RV減速器關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試與分析

趙巧絨，趙翠翠，雷有巧，王 鑫，張宏偉，王炳博

（1.西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123; 2.寶雞文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 寶雞 721016;3.陜西省機(jī)器人關(guān)鍵零部件先進(jìn)制造與評(píng)估省市共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721016）

0 引 言

RV減速器是工業(yè)機(jī)器人的核心部件，與工業(yè)機(jī)器人末端精度息息相關(guān)，其性能參數(shù)的精度及穩(wěn)定性是企業(yè)較為關(guān)心的問題。在產(chǎn)品出廠合格檢測(cè)過程中往往首先關(guān)注其傳動(dòng)誤差、剛度及回差等指標(biāo)[1-5]，除了這些指標(biāo)外空載摩擦轉(zhuǎn)矩、空載跑合、定位精度和機(jī)械效率等指標(biāo)也具有相當(dāng)重要的意義，但以往針對(duì)這些指標(biāo)的研究較少，沒有引起足夠的重視，因此本文將針對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試與研究。

空載跑合對(duì)提高減速器的承載能力和使用壽命具有十分重要的意義，許多廠家對(duì)減速器跑合的必要性不夠重視，不能嚴(yán)格按照要求進(jìn)行操作使用，使減速器的承載能力和使用壽命都達(dá)不到基本要求。定位精度是衡量減速器傳動(dòng)誤差的一種指標(biāo)，工業(yè)機(jī)器人能夠在生產(chǎn)中可靠地完成工序任務(wù)并且確保工藝質(zhì)量，與減速器的定位精度密切相關(guān)?？蛰d摩擦轉(zhuǎn)矩是減速器的重要性能指標(biāo)，需要在出廠前進(jìn)行測(cè)量評(píng)定。機(jī)械效率作為減速器的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可直接反映機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，因此在減速器的生產(chǎn)過程中效率也被作為一項(xiàng)重要考察指標(biāo)。

基于國內(nèi)減速器生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，林志宇[6]為提高精密減速器性能測(cè)試效率，提出了一種單工位測(cè)試流程優(yōu)化方法。還有部分學(xué)者就減速器參數(shù)性能進(jìn)行了相關(guān)測(cè)量分析。廈門大學(xué)葉石磊[7]對(duì)四種公司RV減速器的旋轉(zhuǎn)精度、傳動(dòng)效率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試比對(duì)，體現(xiàn)了國內(nèi)外RV減速器性能上的差異。關(guān)通等[8]采用了正交試驗(yàn)方法，得出輸入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)RV減速器傳動(dòng)效率的影響程度較為顯著。王海霞[9]等進(jìn)行了RV減速器傳動(dòng)誤差的測(cè)量與分析，結(jié)果表明傳動(dòng)誤差隨著負(fù)載和輸入轉(zhuǎn)速的增大而增大。目前工業(yè)領(lǐng)域通常把精密減速器的空載摩擦轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速做線性化處理，未能客觀反映低速階段的空載摩擦轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，針對(duì)這一問題，徐航[10]等對(duì)精密減速器的摩擦特性及模型進(jìn)行了分析，得出RV減速器的空載摩擦轉(zhuǎn)矩具有典型的Stribeck效應(yīng)。趙巧絨[11]等對(duì)SG減速器與RV減速器在空載升速過程中就其傳動(dòng)效率的差異進(jìn)行對(duì)比研究。這些測(cè)試研究對(duì)于我國減速器的進(jìn)步發(fā)展具有重大意義。

國內(nèi)機(jī)械制造水平較低，擁有減速器測(cè)試裝置的一般為高校和企業(yè)，試驗(yàn)方法和加載形式都不同，缺乏對(duì)減速器參數(shù)的統(tǒng)一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量分析較少。因此本文針對(duì)這一問題對(duì)減速器空載摩擦轉(zhuǎn)矩、空載跑合、定位精度和機(jī)械效率等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，探究轉(zhuǎn)速變化下其性能的變化規(guī)律。

