Анализ высокоточных решений волновых редукторов от Han’s Motion

Безотказная эксплуатация волновых редукторов, например, серии HMHG-II производства компании Han’s Motion (рис. 1), на протяжении длительного срока доказала их надежность и эффективность в самых различных отраслях промышленности. К перспективным направлениям для внедрения волновых редукторов в России можно отнести новые высокоэффективные силовые передаточные механизмы приводов, редукторов и мультипликаторов для теплоэнергетической, нефтегазодобывающей, горной, строительной, пищевой, химической, медицинской и нефтеперерабатывающей промышленности, ветроэнергетическое и другое оборудование, имеющее повышенные требования к надежности, точности и долговечности.

Рис. 1. Волновой редуктор HMHG-II

Востребованность волновых редукторов

На современном этапе развития техники многие страны оказывают существенную финансовую и научную поддержку разработке интеллектуального и прецизионного оборудования [1, 2], используемого в робототехнике, аэрокосмической отрасли, станко- и автомобилестроении, в производстве медицинского оборудования и других отраслях промышленности. Быстрое развитие приборостроения и систем управления характеризуется повышением требований к точностным характеристикам выходных параметров передаточных механизмов, уменьшением массогабаритных показателей, увеличением долговечности и надежности работы [3].

Основное назначение передаточного механизма — повышение скорости или крутящего момента источника механической энергии. Для реализации требуемых выходных характеристик рабочего органа и исходя из условий размещения в качестве передаточного механизма зачастую целесообразно применять современные высокоточные редукторы (ВТР), чей принцип действия основан на волновой передаче [4]. Одним из самых распространенных типов высокоточных редукторов являются волновые редукторы, более 65 лет назад впервые массово выведенные на рынок компанией Harmonic Drive.

Волновые редукторы находят применение в отраслях, где существуют требования к повышенной точности в сравнении с другими конкурирующими технологиями, например планетарно-цевочными, планетарными. Так, по сравнению с циклоидальными (планетарно-цевочными) редукторами главным преимуществом здесь будет срок работы от 10 000 ч у волнового редуктора против 6000 ч у циклоидального. Кроме того, волновой редуктор имеет меньший люфт и более высокую точность позиционирования, но циклоидальный редуктор может иметь несколько ступеней, в то время как волновой только одну.

Конструкция и принцип работы волновых редукторов

Классическая конструкция волновой зубчатой передачи включает три основных элемента (рис. 2): генератор волны, гибкое кольцо (колесо) и жесткое кольцо (колесо). Конструктивно генератор волны является тонкостенным шарикоподшипником, который напрессован на эллиптическую втулку. Гибкое кольцо представляет собой тонкостенное зубчатое колесо с внешним зацеплением. Во время сборки генератор волны устанавливается внутрь колеса, при этом оно деформируется, принимая его форму. Жесткое колесо — это зубчатое кольцо с внутренним зацеплением. Количество зубьев жесткого колеса преимущественно на два меньше, чем у гибкого колеса (реже изготавливают кольца с разницей в четыре зуба). При сборке волнового редуктора гибкое колесо, установленное на генератор волны, помещается внутрь жесткого колеса. Зацепление жесткого колеса с гибким осуществляется в двух зонах, расположенных на большой полуоси генератора волны.

Рис. 2. Установочный комплект HMCG-I

По мере поворота генератора волны зоны зацепления зубьев смещаются по окружности жесткого колеса. Из-за различия в числе зубьев на гибком и жестком колесе при повороте генератора волны на 360° гибкое колесо смещается относительно жесткого, при этом величина смещения соответствует разнице в числе зубьев обоих колес. Работа волнового редуктора продемонстрирована на рис. 3.

Рис. 3. Принцип работы волнового редуктора

Если жесткое колесо неподвижно, то при быстром вращении генератора волны гибкое колесо вращается медленно. Устройство в этом случае является понижающим редуктором: генератор волны служит входом, гибкое колесо — выходом, а жесткое колесо — корпусом. При изменении элементов волнового редуктора, используемых в качестве входного и выходного элемента, устройство может работать как повышающий редуктор, либо можно поменять направление вращения выхода относительно входа. Третий элемент волнового редуктора не обязательно должен оставаться неподвижным. Если он также приводится во вращение, устройство работает в качестве дифференциального редуктора.

Особенности конструкции волнового редуктора обеспечивают практически полное отсутствие люфта, что позволяет им находить применение в различных областях техники, требующих точной передачи вращения. Различные требования к конструкции, которые определяются спецификой работы механизма, обусловливают широкий ассортимент редукторов в каталоге Han’s Motion.

Компания Han’s Motion специализируется на исследованиях, разработке, производстве и продаже высокоточных редукторов и устройств, роботизированных систем и электромеханического оборудования. Она активно развивается как на внутреннем, так и на внешнем рынке.

