NIKI机器人减速器润滑专案分析与应用

◼ RV 减速器与谐波减速器现状与未来 

  当我们在无限憧憬机器人时代的时候，我们却很少知道在机器人的所有零部件 中，有两样东西一直是我们国人无法跨越过去的障碍，那就是伺服电机和精密减速 器。随着自动化和电子电气理论的日趋成熟，国人在伺服电机方面已经迈出了坚实 的一步，虽然在目前国内的伺服电机 75%仍然依靠进口，但对于中小功率的伺服电 机，中国不少企业，如深圳的英威腾、汇川科技，大连的安迪的产品已经可以在性 能上基本满足中国企业的需求。可是对于精密减速器，特别是机器人关节上需要使 用的 RV 减速器和谐波减速器，目前国内的研究仍然停留在论文和数据库当中，翻遍 所有关于生产这两种减速器的国产厂家，我们仍然难以找出哪怕一家产品可以在性 能上满足国内机器人产业的需求。 

   直到今天，中国仍然不具备设计和制造这两种减速器的能力。“十二五”时期， 国家“863”计划将其列入重点攻克的技术瓶颈。

◼ 为什么机器人要用 RV 减速器和谐波减速器？ 

   我们常用的减速大致有下 面几类：摆线减速器、硬齿面圆柱齿轮减速器、行星齿轮减速器、软齿面减速器、三环减速器、起重机减速器、蜗杆减速器、 轴装式硬齿面减速器、无级变速器。而RV减速器和谐波减速器与上述几种减速的区别在于，RV减速器是行星减速器和摆线减速 器的组成的一个二级减速器，谐波减速器则是一种靠波发生器使柔性齿轮产 生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。这两种减速器相对于其它减速器而言， 具有以下的优势：(1)传动速比大，(2)承载能力高，(3)传动精度高，(4)传动效率 高、运动平稳，(5)结构简单、零件数少、安装方便，(6)体积小、重量轻，。传统的 齿轮减速器体积大，重量重，减速比小，传统效率低下，特别是在无法消除多级减 速后的累积误差，对于机器人在控制末端精度要求甚高的工况下，目前只有 RV 和谐 波减速器可以胜任。 

◼ RV 减速器和谐波减速器的发展史 

-----RV 减速器来历     

   德国人劳伦兹·勃朗于 1926 年创造性地提出了一种 少齿差行星传动机构，它是用外摆线作为齿廓曲线的，这就 是最早期的针摆行星传动，由于两个啮合齿轮其中之一采 用了针轮的形式，这种传动也被称做摆线针轮行星齿轮传 动。  

   RV传动一种全新的传动方式，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且因为具有体积小、重量轻、传动比范围大、 寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点。     

1、1926 年德国人劳伦兹·勃朗于创造性地提出 RV 减速机原理   

2、1931 年劳伦兹·勃朗在德国慕尼黑创建了“赛古乐”股份有限公司，最先 开始了摆线减速器的制造和销售   

3、1939 年，日本住友公司和“赛古乐”公司签定了技术合作协议，并生产销 售；   

4、1944 年，日本帝人精机成立，这个未来的 RV 减速机霸主，在飞机制造、纺 织机械、机床等多个行业硕果累累； 5、1950 年-1960 年，摆线磨床的出现，解决了摆线齿形的精度不高的难题，使 摆线传动得到了进一步的发展。   6、1956 年，日本纳博克公司发售全球第一个自动门，在市场上展露头角。   

7、1980 年左右，日本帝人精机提出 RV 传动理论，着手应用于机器人行业。   

8、1986 年，日本帝人精机 RV 减速机正式大规模生产，取得成功；   

9、2003 年，帝人精机和纳博克合并组成 Nabtesco(纳博特斯克)公司，并取得快速发展，现在已成为 RV 减速机行业的领头羊，占据了 60%以上的市场，特别在中 /重负荷机器人上，其 RV 减速机市场占有率高达 90%。 

