RV減速器綜合性能檢測試驗臺的設計

鄭鵬， 孫瑞， 趙文輝， 梁全， 劉曉超， 郭光雨

（遼寧省智能制造與工業機器人重點實驗室，沈陽110000）

0 引 言

隨著德國“工業4.0”和中國“中國制造2025”的提出，全球制造業的改革己取得了巨大的成就，其中工業機器人的廣泛應用具有不可替代的作用[1]。但是我國的機器人的核心零部件大部分依賴進口，使得我國機器人的成本高于國外同款機器人的整體售價[2]。因此高性能的RV減速器是提高機器人精度和質量的重點，提高RV減速器性能的任務迫在眉睫[3]。由于我國RV減速器研發時間較短，雖然研究學者對其理論方面的研究很多，但關于檢測方面的研究還很少。研究RV減速器測試系統從傳統儀器的人工記錄和數據處理進行試驗，到傳統儀器與計算機結合進行試驗，再到現代結合虛擬儀器技術的自動化測試技術。現代自動化測試技術不僅提高了檢測速度和精度，以及數據采集、分析、處理等能力，而且適用對象廣泛，通用性及延展性強。

目前，部分學者對RV減速器試驗臺的搭建進行了一定的研究，有些學者對RV減速器的傳動誤差進行分析，但大多數數據結果只是對RV減速器的某一性能或參數進行檢測，還不能對RV減速器進行整體性能檢測[4]。因此該次試驗的意義在于比較國產RV減速器和進口RV減速器的參數差異，記錄其傳動比、傳動效率、傳動誤差、傳動精度、扭轉剛度的檢測數據，從數據中尋找自制RV減速器與進口RV減速器的差異，計算分析出設計中的薄弱點，找到影響RV減速器性能差異的關鍵性因素，并提出更優化的設計方案。

1 綜合試驗臺測量對象及原理

1.1 傳動比

1.2 傳動效率

傳動效率η的計算公式為

式中：η為被測減速器的傳動效率；i為被測減速器的傳動比；T1為被測減速器的輸入轉矩；T2為被測減速器的輸出轉矩。

1.3 傳動誤差

傳動誤差E是指減速器輸出軸的理論轉角與實際轉角之差，計算公式為

式中：i為被測減速器的傳動比；φ1為被測減速器輸入端的實際轉角；φ2為被測減速器輸出端的實際轉角。

1.4 傳動精度

傳動精度θ是同一組數據內傳動誤差值中的最大值與最小值之差，即

通過對傳動誤差E的測試，期間得出的數據中，用最大誤差值Emax減去最小誤差值Emin即可得到被測減速器的傳動精度θ。

1.5 扭轉剛度

通常情況下，扭轉剛度K是輸出軸轉矩與對應轉角的比值，但是由于在載荷的作用下，會使軸發生不可避免的彈性變形。首先要鎖定被測減速器的輸出端，然后在輸入端預加設定載荷，此載荷可以通過轉矩轉速傳感器得到，同時利用高精度角度編碼器測量得到輸入軸轉角θ1，利用高精度角度編碼器再次獲得被測減速器輸出端的扭轉角，即可得到被測減速器的扭轉剛度為

式中：i 為被測減速器的傳動比；T1為被測減速器輸入端的預加載荷；θ1為被測減速器輸入端的轉角；Δθ2為被測減速器輸出端扭轉角，Δθ2主要是為了克服在載荷作用下產生的彈性變形而進行轉角位置的補償。

2 試驗平臺設計過程

2.1 試驗平臺設計要求

設計一臺RV減速器綜合性能測試平臺，快速檢測RV減速器綜合性能[6]。需要保證減速器拆卸安裝快速，最大程度保證安裝精度，滿足減速器關鍵性能的測試要求。

2.2 試驗平臺測量對象

該次試驗測量的減速器為ZKRV-80E。

2.3 試驗平臺的設計

該試驗平臺由主軸電動機、油氣潤滑裝置、水冷裝置、空壓機、儲氣罐、過濾機、轉矩轉速傳感器、編碼器、擺線針輪齒輪箱、磁粉制動器、各功能模塊支撐、自定位T型槽底座、控制柜等部分組成。各部分采用模塊化設計，可自由拆卸組裝，可測試多種類型傳動結構的性能。該次試驗臺總設計圖如圖1所示。

圖1 試驗臺總設計圖

2.4 試驗平臺設備選型

2.4.1 試驗臺結構

根據國內外己有的減速器試驗臺設計，RV減速器綜合性能試驗臺的整體結構采用臥式結構。RV減速器軸線主要呈水平狀態，驅動電動機位于減速器的一側[7]。雖然采用臥式結構時，RV減速器產生徑向載荷，但兩軸系和RV減速器的同軸度易于保證，操作更適合人體工學。

2.4.2 基礎鑄鐵平臺

選用傳統的鑄鐵平板，規格為2.5 m×1.0 m×0.3 m。

2.4.3 主軸電動機

該試驗臺主軸電動機型號為210MD09Y33C，其中額定功率S1為33 kW、S6為52.9 kW，額定頻率為300 Hz，額定轉速為9000 r/min，額定轉矩為35.02 N·m，最大轉矩為56.03 N·m，冷卻方式為水冷卻，潤滑方式為油霧潤滑。

2.4.4 磁粉制動器

該試驗臺磁粉制動器型號為CZ-500，額定轉矩為5000 N·m，激磁電流為3 A，磁粉用量為3600 g，滑差功率為40 kW，冷卻方式為水冷。

2.4.5 聯軸器

各模塊之間通過聯軸器連接，各模塊與底板通過直線定位槽定位，由模塊鎖緊螺絲鎖緊。電動機輸出軸與輸入轉矩傳感器之間、輸入轉矩傳感器與RV減速器輸入端之間采用型號為MJC-30C-GR-7×8的撓性梅花型夾緊型聯軸器。RV減速器輸出端與輸出轉矩傳感器之間、輸出轉矩傳感器與磁粉制動器之間采用型號為MJB-55-RD-10×10的撓性梅花型脹套聯結單型聯軸器[8]。

