差精度穩(wěn)定，有逐漸替代諧波減速器的趨勢。隨著機械行業(yè)的迅速發(fā)展，對RV減速器及所用軸承的性能提出了更高要求，國內(nèi)關(guān)于RV減速器專用軸承應(yīng)用技術(shù)的研究較少。鑒于此，基于軸承的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用特性等對RV減速器整體裝配技術(shù)進行分析。

1 RV減速器及專用軸承介紹

工業(yè)機器人減速器分布如圖1所示，一臺工業(yè)機器人一般裝有3臺以上RV減速器，小臂及夾取部位多為諧波減速器。在工作過程中工業(yè)機器人工位不斷變化，RV減速器不僅受到外部作用力，還要承受機械手臂的重力，故需有較強的軸、徑向承載能力，以及良好的抗傾覆力矩性能。

圖1 工業(yè)機器人減速器分布示意圖

經(jīng)典RV減速器結(jié)構(gòu)來自于日本帝人公司(NABTESCO)RV-E，RV-C系列，是一種新型二級封閉式、少齒差行星傳動機構(gòu)，傳動精度高，回差小，傳動比范圍大，體積小，質(zhì)量輕，承載能力強，主要由針齒殼、行星架、曲柄軸、軸承、擺線輪、針齒等組成，如圖2所示。

1—針齒; 2—圓柱滾子保持架組件;3—軸用擋圈;4—左行星架; 5—擺線輪; 6—主軸承; 7—針齒殼; 8—墊片; 9—右行星架; 10—螺釘; 11—孔用彈性擋圈; 12—曲柄軸; 13—圓錐滾子軸承。

力矩剛性(單位角度所需的負載力矩值)是RV減速器的重要指標(biāo)，RV-E型減速器受力如圖3所示，力矩剛性可表示為

圖3 RV-E減速器受力示意圖

(1)

式中：θ為輸出軸傾斜角度；w1為徑向載荷；w2為軸向偏心載荷；l1為減速器質(zhì)心到徑向載荷w1作用點的距離；l2為減速器軸心到軸向載荷w2作用點的距離。

根據(jù)二級封閉式RV減速器結(jié)構(gòu)劃分，RV減速器軸承主要包括主軸承、擺線輪支承軸承、偏心軸定位軸承及太陽輪支承軸承[6]，如圖4所示。1臺RV減速器一般需要9～15套軸承。

圖4 RV減速器軸承的分類

經(jīng)典RV減速器用主軸承一般為接觸角40°的薄壁推力角接觸球軸承，成對使用(圖2)，承載能力強，剛性好，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，幾乎承受了RV減速器的全部外載荷，是主要的定位軸承，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。主軸承受力復(fù)雜，工作過程中承受徑向力、軸向力以及傾覆力矩，且載荷不斷變化，偶爾也會受沖擊載荷。

圖5 RV減速器主軸承結(jié)構(gòu)

為使機器人結(jié)構(gòu)緊湊，RV減速器主軸承有單元一體化的發(fā)展趨勢，特別是用于輕型工業(yè)機器人的RV減速器，如RV-20E系列，其主軸承單元如圖6所示，內(nèi)圈溝道直接加工在行星架主軸上。

圖6 RV減速器主軸承單元

擺線輪支承軸承安裝在曲柄軸與擺線輪連接部位(圖2)，為非定位軸承，多數(shù)選用M型金屬保持架和圓柱滾子保持架組件(圖7)。RV-80E 型減速器3根曲柄軸上分別有2套圓柱滾子保持架組件，主要起支承并帶動擺線輪轉(zhuǎn)動的作用，擺線輪傳遞的扭矩對圓柱滾子保持架組件的受力影響較大。由于擺線輪在各個嚙合位置載荷不斷變化，其支承軸承受力復(fù)雜[7]。

圖7 擺線輪支承軸承

曲柄軸(偏心軸)兩端為兩套圓錐滾子軸承，主要起定位作用(圖2)。減速器在傳遞扭矩時，圓柱滾子保持架組件受到極大的作用力，這些力會通過曲柄軸傳遞到圓錐滾子軸承上，同時為保證曲柄軸不發(fā)生軸向竄動，也承受一定的軸向力，該類軸承為交叉定位軸承。曲柄軸定位軸承多選用小尺寸薄壁圓錐滾子軸承(圖8)，多為非標(biāo)結(jié)構(gòu)。

圖8 薄壁圓錐滾子軸承

2 RV減速器序列裝配技術(shù)

RV減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以 RV-80E型減速器為例，其零件接近 120 個，影響其裝配精度的因素繁多[8]，宜選用修配裝配法。

2.1 裝配尺寸鏈分析及確定

RV減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成零件較多，存在復(fù)雜的裝配尺寸鏈。對于軸承，既要保證主軸承的安裝定位精度，也要保證偏心軸支承軸承的交叉定位精度，因此，可從主軸承裝配尺寸鏈1和偏心軸支承軸承裝配尺寸鏈2進行分析。