1 測(cè)試方案

1.1 工作原理

RV減速器是二級(jí)減速型，傳動(dòng)裝置由兩部分組成：第一級(jí)漸開線圓柱齒輪行星減速機(jī)構(gòu)和第二級(jí)擺線針輪行星減速機(jī)構(gòu)，如圖1、圖2所示。太陽輪1與輸入端相連，如果漸開線中心輪順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，它將帶動(dòng)三個(gè)呈120°布置的行星輪2在繞中心輪軸心公轉(zhuǎn)的同時(shí)，中心輪還有逆時(shí)針方向自轉(zhuǎn)，三個(gè)曲柄軸3與行星輪2相連接而同速轉(zhuǎn)動(dòng)，兩片相位差180°的擺線輪4鉸接在三個(gè)曲柄軸上，并嚙合于固定的針輪，在其軸線繞針輪軸線公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還將反方向自轉(zhuǎn)，即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。輸出機(jī)構(gòu)由裝在其上的三對(duì)曲柄軸支撐軸承來推動(dòng)，把擺線輪上的自轉(zhuǎn)矢量以1∶1的速比傳遞出來。該旋轉(zhuǎn)被輸出到第二減速單元的軸固定后，殼體側(cè)成為輸出測(cè)。

圖1 RV減速器結(jié)構(gòu)圖

圖2 RV傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

1.2 測(cè)試指標(biāo)

空載摩擦轉(zhuǎn)矩是指在無負(fù)載、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下所測(cè)得的減速器的摩擦轉(zhuǎn)矩?？蛰d跑合是指在空載條件下將裝配好的齒輪副進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中逐漸磨掉嚙合表面的凸峰，增大兩接觸面的實(shí)際接觸面，使嚙合表面保持最適宜的間隙，同時(shí)達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益。定位精度是指當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出軸會(huì)被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度的真實(shí)值和理論值的差距。效率是指減速器的輸入端和輸出端的功率之比。

1.3 RV減速器實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

本文利用減速器綜合測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如圖3所示，以某廠家RV-40E減速器為研究對(duì)象，其傳動(dòng)比為121。

圖3 減速器測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)造由左至右依次為：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、前端扭矩傳感器、前端角度傳感器、減速器、后端角度傳感器、后端扭矩傳感器、增速器、負(fù)載電機(jī)等部件。不同試驗(yàn)的硬件組合為：

空載摩擦轉(zhuǎn)矩：從驅(qū)動(dòng)端開始，依次連接：驅(qū)動(dòng)電機(jī)—扭矩傳感器—軸承座—前端角度傳感器—被測(cè)減速器—后端角度傳感器—后端軸承座

空載跑合：從驅(qū)動(dòng)端開始，依次連接：驅(qū)動(dòng)電機(jī)—扭矩傳感器—軸承座—前端角度傳感器—被測(cè)減速器—后端角度傳感器—后端軸承座

定位精度：從驅(qū)動(dòng)端開始，依次連接：驅(qū)動(dòng)電機(jī)—扭矩傳感器—軸承座—前端角度傳感器—被測(cè)減速器—后端角度傳感器—后端軸承座

效率：從驅(qū)動(dòng)端開始，依次連接：驅(qū)動(dòng)電機(jī)—扭矩傳感器—軸承座—前端角度傳感器—被測(cè)減速器—后端角度傳感器—后端軸承座—后端扭矩傳感器—增速箱—負(fù)載電機(jī)

軟件測(cè)試系統(tǒng)的操作臺(tái)如圖4所示。

圖4 操作臺(tái)

各指標(biāo)測(cè)試中數(shù)據(jù)設(shè)置如下：

空載摩擦轉(zhuǎn)矩測(cè)試中設(shè)置最終轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為4.6 N·m，轉(zhuǎn)速分段為8，過渡時(shí)間為5 s，運(yùn)行時(shí)間為30 s，采集時(shí)間為10 s。

