新型機器人用RV減速器測試平臺的設計與試驗分析

史旭東，崔玉明，朱劍鋒

（1.南京工程學院，南京 211167；2.南京康尼機電股份有限公司，南京 210013）

新型機器人用RV減速器測試平臺的設計與試驗分析

史旭東1，2，崔玉明2，朱劍鋒2

（1.南京工程學院，南京 211167；2.南京康尼機電股份有限公司，南京 210013）

以機器人用RV減速器為研究對象，針對影響其主要精度和性能的項目指標，結合其結構特點，分析并設計新型機器人用RV減速器測試平臺及相應的PLC數據采集及控制系統。通過結構設計、理論分析和試驗驗證的方法，研究了測試平臺的精度和測試效果。結果表明：該測試平臺能夠滿足多型號RV減速器多項主要性能參數的測試要求，提高測試效率，降低測試成本；實際對比測試結果顯示部分國產RV減速器在扭轉剛度、回差和角度傳遞誤差等方面均不及進口減速器水平；對比測試的結果與理論值接近，測試方法正確，可為其他類型機器人用精密減速器的測試提供參考和依據。

RV減速器；扭轉剛度；回差；測試平臺；對比試驗

0　引言

隨著德國“工業4.0”概念的提出，智能工廠、智能生產、智能物流的理念迅速普及開來，國內也相應的提出了“中國制造2025”戰略。在由“中國制造”向“中國智造”的深刻改革進程中都離不開智能工業機器人的參與。機器人生產產品的質量則主要取決于機器人關節RV減速器的精度和性能［1，2］，RV減速器如圖1所示。因此，對機器人用RV減速器的精度和性能進行精確地測試是優化RV減速器、提高機器人精度、保證其產品質量的基礎和前提［3，4］。現有減速器測試臺測試精度和效率較低、適用范圍小、測試成本高，故設計一種新型的機器人RV減速器測試平臺是十分重要和必要的。

圖1　機器人用RV減速器

1　性能分析

對于機器人用RV減速器而言，其主要性能指標有很多項，使用過程中對機器人精度起主要影響作用的有以下三項［5，6］。

1.1回差

將RV減速器輸入端與殼體均固定，在輸出端施加3%額定轉矩順時針和逆時針方向旋轉時，減速器輸出端產生的轉角差值即為減速器的回差。其在RV減速器滯回曲線中可以形象的表示出來，如圖2中所示。

圖2　RV減速器滯回曲線

1.2扭轉剛度和空程

將RV減速器輸入端與殼體均固定，對減速器輸出端施加扭矩載荷時，減速器承受的負載轉矩與切向彈性變形轉角之比值即為其扭轉剛度，它描述的是減速器抗變形能力的大小。而空程則代表減速器輸出軸由正轉變為反轉的過程中齒輪嚙合的間隙對減速器精度的影響，以負載扭矩為零時輸出軸換向轉動過程中的轉角變化來表示，如圖2所示。

1.3角度傳遞誤差

角度傳遞誤差是指輸入任意旋轉角時的理論輸出旋轉角度與實際輸出旋轉角度之間的差，它反映了減速器在不同工作狀態下的輸出精度。

2　測試平臺設計與分析

現有測試臺可以實現對某一型號減速器產品的測試，或者可以對不同型號產品的同一項性能要求進行測試［7～11］，但是為了進一步提高測試精度、降低測試成本、擴大測試平臺的適用范圍，本文基于對RV減速器多項測試項目要求的分析，設計一種新型RV減速器測試平臺。

新型RV減速器測試平臺主要包括伺服驅動系統、機械傳動系統、控制和數據采集系統，其系統框圖如圖3所示。其中伺服驅動系統主要控制伺服電機和加載裝置，為整個測試平臺提供動力和負載；機械傳動系統主要包括整個測試平臺的零部件結構與配合，保證RV減速器測試平臺傳動和加載的實現；控制和數據采集系統包括角度編碼器、扭矩轉速傳感器、數據采集卡、PLC控制器和顯示器等，主要將傳感器輸出的信號采集并分析處理后以Excel圖表形式輸出，并以PLC控制器實現多個測試項目之間的切換。

