刘卓华1 陈正东1 李谦2 李建伟2
（1苏州工业园区东茂工业设备有限公司，江苏苏州，215021；2苏州绿的谐波传动科技有限公司，江苏苏州，215101）
摘 要：本文介绍了一种典型的SCARA机器人的机械结构。从设计、加工、装配等方面，展示了谐波减速机的安装与使用，使客户对谐波减速机的应用有一个全面的认识。
关键词：机器人，SCARA，谐波减速机
SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，选择顺应性装配机器手臂），是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人。SCARA机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，可在平面内进行定位和定向。还有一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。这类机器人的结构轻便、响应快，比一般关节式机器人快数倍。它最适用于平面定位和垂直方向进行装配的作业。[1]SCARA系统在x、y方向上具有顺从性，在Z轴方向具有良好的刚度，因此特别适合装配工作。SCARA的另一个特点是其串接的两杆结构类似人的手臂，可以伸进有限空间中作业然后收回，适合搬动和取放物件，如集成电路板、药品、食品等。[2]
谐波减速机作为一种精密类减速机，因其小体积、大速比、大扭矩被广泛应用于SCARA机器人。苏州绿的谐波传动科技有限公司是一家从事精密谐波传动装置的研发、设计和生产的专业化公司，在谐波传动领域已拥有12项国家发明专利和19项实用新型专利，是即将实施的国家标准《机器人用谐波齿轮减速器》的主要编制起草方。[3]苏州工业园区东茂工业设备有限公司作为苏州绿的谐波传动科技有限公司的战略合作伙伴，担负着国内客户的销售服务工作。在市场销售的过程中，两家公司发现很多客户对谐波减速机的应用还不太熟悉。本文就一种典型的SCARA机器人的机械结构在设计、制造、装配过程中所采取的措施进行探讨，展示谐波减速机的安装与使用。
1.1 谐波减速机的传动原理
谐波传动（Harmonic Drive）由美国发明家 C.Walt Musser 马瑟于上世纪50年代中期发明创造，具有其他传动所不具备的特点。谐波传动应用金属弹性力学的独创动作原理和3个基本部件（波发生器、柔轮、刚轮）构成精密控制用减速机。
图1 减速机结构
谐波传动做为减速器使用，通常采用波发生器主动，刚轮固定、柔轮输出的形式。
当波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，其长轴处柔轮轮齿插入刚轮的齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态。从啮合到脱开的过程则处于啮出或者啮入状态。
当波发生器连续转动时，迫使柔轮不断发生变形，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。
图2 谐波传动原理结构
1.2 谐波减速机特点
1）精度高。
多齿在两个180°对称位置同时啮合，因此齿轮齿距误差和累计齿距误差对旋转精度的影响较为平均，可得到极高的位置精度和旋转精度。
2）传动比大。
单级谐波齿轮传动的传动比可达30-500，且结构简单，三个在同轴上的基本零部件就可实现高减速比。
3）承载能力强。
在谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。
4）体积小、重量轻。
相比普通的齿轮装置，该齿轮结构体积和重量可以大幅降低，实现小型化、轻量化。
5）传动效率高、寿命长。
6）传动平稳、无冲击、噪声小。
1.3 绿的谐波减速机
绿的谐波跳出了传统以Willis定理为基础的渐开线齿轮设计，应用全新的齿形设计理论，设计出非共轭的谐波啮合齿形，可以在大幅提高谐波减速机使用寿命的前提下，提高其输出效率和扭矩承受能力。