2.1.1 確定封閉環(huán)

確定封閉環(huán)及其精度范圍是尺寸鏈分析的重點，也是RV減速器裝配的關(guān)鍵和技術(shù)難點。RV減速器需要有較好的力矩剛性，并要求壽命長及運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，需對RV減速器主軸承和偏心軸支承軸承施加一定的預(yù)緊力，即裝配軸承時需要合適的預(yù)緊量(在預(yù)載荷作用下成對使用的2套軸承軸向位移之和)，該預(yù)緊量通過其他尺寸鏈保證。預(yù)緊量即為主軸承和偏心軸支承軸承裝配尺寸鏈的封閉環(huán)，分別設(shè)為H0，h0。

預(yù)載荷作用下角接觸球軸承的軸向位移為[9]

δa=(Ri+Re-Dw)(sinα-sinα0)+

(2)

式中：Ri，Re分別為內(nèi)、外圈溝曲率半徑；Dw為球直徑； α0，α分別為軸承初始接觸角和實際接觸角；c為與接觸區(qū)尺寸有關(guān)的系數(shù)；Fa 為預(yù)緊力；Z為球數(shù)。

預(yù)載荷作用下圓錐滾子軸承的軸向位移為[10]

式中：Lwe為滾子有效長度。

圓錐滾子軸承消除軸向游隙后，隨軸向力增大其剛性不變，在預(yù)緊力范圍內(nèi)其位移比主軸承小，如圖9所示。以RV-80E型減速器為例，經(jīng)計算圓錐滾子軸承預(yù)緊力為2～3 kN，軸向位移為180 μm，主軸承預(yù)緊力為4～5 kN，軸向位移為250 μm。圓錐滾子軸承的封閉環(huán)偏差比主軸承嚴(yán)格，在裝配時需根據(jù)實際工況精確計算。

圖9 軸承軸向位移隨預(yù)緊力的變化曲線

2.1.2 建立尺寸鏈

尺寸鏈1如圖10所示，圖中：H0為壓入量，HB1，HB2為2套主軸承寬度，H1為墊片厚，H2為針齒殼擋肩厚，H3，H4為與行星架相關(guān)的尺寸。尺寸鏈2如圖11所示，圖中：h0為壓入量，H7為曲軸部分高，h2，h3為軸向墊片厚度，hb1，hb2為圓錐滾子軸承寬度，h1，h4為與孔用彈性擋圈相關(guān)的尺寸，H5，H6為與行星架相關(guān)的尺寸。H3，H4，H5，H6可通過擰緊螺釘緊固兩行星架確定，不重點討論。

圖10 尺寸鏈1示意圖

圖11 尺寸鏈2示意圖

2.1.3 確定修磨環(huán)及精度

軸承、孔用彈性擋圈均為標(biāo)準(zhǔn)件，一般不允許修磨，墊片比行星架修磨容易，尺寸鏈1以墊片厚度H1為修磨環(huán)，可表示為

H0=H1+H2+HB1+HB2-H3-H4。

(4)

尺寸鏈2以軸向墊片厚度h2為修磨環(huán)，一般選擇與其他部件不連接的一端，可表示為

h0=h1+h2+h3+h4+H7+hb1+hb2-

H6-H5。

(5)

裝配前先測量非閉環(huán)部分尺寸，再通過尺寸鏈計算修磨環(huán)尺寸精度，通過修磨實現(xiàn)精確裝配。

2.2 裝配序列分析

復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品裝配并不是單個零件逐次累加完成，一般以組件和部件為單位完成裝配[11]。

2.2.1 子裝配體及聚族零件的劃分

復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品裝配時通常將整體裝配分成子裝配體(多個零件以某個零件為基準(zhǔn)裝配的零部件單元)、聚族零件(具有相同結(jié)構(gòu)和裝配特征的零件，空間位置聚集在一起，彼此之間具有相對密切的連接關(guān)系，由裝配工藝要求決定作為一個組進行裝配[12])及單個零件再裝配。

以RV-80E型減速器裝配為例，可以將3根曲柄軸、6 套圓錐滾子軸承、擺線輪、6 個軸用擋圈、6套圓柱滾子保持架組件作為子裝配體 SA1，如圖12所示。同理，左行星架、3個孔用彈性擋圈、左主軸承作為子裝配體 SA2；右行星架、3個孔用彈性擋圈、墊片、右主軸承作為子裝配體 SA3。3個螺釘作為聚族零件J1，若干個針齒作為聚族零件J2。

