伺服壓力機新型減速機構發展趨勢

崔敏超，趙升噸，陳 超，朱 駿，李 雪

（西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049）

0 引言

傳統的機械壓力機工作瞬間主要依靠飛輪提供所需的能量，其整體設計的主要依據是能量，因此對減速機構的要求主要是需要達到一定的傳動比，使壓力機滿足工件成形時的速度和成形力要求[1]。近年來，新型伺服壓力機由伺服電機驅動，為了使壓力機滑塊的運動控制性更好，需要盡量減少折算到伺服電機軸上的等效轉動慣量，從而使伺服驅動系統的加（減）速性能更好。為此，伺服壓力機往往取消慣量大、可儲存和釋放能量的飛輪，而主要依靠電機的瞬時扭矩來提供滑塊的壓制力，其傳動系統的主要要求是力，根據工作行程中的最大總負荷、傳動機構的傳動比和增力比、伺服電機的過載倍數來選擇伺服電機的扭矩和容量[2]。為獲得較大的噸位，無飛輪的伺服壓力機一般需要選用大容量的伺服電機，極大提高了伺服壓力機的成本，同時伺服電機的功率也制約了壓力機噸位的提高，而伺服壓力機中電機的工作轉速往往偏低，發揮不了電機高轉速的優勢[3]。

因此，伺服壓力機對減速機構提出了新的要求，其減速機構應能滿足更大的傳動比和增力比，傳統壓力機上一級皮帶傳動和一級或兩級齒輪傳動所能達到的傳動比已經不能滿足伺服壓力機的需要。越來越多的新型伺服壓力機采用了新型的減速形式來滿足對于傳動比和增力比的要求，從而盡可能發揮電機高轉速的優勢[4]。

1 傳統伺服壓力機減速器的不足

如圖1所示，傳統壓力機一般采用一級皮帶和兩級齒輪減速的形式，包含電機、大帶輪、小帶輪、第一級大齒輪、第一級小齒輪、第二級大齒輪、第二級小齒輪，傳動比約為7～25。這種結構主要存在以下不足：

圖1 傳統伺服壓力機減速形式原理圖

（1）能夠達到的最大傳動比小。傳統的皮帶和齒輪減速形式，由于普通圓柱齒輪所能達到的最大傳動比有限，因此能夠達到的最大傳動比小，不能滿足電機驅動的伺服壓力機對減速機構大傳動比的需求。

（2）噪聲大，振動大。齒輪傳動由于傳動過程中僅有1～2對齒接觸傳動，平穩性差，在一對齒進入嚙合時會產生較大的振動和噪聲，使整個壓力機運行時噪聲和振動都很大[5]。

（3）體積和重量大。齒輪傳動時，當要實現較大傳動比和功率時，大齒輪需要做的很大，以滿足傳動比和齒的彎曲強度的要求，此時在減速器中造成了很大的空間浪費，給潤滑和布置帶來了難度。

（4）精度差。皮帶傳動精度差，當伺服壓力機需要精確控制滑塊下行量時，由于減速機構自身的誤差，使滑塊的速度和位置難以預測，造成整個伺服壓力機精度下降。

2 伺服壓力機新型減速器發展趨勢

隨著伺服壓力機對減速形式的要求，新型減速形式越來越多地在壓力機上采用[6]，其主要發展方向有以下幾種形式。

2.1 行星齒輪減速形式

近幾年來，隨著零件加工精度的提高，行星齒輪機構在很多領域得到了廣泛應用[7]，隨著伺服壓力機的發展，行星齒輪傳動機構也越來越多地在壓力機中采用，行星齒輪的主要優點有：

（1）行星齒輪傳動效率高，與普通齒輪相比，同等體積和重量下，行星齒輪傳動承載能力強，傳遞功率大。行星齒輪傳動機構一般具有3個或多個行星輪，中心輪、行星輪和內齒輪的配合形成分流機構。通常情況下，一個太陽輪的周圍會均勻分布著幾個行星輪，這些行星輪可以共同分擔傳動扭矩，從而使每個行星輪所承受的扭矩較小。由于行星輪是均勻布置，行星輪間可以互相平衡受到的作用力。此外，行星輪與內齒輪的嚙合方式為內嚙合，而內嚙合的承載能力一般比外嚙合的高。在配置合理的情況下，行星齒輪的傳動效率一般在97%～99%。以上特點決定了行星齒輪具有傳動效率高、承載能力強、傳遞功率大的優點[8]。

（2）在相同條件下，行星齒輪傳動的體積一般可以做的比較小，結構更為緊湊。由于幾個行星輪共同分擔載荷，因此齒輪的模數可以取的比較小，這樣齒輪的尺寸就可以相應減小。在滿足行星齒輪傳動條件的前提下，行星輪數越多，其外形尺寸就可以做的越小。此外，行星輪和內齒輪的嚙合方式為內嚙合，可以有效利用內齒輪內的空間，從而使整體結構緊湊、尺寸減小。