与国外同类产品齿形比较，全新的谐波啮合齿形“P型齿”克服了以往谐波啮合齿形的缺点，通过一系列创新性的改进措施，能极大提高柔轮的使用寿命。
“P型齿”优点包括：
1）齿高较低，不需要很深的啮合距离就可以获得较大的啮合量，可承受较大的扭矩；
2）齿宽较大，齿根弧度亦大，可减少发生断裂失效的风险；
3）所需柔轮变形量较小，可使柔轮的寿命得到很大提高；
4）20%-30%的齿参与啮合，齿面比压较小。
在性能参数上，绿的谐波减速机的优势包括：
1）承载扭矩大幅提升，是国内同类产品的2倍以上，极限载荷优于国外知名品牌；
2）体积小，重量轻，体积是国内同类产品的1/2以下；
3）高效率、低背隙、可实现零误差精确传动；
4）超长工作寿命，极限载荷寿命是国外知名品牌的4倍以上；
5）可以获得超稳定的低频输出特性，对于有精密点位控制要求和稳定性的焊接机器人具有重要意义。[3]
一种典型的SCARA机器人机械结构如图3所示。
图3 机械结构图
2.1 细节设计
1)波发生器轴向定位严密。
图4 波发生器轴向定位
如图4所示，波发生器必须要完全定位：以电机轴头为轴向定位基准。以波发生器端面距离柔轮端面为定位尺寸（见图5）。
图5 波发生定位尺寸示意
2）谐波减速机应注意避免干涉，如图6所示
图6 避免干涉距离示意
① 避免柔轮在发生弹性变形时与相配零件干涉。
② 注意安装螺钉长度，防止因螺钉过长干涉柔轮。
3）谐波减速机本体上的螺钉不能拆卸。
4）注意谐波减速机润滑与密封。
图7 谐波减速机润滑与密封
图7 所示的谐波减速机是一款开式减速机，减速机内部需要考虑形成一个“密封的腔体”，防止漏油。故此，需要在相应的配合零件位置使用O型密封圈或者涂抹平面密封剂。电机必须有轴封密封，防止润滑油泄露进电机内部。
5）注意谐波减速机相配零件的形位公差。
① 与减速机连接固定的安装平面形位公差为：平面度0.01mm、垂直度0.01mm，螺纹孔或者通孔位置度0.1mm。
② 尽量减少需相配合零件的数量，防止尺寸链过长产生的累计误差。
6）确认减速机齿面及柔性轴承部分始终保持充分润滑。不建议齿面始终朝上使用，会影响润滑效果。如果出现齿面始终朝上的情况，腔体内的油位必须超过啮合齿面，保证齿部和柔性轴承的有效润滑。
7）过渡法兰止口公差配合。
减速机共有3处公差配合，如图8中①②③所示。为了防止“过定位”，需要将过渡法兰止口公差放大。
图8 过渡法兰止口公差
2.2 加工工艺要求
谐波减速机对回转轴线的倾斜非常敏感，故加工时必须考虑合适的工艺方案，尤其要保证相应的形位公差。
2.3 装配工艺要求
2.3.1 装配环境要求
谐波减速机必须在足够清洁的环境下安装，安装过程中不能有任何异物进入减速机内部，以免使用过程中造成减速机的损坏。
表1 螺钉对应锁紧力
螺钉性能等级12.9级螺纹公称直径/mm锁紧力/ N.m 3 2 4 4 5 9 6 15 8 35 10 70 12 125
2.3.2 装配工具
包括相应规格的扭矩扳手、定量加油器具、无尘纸、螺纹胶等。
2.3.3 装配要点
在柔性轴承、柔轮内壁上均匀涂抹绿的谐波专业润滑脂，再进行安装。
将电机以100r/min的速度开动，以十字交叉的方式锁紧电机过渡法兰，以4-5次均等递增加力至螺钉对应锁紧。（螺钉对应锁紧力见表1）
谐波减速机做为一种开式减速机，其应用涉及到产品的设计、制造、装配的全过程。它不仅对设计者、生产制造者，也对装配者提出了诸多要求。任何一个环节如未能得到有效控制，都将影响谐波减速机的应用。
参考文献：
[1] 熊有伦. 机器人技术基础［M]. 武汉：华中理工大学出版社，1996.
[2] SCARA［EB/OL］. http://baike.baidu.com/view/1798580.htm#ref_[1]_1798580.
[3] 李谦.绿的——攻克谐波减速器品质难关[J].机器人技术与应用, 2013（2）:17.
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