圖3　測試平臺系統框圖

2.1結構設計

新型RV減速器測試平臺包括輸入端組件、減速器組件、輸出端組件和加載裝置等。其中，輸入端組件包括移動滑臺、伺服電機、輸入端軸承座和輸入端角度編碼器；減速器組件包括輸入齒輪軸、RV減速器、安裝法蘭和輸出法蘭；輸出端組件包括輸出軸、輸出端軸承座、輸出端角度編碼器和扭矩傳感器；加載裝置為氣動盤式制動器。RV減速器測試平臺整體結構如圖4所示。

圖4　測試平臺整體結構

該方案將測試平臺的輸入端設置成可快速移動的精密移動滑臺結構，減速器安裝和輸出部分也設計成可拆卸的過渡法蘭聯接，方便多種型號RV減速器的快速換接，因此，該新型測試平臺可以方便的對不同型號RV減速器進行性能測試。在對不同RV減速器進行性能測試時，僅需要將移動滑臺移出，更換RV減速器及其安裝和輸出法蘭以及相應的輸入齒輪，然后將移動滑臺推進至原位置并鎖緊即可，大大提高了測試效率，增大了測試平臺的適用范圍，縮減了測試成本。

同時，測試平臺加載裝置采用氣動盤式制動器，克服了磁粉離合器施加扭矩限制和手動砝碼加載的非連續性限制，能夠同時適用于動態和靜態加載，提高了加載效率。

2.2系統精度分析

根據文獻［12］可知，現有RV減速器精度基本在1′左右，高精度RV減速器精度甚至可以達到30″以內，因此本測試臺輸出端采用德國HEIDENHAIN高精度RON886角度編碼器（測量精度可以達到1″）測量減速器輸出軸的扭轉角變化量，同時在輸入端采用德國HEIDENHAIN高精度RON785角度編碼器（測量精度達到2″）測量減速器輸入軸的扭轉角變化量用來對比驗證，該方法大大提高的測試的精度。

RV減速器輸出端采用0～100N.m和0～1000N.m雙量程扭矩傳感器，扭矩傳感器精度為0.15%F.S，能夠滿足多種型號RV減速器性能測試的要求。

由于任何測試系統都不可避免的存在方法誤差，所以本系統中也存在一些對精度產生影響的因素，直接測得的數據并非是減速器本身的剛度，還包括輸入軸剛度、輸出軸剛度和支架剛度等等，各剛度因素等效示意圖如圖5所示。因此，還需要在測試數據上進行一定的處理才能得到RV減速器自身的扭轉剛度。

圖5　剛度影響因素等效示意圖

如上圖所示，各環節剛度影響基本為串聯關系，且支座剛度kz1和減速器支座剛度kz2與臺架固定連接，對系統測試結果影響較小，可以忽略不計。其中，考慮輸入軸剛度kin對輸出軸測試結果的影響，需要計入減速器傳動比i，因此減速器實際扭轉剛度k：

式中：

k為RV減速器實際扭轉剛度，N.m/arcmin；

kc為測試剛度，N.m/arcmin；

kin為輸入軸剛度，N.m/arcmin；

i為減速比；

kout為輸出軸剛度N.m/arcmin。

以上參數中，kc通過實際測試擬合得到，kin、kout通過計算得到，減速比i為已知量，進而可以求得RV減速器扭轉剛度k。

2.3數據采集及控制系統

本系統利用1臺S700控制器對現場的伺服驅動器、扭矩編碼器、角度編碼器進行通訊，其原理如圖6所示。其中伺服驅動器采用總線通訊方式；扭矩傳感器采用硬接線方式（PLC接收編碼器0～10V信號）；角度編碼器利用差分信號轉換器將1vpp信號轉換為差分信號，利用PLC的高速計數器通訊。所有數據在S7200PLC內進行處理。系統配置1臺人機界面觸摸屏與PLC控制器連接，用于顯示及設定各相關參數。