空載跑合測(cè)試設(shè)定第一、二、三轉(zhuǎn)速分別為50，100，1 000 r/min，時(shí)長(zhǎng)：每個(gè)速度下運(yùn)行的總時(shí)間分別為0，30，180 s，間隔：在該轉(zhuǎn)速下正反轉(zhuǎn)單次運(yùn)行的時(shí)間分別為10，10，180 s，過渡：從當(dāng)前轉(zhuǎn)速向下一個(gè)轉(zhuǎn)速過渡的時(shí)間分別為1，1，10 s。

定位精度測(cè)試中設(shè)定轉(zhuǎn)速為30 r/min，轉(zhuǎn)速換向次數(shù)為8次，控制間隔為100 ms，期望輸出角度為360°，測(cè)試位置個(gè)數(shù)為15。

效率試驗(yàn)中設(shè)定驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為100，200，300 r/min。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 空載摩擦轉(zhuǎn)矩測(cè)試

空載摩擦轉(zhuǎn)矩測(cè)試是在輸出端無負(fù)載時(shí)進(jìn)行的，要求測(cè)試開始前，將RV減速器的輸出端脫開，然后輸入端起動(dòng)減速器，同時(shí)采集輸入端的轉(zhuǎn)矩得出瞬時(shí)最大輸入扭矩。無負(fù)載時(shí)，使減速器驅(qū)動(dòng)端的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，運(yùn)行后測(cè)試傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)矩就是空載摩擦轉(zhuǎn)矩，最后降速并完成測(cè)試。

測(cè)試前先分離減速器輸出和輸入的額定轉(zhuǎn)速，并將0至最終轉(zhuǎn)速值切分為幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)：300，600，900，1 200，1 500，1 800 r/min，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄各穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的變化情況，經(jīng)過271.9 s達(dá)到最大空載摩擦轉(zhuǎn)矩，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

將圖5與國內(nèi)相似機(jī)型[12]進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。圖5減速器最大空載摩擦轉(zhuǎn)矩為0.30 N·m。當(dāng)轉(zhuǎn)速同為800 r/min時(shí)，圖5空載摩擦轉(zhuǎn)矩僅為0.2 N·m，而圖6機(jī)型為0.75 N·m，說明試驗(yàn)臺(tái)RV減速器在加工工藝上性能優(yōu)異。

圖5 空載摩擦轉(zhuǎn)矩測(cè)試曲線

圖6 空載摩擦轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)

2.2 空載跑合測(cè)試

將直流電機(jī)與傳感器相連，再將傳感器的另一端與減速器輸入端相連，傳感器的另一端與磁粉加載器相連，釋放傳感器中的殘余應(yīng)力，測(cè)試儀器標(biāo)零。在額定轉(zhuǎn)速的情況下，逐漸加載到額定載荷的同時(shí)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)并監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

從圖7可見空載跑合最大轉(zhuǎn)矩為0.39 N·m。經(jīng)過290.8 s后可達(dá)到穩(wěn)定工況。試驗(yàn)臺(tái)RV減速器空載跑合性能優(yōu)異即代表該減速器具有更高的承載能力及使用壽命，說明國內(nèi)RV減速器不僅在加工工藝上達(dá)到國際領(lǐng)先水平，更在使用壽命上得到了提升。

圖7 空載跑合測(cè)試曲線

2.3 定位精度測(cè)試

測(cè)試定位精度時(shí)，需設(shè)定驅(qū)動(dòng)端起始時(shí)的轉(zhuǎn)速值，然后啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)端，按設(shè)定的轉(zhuǎn)速30r/min運(yùn)行，運(yùn)行到期望角度360°時(shí)轉(zhuǎn)速反向，換向次數(shù)要達(dá)到設(shè)定值8次。測(cè)試結(jié)果，詳見表1、表2。

為與表1定位測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，列出國內(nèi)外RV減速器性能匯總結(jié)果見表3。

表1 測(cè)試位置 （°）

對(duì)比表2、表3可見，試驗(yàn)臺(tái)RV減速器正反向定位精度已經(jīng)高于國內(nèi)外眾多廠家產(chǎn)品，重復(fù)定位精度高，可靠性較好。參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17421.2—2000，該試驗(yàn)設(shè)備定位精度符合國家要求。帝人減速器一直是全球減速器的標(biāo)桿，其具有耐重?fù)?、壽命長(zhǎng)、低噪音、高傳動(dòng)效率、高精度、低背隙、使用周期長(zhǎng)等出色的性能表現(xiàn)。試驗(yàn)臺(tái)RV減速器的定位精度已經(jīng)高于帝人，說明國內(nèi)RV減速器在精度上可以比肩進(jìn)口產(chǎn)品。