（3）多齒嚙合，有效減弱熱模鍛壓力機鍛壓時的沖擊和振動，傳動更為平穩。太陽輪、行星輪和內齒輪在傳動過程中多齒嚙合，有效利用齒輪的承載能力。熱模鍛壓力機在鍛壓過程中產生的沖擊和振動可以由多個齒來承載，因此，行星齒輪傳動抗沖擊和振動的能力非常強。

（4）行星齒輪的傳動方式比較多，可實現較大的傳動比。行星齒輪傳動的方式有NW型、NN型、N型和NGW型等。對于NGW型的行星齒輪，其傳動機構的傳動比可取為3～9。對于N型的行星齒輪，其傳動機構的傳動比可取為7～136。如果只考慮傳遞運動，行星齒輪的傳動比最高可達上千[9]。

目前已有一些伺服壓力機上采用了行星齒輪減速機構[10]，如圖2是一種雙電機的伺服壓力機傳動系統示意圖。

圖2 采用行星齒輪減速器的伺服壓力機傳動系統

2.2 擺線針輪減速形式

擺線針輪減速器是近年來有望在壓力機上采用的一種新型傳動機構[11]，其主要特點有：

（1）極高的減速比和高的傳動效率，擺線針輪減速單級傳動的減速比就能達到1∶87，同時還能保證效率在90%以上；如果采用多級擺線針輪減速，減速比可以做到更大。

（2）擺線針輪減速機構結構緊湊，體積較小，由于擺線針輪傳動中包含行星傳動原理，輸入軸和輸出軸可以做到同一條軸線上，使減速機構的尺寸可以盡可能的小[12]。

（3）擺線針輪減速器運轉平穩，噪聲小。擺線針齒同時嚙合的齒數較多，重合度大，同時可通過設計使得其中零部件獲得平衡，這使得擺線針輪減速機構運轉過程中的振動和噪聲都遠小于普通齒輪傳動。

（4）機構運轉可靠，壽命長。擺線針輪減速機構主要零件高碳鉻鋼材料，經淬火處理（HRC58～62）可獲得高強度，磨損率比較小；同時在傳動過程中，部分傳動接觸為滾動摩擦，比原本的齒輪滑動摩擦接觸磨損率低的多，所以整個機構穩定可靠，經久耐用[13]。

擺線針輪減速器的以上特點，有利于減小壓力機對電機容量的需求，減少壓力機的維修次數，提高壽命，因此近年來有學者研究在伺服壓力機上采用擺線針輪減速機構的傳動形式，其主要結構形式如圖3、4所示。

圖3 擺線針輪伺服壓力機

2.3 少齒差行星齒輪減速形式

少齒差行星齒輪傳動是新型行星傳動的一種，由一個外齒輪和一個內齒輪組成一對內齒牙嚙合的咬緊齒輪副，內外齒輪的齒數相差很小，故稱為少齒差行星齒輪傳動。少齒差行星齒輪傳動幾乎適合一切功率和速率范圍的傳動，因此受到各國學者的廣泛關注，成為機械傳動方面研究的重點[14]。

少齒差行星齒輪傳動的主要特點有[15]：

圖4 擺線針輪減速機構結構示意圖

（1）少齒差行星齒輪傳動對加工設備要求少，加工成本低，用普通的漸開線齒輪刃具或機床就能進行加工，也不需要特殊的材料，普通的齒輪材料就可加工。

（2）減速比范圍大，根據實際需要，少齒差行星齒輪傳動的單級減速比最小為10，最大可到1000以上。

（3）結構形式多，可根據不同場合的需求有不同的布置形式，可應用的范圍很廣，其輸入軸和輸出軸可選在布置在同一軸線上或不在同一軸線上，輸入軸可以是單個也可以是多個。

（4）結構緊湊，占用體積小，相同功率的減速機構重量輕。與傳統減速器相比，相同功率下，少齒差行星齒輪傳動體積和重量均可減少1/3～2/3。

（5）傳動效率高。有研究表明，當少齒差行星齒輪傳動減速比范圍為10～200時，效率為80%～94%，之后傳動效率隨著減速比的增大而減小。

（6）多齒嚙合傳動，重合度大，承載能力大，壽命長。少齒差行星齒輪傳動是內嚙合傳動，兩嚙合的齒一個為凹齒，另一個為凸齒，兩齒的曲率中心在同一方向。由于內齒圈和行星齒輪齒數相差很小，曲率半徑接近相等，因此接觸面積大，這使得齒輪的接觸強度大大提高。

少齒差行星齒輪減速機構傳動平穩，中心的外齒輪可以做的很大，因此在螺旋壓力機中有直接采用少齒差行星齒輪傳動作為減速和傳動部件，將伺服電機的轉動通過減速增矩后轉變成螺桿的轉動，進而帶動滑塊上下移動。圖5為采用少齒差行星齒輪傳動的螺旋壓力機機構示意圖[16]。