По конструкции волновые редукторы Han’s Motion, предлагаемые заказчикам, можно разделить на две группы. Первая группа включает в себя установочные комплекты волновых редукторов, которые содержат три основные детали редуктора, подогнанные друг к другу для дальнейшей сборки, но не являющиеся единым изделием. Эта группа не предусматривает наличие подшипников, что позволяет при встраивании редуктора в конечное изделие подобрать и установить самые оптимальные варианты для конкретных условий эксплуатации. Такая возможность дает преимущество в том случае, когда стандартные подшипники готовых редукторов не подходят по каким-то параметрам (например, габариты, грузоподъемность и т. д.). Вал (полый либо сплошной) как элемент конструкции в такой комплектации отсутствует. Данная конструкция обеспечивает некую гибкость при проектировании и позволяет оптимально состыковать волновой редуктор с остальными элементами системы. Также использование установочного комплекта позволяет улучшить массогабаритные характеристики, поскольку интеграция редуктора происходит на компонентном уровне и предоставляет возможность использовать собственное корпусирование как часть корпуса редуктора. Установочные комплекты тоже можно разделить по форме гибкого колеса на три вида: чашеобразное гибкое колесо (cup type), шляпообразное (hat type), чашеобразное с малой осевой длиной. В последнем случае ступень редуктора будет иметь осевую длину 11 мм (в 14 габаритном размере).

Рис. 4. Редуктор серии HMHG-I

Ко второй группе относятся готовые к монтажу (корпусированные) волновые редукторы. Данная группа редукторов представляет собой полностью собранные изделия с подшипниками, фланцами, валами и другими элементами корпуса. Главное преимущество использования готового редуктора — простота сборки, поскольку здесь не требуется корпусирование, как в случае с установочным комплектом, и обеспечение герметичности внутренних элементов. Данные изделия имеют различные исполнения: с полым валом (пример редуктора с полым валом на рис. 4) или без него (сплошным), также предусмотрены «плоские» исполнения. Гибкость проектирования уменьшается, но за счет большого количества вариантов и возможных доработок остается на высоте. В качестве отличительных особенностей данных редукторов производители Han`s motion указывают:

• высокоточность передачи, повторяемость составляет 1 угловую минуту, а люфт не превышает 10 угловых секунд;
• стандартизированные соединения с нагрузкой;
• высокий крутящий момент, в 2 раза превышающий обычный эвольвентный гармонический привод;
• изготовление с использованием высококачественного материала и специальной технологии для увеличения срока службы;
• низкий уровень шума, плавность, безопасность и надежность.

Серии волновых редукторов Han’s motion

В настоящее время компания Han`s motion разработала и выпустила 10 серий волновых редукторов, различающихся по типоразмеру и редукционным параметрам.

Представленные в каталоге серии редукторов [5] HMCG-I, HMCG-II, HMCG-II-E, HMCD- I, HMHG-I, HMHG-II, HMHG-II-E, HMHG-III, HMHG-IV, HMHG-V имеют от пяти до шести типоразмеров: 14, 17, 20, 25, 32 и 40. Каждый типоразмер в свою очередь выполнен с различными редукционными параметрами в диапазоне 50–160. Например, в таблице 1 приведены основные параметры стандартных волновых редукторов серии HMCG-I.

Наименование каждого отдельного редуктора представляется как HMXX-YY-ZZZ-CODE-SP и содержит серию, номер модели, передаточное число и код конструктивных исполнений:

• HM — сокращение наименования компании Han`s motion;
• XX — первая буква отражает форму гибкого колеса С или H, а вторая длину: S (стандартная), D (укороченная) и G (серия с высоким моментом);
• YY — размерность модельного ряда 14–40, отражающая диаметр гибкого колеса в дюймах;
• ZZZ — редукционное число;
• CODE — I, II, II-E, III, IV, V. Обозначает код исполнения; например, для отдельных моделей может обозначать конструкции с полым валом и тип исполнения, в частности установочный комплект.

В результате анализа готовых решений на основе волновых редукторов [6, 7] было выявлено, что наибольшей популярностью пользуются редукторы с полым валом. До недавнего времени в РФ были востребованы редукторы Nidec Simpo, Harmonic Drive, Hiwin. Так как одним из лидеров на европейском рынке по производству редукторов является компания Harmonic Drive, то для сравнения обратимся именно к ее каталогу. Редуктор для применения в робототехнической отрасли SHG-40-120-2UH можно заменить редуктором HMHG-40-120-I, параметры данных редукторов приведены в таблице 2.

Согласно данной таблице, редуктор HMHG-40-120-I имеет такие же габаритные параметры и нагрузочные характеристики, как и редуктор SHG-40-120-2UH. Компания Han`s motion может изготавливать редукторы согласно требованиям заказчика, что значительно упрощает поиск аналогов и расширяет области применения редукторов Han`s motion.

Заключение

Волновые передачи успешно применяются в качестве передаточных механизмов во многих отраслях российской промышленности. В связи с затруднением поставок редукторов самого популярного немецкого производителя ему на смену ИНЕЛСО предлагает приводные решения китайской компании Han`s motion, продукция которой доступна к приобретению на территории России. Компания специализируется на производстве и продаже прецизионных редукторов роботизированных систем (пример ультракомпактного исполнения редуктора представлен на рис. 5) и электромеханического оборудования, однако в соответствии с требованиями заказчика могут изготавливаться волновые редукторы и для других отраслей. Можно сделать вывод, что стандартные популярные редукторы известных европейских производителей могут быть заменены редукторами Han`s motion. Технические характеристики этих устройств ничуть не уступают их аналогам, а, учитывая темпы развития технологий и производства, в ближайшем будущем вполне могут их превзойти.

Рис. 5. Ультракомпактный редуктор серии HMCD-III