-----谐波减速器来历 

   20 世纪 50 年代中期，随着全球科学技术的发展，美国人马瑟在薄壳弹性变形 理论基础上，应用金属的挠性和弹性力学原理发明出来一种新型谐波传动技术。谐 波传动技术主要应用于航空航天、工业机器人、精密设备仪器、雷达通讯设备、印 刷机械、纺织机械、半导体工业晶圆传送装置、印刷包装机械、医疗器械、金属成 型机械、仪器仪表、光学制造仪器、核设施及空气动力实验研究等领域。     

   谐波传动这项新型技术的出现便引起了各国的重视。1970年引入日本，随之诞生了日本第一家整体运动控制的领军企业-日本 HarmonicDriveSystemsInc.(简称 HDSI)。日本 HDSI 公司生产的 HarmonicDrive 谐波减速器，具有轻量、小型、传动 效率高、减速范围广、精度高等特点，被广泛应用于各种传动系统中。HDSI 主要生产和销售各种精密减速装置，当之无愧为整体运动控制的领军企业。为了涵盖谐波减速器不能覆盖到的低减速比领域，HDSI产品还开发了精密行星齿轮减速机 HarmonicPlanetary。独特的内齿圈形变工艺，可使行星齿轮啮合得更紧、消除背隙，从而将传动误差控制在精密范围内。HDSI 最初只是在其国内发展，与之有着长久合作关系的有安川电机、三菱电机及发那科等企业。    近年来，中国工业机器人产业进 入新的历史机遇期，以 ABB、KUKA、安川、发那科为代表的国际机器人企业纷纷大举进入中国，设立工厂，抢占市场份额。在中国，如手机制造、半 导体、液晶生产机械等行业，对小型机器人的需求也是越来越旺盛，然而对于国内的工业机器人而言，特别是谐波减速器、伺服电机、控制系统等还需大量依赖进口，这就导致了其竞 争力还与国外企业有差距，但是这些 又是工业机器人的上游部件、关键部件。据国际机器人联盟(IFR)统计， 2012 年中国共进口工业机器人约 2.2 万台，中国将是全球增长最快的工业机器人市场。HDSI的谐波减速器是小型工业机器人(20kg 以下)或者关节臂 上不可取代的部件，这为其拓展中国大陆市场带来了新的契机。

◼ RV 减速器与谐波减速器的性能对比 

----RV 减速器的性能 

⚫ 主要优点     

(l)传动比范围大；     

(2)扭转刚度大，输出机构即为两端支承的行星架，用行星架左端的刚性大圆盘 输出，大圆盘与工作机构用螺栓联结，其扭转刚度远大于一般摆线针轮行星减速器 的输出机构。在额定转矩下，弹性回差小；     

(3)只要设计合理，制造装配精度保证，就可获得高精度和小间隙回差；     

(4)传动效率高；     

(5)传递同样转矩与功率时的体积小(或者说单位体积的承载能力大)，RV 减速 器由于第一级用了三个行星轮，特别是第二级，摆线针轮为硬齿面多齿啮合，这本 身就决定了它可以用小的体积传递大的转矩，又加上在结构设计中，让传动机构置 于行星架的支承主轴承内，使轴向尺寸大大缩小，所有上述因素使传动总体积大为 减小。 

⚫ 主要缺点 

    RV 减速器的技术难点在于该部件需要保证传递很大的扭矩，承受很大的过载冲 击，并保证预期的工作寿命，因而在设计上使用了过定位结构，这使得零件加工精度要求极高，加工十分困难。 

⚫ 技术升级 

   由于部件加工精度要求极高，密封的结构及组件间隙小，在运行摩擦下减速箱 体堆积了磨损金属颗粒，金属颗粒对于灵敏度极高的机器人来说是硬伤，它会 出现编程误判及会因扭矩过大导致机器人故障。 

----谐波减速器的性能 

⚫ 主要优点         

(1)传动速比大。单级谐波齿轮传动速比范围为 70~320，在某些装置中可达到 1000，多级传动速比可达 30000 以上。它不仅可用于减速，也可用于增速的场合。     

(2)承载能力高。这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，双波传动同时啮 合的齿数可达总齿数的 30％以上，而且柔轮采用了高强度材料，齿与齿之间是面接 触。         