1—曲柄軸;2—圓錐滾子軸承; 3—擺線輪;4—圓柱滾子保持架組件；5—軸用擋圈。

通過上述劃分，整個裝配體變?yōu)镾A1，SA2，SA3，J1，J2和針齒殼，裝配零件種類減少到6種，提高了裝配效率。

2.2.2 裝配序列分析

子裝配體自身的裝配關(guān)系不會對其他子裝配體和整體裝配造成影響，其裝配序列可以獨立于整機裝配單獨劃分。RV減速器3個子裝配體裝配序列如下：

1)SA1裝配序列為曲柄軸→圓柱滾子保持架組件→擺線輪→軸用擋圈→圓錐滾子軸承；

2)SA2裝配序列為左行星架→孔用彈性擋圈→左主軸承；

3)SA3裝配序列為右行星架→孔用彈性擋圈→墊片→右主軸承。

根據(jù)實際裝配經(jīng)驗，RV減速器裝配序列為SA2→針齒殼→J2→SA1→SA3→J1[10]。

2.3 配合要求

RV減速器主軸承屬于低速、重載、薄壁軸承，幾乎承受了RV減速器全部外載荷，因承受較大的軸向載荷外圈在徑向會發(fā)生膨脹，膨脹量約為0.01～0.02 mm[14]，則該軸承安裝時外圈與針齒殼的間隙量應(yīng)不小于0.01 mm。其他減速器主軸承與針齒殼的間隙量也要根據(jù)實際工況確定。

同時，RV 減速器主軸承安裝時對軸承座與軸的同軸度要求較為嚴(yán)格，特別是對 RV 減速器行星軸,經(jīng)驗表明同軸度應(yīng)不大于 0.01 mm，否則施加預(yù)緊力后RV 減速器會出現(xiàn)自鎖[15]。

滾針軸承接觸面積小，油膜壓力大，彈性變形大，工業(yè)機器人RV減速器擺線輪用圓柱滾子保持架組件是RV減速器的主要承載件之一，通常要求其在0.7 GPa的赫茲接觸壓力下工作。該類軸承的配合過盈量決定了承載滾子數(shù)，進而影響其使用壽命。以RV-80E 型減速器為例，在正常工況下圓柱滾子保持架組件游隙與壽命比的關(guān)系如圖13所示(L為軸承實際壽命，L0為游隙為0時的軸承壽命)，游隙值為-5 μm時，圓柱滾子保持架組件壽命最長?？紤]減速器的運轉(zhuǎn)靈活性、平穩(wěn)性，游隙值取-2～0 μm，即過盈量為0～2 μm。

圖13 圓柱滾子保持架組件游隙與壽命的關(guān)系

其他軸承的配合要求可參照常規(guī)軸承。

3 注意事項

3.1 主軸承最佳預(yù)緊

RV減速器用主軸承受力復(fù)雜，施加合適的預(yù)緊力可保證RV減速器的剛度、壽命及運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。由受力模型和試驗研究可知，隨預(yù)緊力增大，主軸承角剛度不斷增大，壽命先增大后減小。根據(jù)經(jīng)驗主軸承預(yù)緊力一般為其額定載荷的20%～30%。在裝配過程中軸承預(yù)緊力可通過選配墊片尺寸調(diào)節(jié)[14]。

3.2 圓柱滾子保持架組件軸向竄動量的檢測

RV減速器擺線輪用圓柱滾子保持架組件軸向竄動可能會導(dǎo)致RV減速器卡死，軸向竄動的原因為滾子錐度較大或保持架兜孔尺寸精度較低，如方形兜孔趨于菱形。該類軸承安裝前需精確測量其軸向竄動量，測量原理如圖14所示，若滾子圓柱度較大，旋轉(zhuǎn)芯軸時會產(chǎn)生較大的軸向分力，圓柱滾子保持架組件軸向竄動較大。檢測時，芯軸順時針和逆時針各轉(zhuǎn)30圈，偏心配重塊相對圓柱滾子保持架組件的軸向偏移量不超過組件寬度的1/10 ，則軸向竄動量滿足要求；但該方法是否正確，并沒有得到驗證，在此僅供參考。

圖14 圓柱滾子保持架組件軸向竄動量測量原理圖

4 結(jié)束語

介紹了經(jīng)典結(jié)構(gòu)的RV減速器及其專用軸承類型，基于軸承的結(jié)構(gòu)類型、應(yīng)用特性分析了RV減速器的精密裝配技術(shù)。RV減速器裝配尺寸鏈需分成主軸承和圓錐滾子軸承2個尺寸鏈分析，軸承類型不同，其封閉環(huán)的偏差范圍不同。裝配時，主軸承應(yīng)重點關(guān)注外圈與針齒殼的間隙，圓柱滾子保持架組件應(yīng)重點關(guān)注其安裝過盈量。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裝配體逐級分成不同的子裝配體和聚族零件并按合理的序列裝配，可顯著提升裝配效率，保證裝配精度。