圖5 采用少齒差行星齒輪減速機構的螺旋壓力機

2.4 諧波齒輪減速形式

諧波減速器是在航空航天領域發展起來的一種新型機械傳動方式，其主要結構包括剛輪、柔輪和波發生器，波發生器為橢圓截面結構，柔輪為薄壁筒狀的外齒輪，剛輪為剛度很大的內齒圈。當諧波減速器工作時，電機帶動波發生器轉動，從而使柔輪發生可控的彈性變形，由于波發生器為橢圓狀，因此將使柔輪發生長軸不斷轉動的橢圓形彈性變形，這將使得柔輪在剛輪上發生錯齒運動，柔輪軸線發生緩慢的轉動，實現減速。其主要的優點有[17][18]：

（1）元件數量少，相同傳動功率重量輕。諧波齒輪傳動的主要構件只有三個：波發生器、柔輪、剛輪。它與傳統普通減速器相比元件數量減少，同時柔輪的薄壁結構也使得整個減速器重量減輕。

（2）適合大傳動比，可選傳動比范圍廣。單級諧波傳動比可在50～300之間，一般選擇75～200之間；雙級諧波傳動比可在3000～60000之間，非常適合小型輕便機械壓力機，例如用于板料折彎的折彎機[19]。

（3）傳動時多齒嚙合。雙波諧波傳動同時嚙合齒數可達30%，甚至更多。而在普通齒輪傳動中，同時嚙合的齒數只有2%～7%，對于直齒圓柱漸開線齒輪同時嚙合的齒數只有1～2對。正是由于同時嚙合齒數多這一獨特的優點，使諧波傳動的精度高，整體承載能力大，進而實現大速比、小體積[20]。

（4）運動精度高。由于多齒嚙合，一般情況下，諧波齒輪與相同精度的普通齒輪相比，其運動精度能提高四倍左右。

（5）傳動平穩，噪聲很小。齒的嚙入、嚙出是隨著柔輪的變形，通過錯齒運動，逐漸進入和逐漸退出剛輪齒間的，不同于普通齒輪的接觸，嚙合過程中齒面接觸，滑移速度小，且無突然變化。

（6）傳動效率高。與相同速比的其他傳動相比，諧波傳動由于運動部件數量少，而且嚙合齒面的速度很低，因此效率很高，隨傳動比的不同，效率有很大變化，傳動效率最高可達96%，這是因為錯齒運動可使齒面的磨損很小。

（7）可很好地實現差速運動。研究表明在諧波齒輪傳動的三個主要部件中，可以任意兩個主動，第三個從動（與行星齒輪類似），實現相應的運動轉變。那么如果讓波發生器和剛輪主動轉動，柔輪從動，就可以構成一個差動傳動機構，從而方便地實現快慢速工作狀況。這一點可以使小型壓力機具備多個進給速度，從而實現對不同材料的加工。

諧波減速器適合于精度較高的小型伺服壓力機中，能夠精確實現各種成形過程的控制，如圖6、7是采用諧波傳動的伺服折彎機動力系統結構示意圖[21]，該伺服折彎機能夠實現對板料彎曲過程的精確控制。

圖6 采用諧波減速機構的伺服折彎機

圖7 諧波減速機構結構示意圖

3 結論

（1）行星齒輪減速機構。目前已經有一些電動伺服壓力機上采用行星齒輪傳動代替傳統的皮帶和齒輪傳動，隨著生產力的提高，今后對伺服壓力機的需求會越來越廣，采用行星齒輪減速機構的伺服壓力機結構緊湊，重量輕，承載能力強，將會成為很有競爭力的一種減速形式。

（2）擺線針輪減速機構。擺線針輪減速機構是一種高效率、低磨損率、低噪聲的新型減速機構，當壓力機應用在一些不便于維修、要求壓力機壽命長、維修次數少的場合時，此時采用擺線針輪減速機構的伺服壓力機將會因其突出的穩定、可靠性能受到重視。

（3）少齒差行星齒輪減速機構。少齒差行星齒輪傳動是機械傳動領域研究的重點，它幾乎適用于一切功率和速率范圍。隨著伺服螺旋壓力機的發展，少齒差行星齒輪傳動也在壓力機上得到了應用。由于少齒差行星齒輪傳動的中心輪可以做的很大，因此可以替代螺旋壓力機的飛輪，同時兼顧減速傳動和飛輪的作用，具有獨到的優勢。

（4）諧波齒輪減速機構。諧波齒輪減速機構最早是在航空航天領域提出來的，隨著伺服壓力機發展的高端化和精密化，它也在壓力機領域受到了關注。在一些需要精密控制的場合（如板料折彎機控制板料回彈），采用諧波齒輪減速的伺服折彎機具有巨大的優勢，它可以精確控制板料的折彎成形，實現對板料的高精度折彎。

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