(3)传动精度高。这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，误差平均化，即 多齿啮合对误差有相互补偿作用，故传动精度高。在齿轮精度等级相同的情况下， 传动误差只有普通圆柱齿轮传动的 1/4 左右。同时可采用微量改变波发生器的半径 来增加柔轮的变形使齿隙很小，甚至能做到无侧隙啮合，故谐波齿轮减速机传动 空 程小，适用于反向转动。         

(4)传动效率高、运动平稳。由于柔轮轮齿在传动过程中作均匀的径向移动，因 此，即使输入速度很高，轮齿的相对滑移速度仍是极低(故为普通渐开线齿轮传动的 百分之—)，所以，轮齿磨损小，效率高(可达 69%~96％)。又由于啮入和啮出时， 齿轮的两侧都参加工作，因而无冲击现象，运动平稳。     

(5)结构简单、零件数少、安装方便。仅有三个基本构件，且输入与输出轴同轴 线，所以结构简单，安装方便。       (6)体积小、重量轻。与一般减速机比较，输出力矩相同时，谐波齿轮减速机的 体积可减小2／3，重量可减轻 1／2.   (7)可向密闭空间传递运动。利用柔轮的柔性特点，轮传动的这一可贵优点是现 有其他传动无法比拟的。 

⚫ 主要缺点         

(1)柔轮周期性地发生变形，因而产生交变应力，使之易于产生疲劳破坏。         

(2)转动惯量和起动力矩大，不宜用于小功率的跟踪传动。         

(3)不能用于传动速比小于 35 的场合。         

(4)采用滚子波发生器(自由变形波)的谐波传动，其瞬时传动比不是常数。          

(5)散热条件差。  

⚫  技术升级 

    由于部件加工精度要求极高，密封的结构及组件间隙小，在运行摩擦下减速箱 体堆积了磨损金属颗粒，金属颗粒对于灵敏度极高的机器人来说是硬伤，它会出现 编程误判及会因扭矩过大导致机器人故障。 

◼ 润滑剂分析 

----摩擦与摩擦的原理 

⚫  什么是摩擦？ 

   相互接触的物体沿着它们的接触面做相对运动时，会产生阻碍物体相对运动的阻力， 这种现象称为摩擦。这种阻力叫摩擦力。 

⚫  摩擦的种类 

   摩擦的种类很多，因为研究的依据不同，摩擦的分类也不同。按摩擦副的运动状态 分为静摩擦和动摩擦；按摩擦副运动形式分类分为滑动摩擦、滚动摩擦和自旋摩擦； 按摩擦发生的部位分类分为内摩擦和外摩擦；按摩擦副表面润滑状况分类分为静摩 擦、干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦。 

(1)静摩擦是指摩擦表面没有任何吸附膜或化合物存在时的摩擦。静金属的摩擦 会产生表面粘着。 

(2)干摩擦是指在大气条件下，摩擦表面没有任何润滑剂存在的摩擦。严格说干 摩擦是在接触表面上无任何其他介质，如自然污染膜、润滑膜以及湿气等。干摩擦 是消耗动力最多，磨损最严重的一种摩擦。 

(3)边界摩擦是指摩擦表面有一层极薄得润滑膜存在时的摩擦。这层膜称为边界 油膜。 

(4)流体摩擦是指摩擦表面完全被润滑油膜隔开时的摩擦。这种摩擦发生在界面 的润滑剂膜内，摩擦阻力最小，磨损最小。 

(5)混合摩擦——是指属于过渡状态的摩擦，包括半干摩擦和半流体摩擦。半干 摩擦是指同时存在着干摩擦和边界摩擦的混合摩擦。半流体摩擦是指同时存在着流 体摩擦和边界摩擦（或干摩擦）的混合摩擦。 

----磨损和磨损的原理 

⚫  什么是磨损？ 

   是指两个相互接触的物体发生相对运动时，物体表面的物质不断地转移和损失。磨 损的结果使相对运动的物体表面不断有微料抖落，表面性质、几何尺寸均发生改变。

 ⚫  磨损的三个阶段

   磨损阶段、稳定磨损阶段和急剧磨损阶段 

⚫  磨损的种类 

    按磨损的破坏机理，通常把磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和 微动磨损五种。 

(1)粘着磨损 由于摩擦表面存在着一定的粗糙度，在压力的作用下，当摩擦表面做相对运动时， 在真空接触点上产生瞬时高温，使其表面软化，熔化，甚至相互粘着，接触表面的 材料从一个表面转移到另一个表面，这种现象就叫做粘着磨损。粘着磨损严重时， 摩擦副之间咬死，不能再发生相对运动。 