2.4.6 油氣潤滑裝置

該試驗臺的油氣潤滑裝置型號為HL0A-03。設備可靠，維護量小；對不同黏度的油品適應性好；監控手段完善，機電一體化程度高；不污染環境。

2.4.7 水冷裝置

該試驗臺的水冷裝置型號為CW-5200工業冷水機。該冷水機的機型結構緊湊，體積小巧，方便移動，操作簡單，有多種設定和故障顯示功能，工作性能穩定，使用壽命長。

2.4.8 氣體裝置

該試驗臺的氣體裝置分為空氣壓縮機、儲氣罐、粗過濾器。空氣壓縮機的型號為申沃V-1.6/8，轉速為900 r/min，匹配功率為11 kW，額定排氣壓力為0.8 MPa。儲氣罐為空壓機的配套裝置，型號為HK17-18-13-42，容積為0.3 m3，工作壓力為0.8 MPa，耐壓試驗壓力為1.26 MPa。粗過濾器的型號為QSLZ-G1/2"-VI。該試驗臺氣體裝置選擇的所有裝置都具有使用壽命長、經濟、環保的優點。所有的試驗臺的氣體裝置能夠有效地提高實驗結果的準確性，避免因環境及油液潤滑而對實驗結果造成影響，起到了更安全的輔助性作用。

2.4.9 控制柜選型

該試驗臺的控制柜型號為HY-3A手動控制器。該試驗裝置結構簡單、精度高，考慮到經濟成本，在不影響精度的情況下，用手動控制器代替自動控制器。

2.4.10 轉矩轉速傳感器選型

該試驗臺的主要測試對象為ZKRV-80E型RV減速器，其輸入軸的最高轉速為9000 r/min，輸入軸的最大轉矩為16.53 N·m，輸出軸的最大轉速為70 r/min，輸出軸的最大轉矩為800 N·m，故選擇ZJ-100AG型轉矩傳感器作為RV減速器輸入軸的轉矩傳感器，ZJ-5000A型轉矩傳感器作為RV減速器輸出軸的轉矩傳感器[9]。

3 試驗平臺的搭建

3.1 三維模型圖

圖2 試驗平臺3D模型

根據試驗臺的設計要求，設計的三維圖如圖2所示。

3.2 試驗平臺的工作范圍

試驗平臺中各個裝置的參數如表1所示。

表1 試驗裝置技術參數

3.3 驗平臺搭建

1）試驗臺傳動部分。從左到右依次是驅動電動機、輸入轉矩傳感器、高速編碼器、被測RV減速器、低速編碼器、輸出轉矩傳感器、磁粉制動器。

2）滑動導軌。整個平臺通過高精度定位導軌實現便于更換各部分模塊的要求。

3）控制柜和操作平臺。實現后期數據的整合、分析。

4）角度編碼器。輸入軸與輸出軸兩邊各一個，用于測量角度變化。

5）轉矩轉速傳感器。輸入軸和輸出軸兩邊各一個，用于測量轉矩與轉速。

試驗平臺實體圖如圖3所示。

圖3 試驗平臺實體圖

4 試驗平臺的測試與結果

4.1 啟動力矩

圖4 啟動力矩試驗結果

在該次試驗中，角度編碼器信號變化時的轉矩值即是該次測試的啟動力矩。如圖4所示。該試驗臺所需要的力矩平均值為499.945 N·m。

4.2 傳動比

在傳動比試驗中，設置RV減速器的輸出轉速為15 r/min，輸出轉矩為800 N·m，系統自動檢測輸入端和輸出端轉速，繪制傳動比實時曲線如圖5所示。該試驗臺減速器傳動比的平均值為133.905。

4.3 扭轉剛度

在該次試驗中，將輸入端鎖死，正反向每次為一個周期，不斷將減速器輸出端正、反向緩慢施加載荷至減速器額定轉矩值，重復試驗，最后回到起始狀態[4]。試驗結束之后，繪制剛度曲線如圖6所示。

圖5 傳動比試驗結果

4.4 傳動效率試驗

在該次試驗中，先將減速器的傳功比設置為121，再將試驗臺的轉速達到額定轉速，數據采集裝置自動記錄存儲輸入輸出端的轉矩，計算機實時繪制傳動效率曲線，如圖7所示。該試驗臺減速器傳動效率的平均值為0.822。

圖6 扭轉剛度試驗結果

圖7 傳動效率試驗結果

5 結 論

與現有技術相比，該試驗臺的精益效果是：

1）測試減速器種類多，可以對多種復雜型號的減速器等進行相關的性能檢測，即將減速器安裝在精密安裝支架上進行檢測，還方便更換不同的減速器；

2）測試性能全面，可以利用轉矩轉速傳感器、高精度編碼器等準確高效地完成RV減速器的傳動比、傳動效率、傳動誤差、傳動精度、扭轉剛度等的檢測；

3）更換減速器原理簡單，只需打開平臺中間位置的聯軸器，并將打開的聯軸器向右側移動，然后便可拆卸掉編碼器、聯軸片等，留出來卸下減速器的空間，可完成減速器的更換，省去了移動導軌，使結構更加簡單；

4）平臺采用的主軸伺服電動機，功率大，啟動容易，帶載能力強，可以帶動賦值很大載荷的傳動機構，提速快，從而可以協助檢測多種傳動機構，效率高，并且帶動相同負載時比小功率電動機省電。