圖6　數據采集及控制系統原理圖

3　試驗驗證分析

3.1扭轉剛度、空程及回差試驗

對RV減速器分別正反向加載至其額定扭矩并卸載，采集扭矩傳感器及角度編碼器數值，并繪制RV減速器滯回曲線，使用最小二乘法擬合得到其扭轉剛度曲線，即可確定減速器空程、回差及其扭轉剛度。

為驗證測試結果，特取某型號國產RV減速器與進口RV減速器進行對比測試。由于測試數據較多，故取部分加載及測試結果如表1、表2所示，表1為進口RV減速器測試數據，表2為國產RV減速器測試數據。

表1　進口某型號RV減速器剛度測試數據表

表2　國產某型號RV減速器剛度測試數據表

根據上表可以作出兩種RV減速器各自滯回曲線，如圖7所示，進而根據最小二乘法計算得出其扭轉剛度、空程和回差的實測值，剔除輸入輸出軸的剛度影響后，兩款RV減速器剛度特性各參數計算值如表3所示。

圖7　試驗滯回曲線

表3　RV減速器剛度特性表

可以看出，國產RV減速器扭轉剛度較進口RV減速器低28%，空程卻高出25.2%，說明國產RV減速器承載運行時抗變形能力較差，而空載運行時的嚙合間隙卻很大，進而可能導致RV減速器整體精度較差。另外，進口RV減速器剛度和回差的測試結果均與理論值接近且略大于理論值，正反轉過程中的換向精度較高，而國產RV減速器在該測試中表現較為一般。該試驗說明機器人用RV減速器的國產化要達到國際先進水平還需要一定的努力。通過該試驗研究，既得到了減速器的相關性能參數，同時也驗證了該測試平臺的適用性和實用性，為其他型號機器人用精密減速器的測試提供了參考和依據。

3.2角度傳遞誤差試驗

根據角度傳遞誤差測試原理，對國產和進口RV減速器分別進行測試后得到其各自角度傳遞誤差曲線，如圖8所示。進而由圖8可以得到兩款減速器的角度傳遞誤差及其標準差，如表4所示。

由圖8和表4可以看出，進口RV減速器運行平穩，角度傳遞更為精確，且重復誤差較小，誤差波動范圍小。國產RV減速器在角度傳遞誤差上比進口產品誤差高出24.9%，角度傳遞誤差波動范圍超出28.9%，傳動精度明顯低于進口RV減速器。尤其是國產RV減速器角度傳遞的重復誤差為-0.441arcmin，遠大于進口減速器的0.018arcmin，因而對機器人重復定位精度影響較大。通過該測試，既得到了減速器的相關性能參數，同時也驗證了該測試平臺的適用性和實用性，為其他型號機器人用精密減速器的測試提供了參考和依據。

圖8　角度傳遞誤差試驗曲線

表4　RV減速器角度傳遞誤差表

4　結論

本文針對機器人用RV減速器測試困難的現象，設計了一種新型機器人用RV減速器測試平臺，并通過對進口及國產某型號RV減速器的測試驗證了該測試平臺的實用性。結果表明：

1）該新型RV減速器測試平臺及其控制和數據采集系統能夠滿足多型號RV減速器多項主要性能參數的測試要求，提高測試效率，降低測試成本；

2）對進口及國產某型號RV減速器進行實際測試后分析發現，國產RV減速器在扭轉剛度、回差和角度傳遞誤差等方面均不及進口減速器水平，整體研制水平還需進一步提高；

3）該新型測試平臺能夠對RV減速器的主要性能進行高精度測試，對比測試結果與理論值接近，可信度高，可為其他類型機器人用精密減速器的測試提供參考和依據。

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Design and experimental analysis of new test platform for RV reducer used in robot

SHI Xu-dong1，2，CUI Yu-ming2，ZHU Jian-feng2

TH132

A

1009-0134（2016）09-0141-05

2016-08-12

史旭東（1968 -），男，江蘇溧陽人，高級工程師，本科，研究方向為機械加工工藝與自動化設備。