(2)磨料磨损 外来的硬料介质进入摩擦副，或摩擦副一个表面比另一个表面硬，在较硬表面上存 在的微凸体，在摩擦过程中对较软表面犁沟或拉槽，引起表面材料的脱落，这种现 象叫做磨料磨损。磨料磨损是一种最常见的磨损。 

(3)腐蚀磨损 在摩擦过程中，金属与周围介质发生化学或电化学反应，产生物质损失，这种现象叫做腐蚀磨损。 

(4)疲劳磨损 两接触面做滚动或滚动滑动复合摩擦时，由于接触时应力的作用，产生重复变形，使材料表面疲劳而产生物质损失，这种现象叫做疲劳磨损。 (5)微动磨损 由振幅在 10-7 ~10-3mm 范围的振动滑动而引起的磨损叫做微动磨损。 

◼ 润滑剂应用 

   RV 减速器及谐波减速器齿轮之 间的摩擦属于滚动摩擦加滑动摩 擦。在齿轮节圆部位滑动摩擦最小， 在小齿轮齿根部位滑动摩擦最大。 了解减速器的结构、摩擦的原理及 分析减速器应用的环境和条件下， 研发者根据要求选取润滑材料。 

⚫  稠化剂 

   稠化剂会选用复合锂皂，复合锂皂的优点在高温抗剪切性比锂皂 要好，例如：在高温 60~80℃环境 下，应用在减速器上锂皂润滑剂稠度会变得更软，RV减速器结构设计精密需要软些润滑剂，如在运行过 程中润滑剂稠度变软，会导致RV减速器渗油,影响效率。 

   研发者会根据实验室的SEM/EOS电镜来判断那种稠化剂(皂)的结构是否最合适应用在RV减速器。 

⚫  添加剂 

   由于减速器是金属齿轮，经过淬火、渗碳及表面处理等加工而成， 增加金属硬度及表面密度无疑是改善了品质，但是，如两个或多个硬质部品同时在间隙很小而重负载摩擦时，其磨损很大，为了减少磨损研发者研制出一种有机钼，它与二硫化钼不一样， 二硫化钼是天然优质固体润滑剂，摩擦系数非常低，仅为 0.05，数值小于大部分其它润滑剂。有机钼是一种可溶于基础油的液体，在减速器运转的高温 60℃以上极压下，会分解出二硫化钼并在齿轮表面形成二硫化钼耐摩擦膜，达到抗磨减摩的润滑效果，当使用温度回到常温时分解二硫化钼分子回到有机钼母体上，是解决固体二 硫化钼的悬浮及平均铺平在减速器齿轮表面上的难题。 

    所以，研发者会通过实验室的众多实验设备来探索大自然的能量，将物质发挥作用，让社会更文明，让地球更环保！ 

⚫  基础油 

    稠化剂及添加剂都有了选型方案，基础油是无 疑很关键，因考虑到减速器应用在不同环境下及使 用成本，研发者会选用两款基础油，一种是在普通 矿物油基础上把液态烃的混合物，主要为饱和的环 烷烃与链烷烃混合物,矿物油经减压分馏、把溶剂 抽提和脱蜡，加氢精制而成的环烷烃矿物油。二种 是从原油中的瓦斯气或天然气所分散出来的乙烯、丙烯，再经聚合、催化等繁复的 化学反应（费托合成技术，即 GTL 技术）才炼制成大分子组成的合成基础油。其工 艺复杂，炼制成本高昂，拥有矿物油不可比拟的优势。研发者会在合成油与环烷烃 矿物油二次合成技术上混合，一来提高单环烷烃矿物油品质，二来降低使用者应用 成本。

⚫  润滑剂性能 

  经过上述解说，相信您会有个初步的构想，同时您也会想怎样配搭才能使减速器完 美运行，下面是研发者已应用于减速器测试数据。 

⚫  同行业数据对比 

注意：在基础油运动粘度那么小的情况下，它的性能非常优越。