表2 測(cè)試結(jié)果 （″）

表3 國內(nèi)外RV減速器性能匯總 （″）

2.4 效率測(cè)試

在負(fù)載效率的試驗(yàn)中，驅(qū)動(dòng)端轉(zhuǎn)速需要達(dá)到要求的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，并且負(fù)載采用扭矩控制模式，進(jìn)行額定負(fù)載加載，達(dá)到設(shè)定穩(wěn)定工況時(shí)，通過扭矩測(cè)試系統(tǒng)采集當(dāng)前工況下被測(cè)件輸入端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

效率測(cè)試開始前，需要將扭矩傳感器進(jìn)行調(diào)零，以免殘余的扭矩會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。效率的理論計(jì)算基本公式如表4所示。

表4 效率計(jì)算公式

式中：P1——輸入功率；

T1——輸入轉(zhuǎn)矩；

n1——輸入轉(zhuǎn)速；

P2——輸出功率；

T2——輸出轉(zhuǎn)矩；

n2——輸出轉(zhuǎn)速。

由公式（1）、（2）推導(dǎo)可得公式（3）：

2.4.1 負(fù)載效率

起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在保證額定轉(zhuǎn)速的條件下，逐漸提高負(fù)載。通常由零載到額定負(fù)載之間取幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)，在每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)上記錄減速器輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)矩，由公式（3）可知效率值可由測(cè)得的轉(zhuǎn)矩值算出，如表5所示。

表5 負(fù)載效率測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表5數(shù)據(jù)處理可得出，不同驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速下的效率變化曲線，如圖8所示。

圖8 各轉(zhuǎn)速下的效率曲線

由圖8可見，隨轉(zhuǎn)速增大系統(tǒng)機(jī)械效率增加，隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，效率也有所提升，在不同轉(zhuǎn)速下，隨著負(fù)載的增加，RV減速器效率之間的差距明顯減小，最終達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)臺(tái)RV減速器機(jī)械效率基本大于85%，最高可達(dá)到91.3%。如圖9所示，國內(nèi)外相似機(jī)型[12]的效率基本為65%，由此可見，試驗(yàn)臺(tái)RV減速器效率性能優(yōu)異。

圖9 相似機(jī)型效率曲線

2.4.2 空載效率

將RV減速器的輸出端脫開，起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在保證額定轉(zhuǎn)速的條件下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要以不同的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速帶動(dòng)減速器進(jìn)行效率試驗(yàn)，模擬在實(shí)際工況下，轉(zhuǎn)速與效率的關(guān)系。空載狀態(tài)下機(jī)械效率見表6。

由表6可見，空載狀態(tài)下，隨轉(zhuǎn)速增大機(jī)械效率增加，空載狀態(tài)下機(jī)械效率最大值可達(dá)98%，系統(tǒng)能量損耗微小，說明試驗(yàn)臺(tái)RV減速器設(shè)計(jì)合理，加工裝配水平較高，整體性能達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。

表6 空載效率測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文測(cè)試了國內(nèi)某廠家RV-40E減速器的空載摩擦扭矩、空載跑合、定位精度和效率四個(gè)參數(shù)。四個(gè)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果都表明試驗(yàn)臺(tái)RV減速器的性能不僅滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，并且優(yōu)于包括日本帝人在內(nèi)的國內(nèi)外廠家產(chǎn)品。其中空載跑合性能優(yōu)異說明其承載能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)，定位精度高說明其使用性能出色，空載摩擦轉(zhuǎn)矩小及機(jī)械效率高說明產(chǎn)品的加工工藝優(yōu)異，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。本研究對(duì)RV減速器的性能測(cè)試與評(píng)價(jià)具有參考意義。