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電腦輔助RV擺線齒輪減速機設計與分析

摘要"

由於少子化以及勞權的關係,人力的代價日益昂貴並且人力取得也日漸不足,生產自動化已成為現代工業既定路線,而機械手臂取代人工正是自動化的重要關鍵之一。早期機械手臂被大量使用在汽車業和科技業,近期製造業也紛紛加入這場工業革命。機械手臂的應用很廣泛,舉凡搬運、裝配、噴漆、焊接、取料、放料、更換刀具等,由於精度的精進,甚至可做到更細微的動作,比如銑削和鑽孔等加工。工業機械手臂主要分為三類型,如圖1所示(1)關節型機械手臂、(2)SCARA型機械手臂,和(3)XYZ平移型機器手臂,圖中關節型機械手臂採PUMA結構設計,為目前業界最常使用的構型。

關鍵詞:RV擺線齒輪減速機、角度傳遞誤差、背隙

由於關節型機械手臂佔的空間較小,運動工作空間大,自由度可多達六個,動作非常靈巧,因此工業應用相當廣泛。依負載高低區分為(1)低負荷5至16kg、(2)中負荷30至60kg、(3)高負荷90至300kg,以及(4)重負荷300至1300kg。機器手臂每個關節出力大,需要使用小體積高速比之精密減速機以增加扭矩,及維持機器手臂的高精度運動。一般機器手臂應用速比要求為100左右,行星齒輪減速機必須兩節,體積太大不適用,而擺線齒輪和諧波減速機只要單節即可達到速比100,具有高速比、小型、質輕、高傳遞效率、操作穩定、低噪音與壽命長等優點,因而大量被應用於機械手臂。目前全世界供應精密減速機主要為日本公司,前三大為納博特斯克 (Nabtesco)的RV減速機佔市場60%,諧波減速機(Harmonic drive)佔15%,以及住友重工(Sumitomo)擺線齒輪減速機。小型機器手臂負載20kg以下大多採用諧波減速機設計,大負載者則使用擺線齒輪和RV減速機。
納博特斯克公司在1986年提出美國專利US 4846018 A (Articulation drive apparatus of industrial robot) [1],以兩段減速設計增加減速機的速比、扭力以及扭轉剛性。結構設計前段採行星齒輪傳動,後段則為擺線齒輪傳動,兩者採並聯式構形,由於性能表現優良,讓此產品在大負載機器手臂的應用上獲得極大的成功。由於該公司專利已過期,國內廠商大都以納博特斯克公司產品為標竿進行擺線齒輪減速機設計。有鑑於此,工研院、台大機械李志中教授及台科大機械三方自105年起進行為期三年的學研合作,將共有研究成果彙整並開發一RV擺線齒輪減速機設計軟體,功能包含RV減速機3D設計、輸出角度誤差及背隙評估,以及強度和剛性分析,期望透過軟體協助業界精進擺線齒輪設計並縮短減速機開發的時間。
由於機器手臂必須能做精確角度控制以達成高精度定位的目的,減速機的角度傳遞誤差和背隙不能太大,廠商型錄標明兩者皆小於,經實測結果則小於,比起一般減速機精度高三倍。故在設計階段,設計者必須先釐清各參數和公差對這兩種性能表現的影響,以決定參數和給定適當公差。本文首先說明擺線齒輪齒形的創成原理,利用齒面接觸分析(Tooth contact analysis)來計算減速機輸出角度誤差及背隙,以及說明目前開發設計軟體所提供的功能。本文整理最近本實驗室在擺線齒輪設計方面的研究成果,希望能與業界先進做學術與技術上的交流。

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