SG與RV減速器綜合性能對比分析

趙巧絨，王雪雯，王 鑫，張宏偉

（1.西京學院 機械工程學院，西安710123；2.寶雞文理學院 機械工程學院，陜西 寶雞721016；3.陜西省機器人關鍵零部件先進制造與評估省市共建重點實驗室，西安721016）

機器人減速器是工業機器人的核心零部件，占整機成本的30%以上。世界75%的精密減速器市場被日本的Harmonica 和Nabtesco 所占領，其中Nabtesco 的RV 減速器約占60%的市場份額。我國目前正逐步進入工業機器人產業化發展階段，以精密減速器為代表的核心零部件不能自給自足的現狀顯得尤為突出[1]。因此分析國產減速器的綜合性能參數，為國產減速器的設計與優化提供參考，可以加速我國工業機器人的發展。

目前國內外學者針對諧波減速器、擺線針輪傳動進行的研究較多，主要包括齒廓優化[2]、傳動誤差[3-4]、疲勞壽命[5-6]、性能測試[7-8]、以及結構優化與分析[9]等。有關RV 減速器的性能研究與試驗分析是近幾年才發展起來的，雖然時間較短沒有諧波減速器的研究完善，但也涵蓋了齒廓修型[10-11]、傳動誤差[12-13]、疲勞與模態[14-15]、實驗測試[16-17]等方面。本文研究的另一種工業機器人用減速器來源于陜西省某新興企業自主研發的SG 系列機器人關節減速器。受該企業委托進行其綜合性能的全面測試，并與陜西省老牌企業生產的RV減速器進行綜合性能對比，為其優化設計提供理論指導。

本文利用機器人綜合性能測試系統，分別進行SG減速器與RV減速器的振動、溫度、噪聲及傳動效率的性能測試，對比分析兩者的優缺點，為SG 系列減速器的設計與優化提供理論指導。

1 測試方案

1.1 測試系統與測試儀器

本文研究的SG 減速器來源于陜西省某新興企業，如圖1所示，該款減速機沒有走仿制進口的路子，打造出了機器人減速機領域新結構。本文作為標桿的RV 減速器為秦川RV-40E 減速器，其各項指標均處于國內外同類產品的先進水平。

圖1 SG減速器

本文所用機器人減速器綜合性能測試系統如圖2所示。其結構主要由電機、扭矩傳感器、聯軸器、減速器等部件組成。

圖2 機器人減速器綜合性能測試系統

1.2 測點布置

測試系統主要是由單向振動加速度傳感器、溫度傳感器、噪聲傳感器、扭矩傳感器及便攜式振動信號分析儀組成。在采樣頻率為2 000 Hz 的情況下，利用單向加速度傳感器對減速器X、Y、Z三個方向的振動信號進行采集，測點布置如圖3所示。溫度傳感器在減速器的正下方如圖3所示。噪聲傳感器位于實驗臺中部，見圖2。

圖3 測點布置

2 測試數據與分析

在電機轉速為0～3 000 r/min的升速過程中，分別測量兩種減速器的各項性能指標。從時域、頻域、溫度、噪聲及傳動效率的角度對比兩減速器的綜合性能。

2.1 時域分析

利用機器人減速器綜合測試系統，分別測試兩減速器的時域振動信號。由于篇幅原因在此僅列出RV-40E 在電機轉速為500 r/min、負載50 N，采樣頻率為2 000 Hz 時，X、Y、Z三個方向的振動信號時域圖，見圖4。

由圖4可見，三個方向整體振動均圍繞0 m/s2上下波動，漂移較小。相比而言，X（水平）、Z（豎直）方向振動幅值較小，而Y（軸向）振動較大，該特征符合傳動系統振動的一般規律。計算整理此時三個方向的振動信號，求解最大值、平均值、標準差等數據，得到RV-40E減速器振動性能指標，見表1。

表1 RV-40E減速器振動性能

圖4 RV-40E減速器時域振動信號

由表1中可見，RV-40E 減速器X、Y、Z三個方向的振幅平均值分別為-0.059 m/s2、-0.119 9 m/s2、0.003 5 m/s2，整體漂移較小，說明信號的直流分量、外界隨機噪聲干擾較小。振動信號的最大值為0.764 m/s2，出現在Y（軸向）方向。標準差分別為0.039 2 m/s2、0.185 m/s2、0.039 6 m/s2，查得日本帝人公司生產的RV 減速器在工作情況下振動加速度小于0.1m/s2，由此可知RV-40E減速器X、Z向振動信號符合標準，Y向超差。

測試SG減速器同樣在電機轉速為500 r/min、負載50 N，采樣頻率為2 000 Hz時，X、Y、Z三個方向的振動信號，求解最大值、平均值、標準差等數據，得到SG減速器振動性能指標，見表2。

表2 SG減速器振動性能

由表2可見，SG 減速器平均值大很多，在測試中發現其振動信號大多為正，負值較少，說明信號漂移較大。振動信號的最大值為0.833 m/s2，同樣出現在Y（軸向）方向，與表1相比，三個方向最大值均高于表1。標準差方面同樣如此，X、Z向高于表1，而Y向略低于表1。X、Z向振動信號符合標準，Y向超標。由此可知SG減速器整體穩定性低于RV減速器。

2.2 隨轉速變化的振動特性

以上研究為固定轉速下的振動特性，當轉速升高時，兩種減速器的幅值變化呈非線性增長，因此有必要考察轉速升高過程中各方向振幅的變化。測試采樣頻率為2 000 Hz 時，輸出端不加載狀態下轉速由0 r/min升到3 000 r/min的過程中，每個轉速下穩定采樣5 s求得各方向的振動平均值，繪制兩種減速器各向振動對比折線圖，見圖5至圖6所示。

由圖5可見，隨著轉速的增大，RV-40E減速器三個方向振幅都呈上升趨勢，相比較而言，Y向振幅最大，X向次之，Z向增長較為平緩。

由圖6可見，隨著驅動轉速的增大，SG 減速器三個方向的振幅亦呈上升趨勢。Y向振幅最大，其最大值為RV-40E的3倍，X、Z向振幅幾乎相等。

圖5 RV-40E各向振動對比圖

圖6 SG減速器各向振動對比圖

兩種減速器隨轉速變化的振幅趨勢相同，振幅增長是階段性變化的，0～500 r/min區間段轉速增長劇烈，而500 r/min～1 000 r/min 區間段幅值保持平穩，1 000 r/min～2 500 r/min 區間段振幅繼續增加，但增長越來越緩慢，直至停止增長。

2.3 溫度變化對比分析

利用機器人減速器綜合測試系統中的溫度傳感器進行溫度測試，分別測試兩種減速器空載狀態下連續運行過程中隨轉速升高的溫度變化，見圖7所示。

由圖7可知，兩種減速器溫度增長趨勢大致相同，在0～1 700 r/min 轉速區間溫度變化不大，減速器空載、低速下運行，即處于低功率狀態，溫度不會造成任何影響。在1 700 r/min～2 000 r/min 區間段溫度升高，并在隨后的2 000 r/min～3 000 r/min區間段保持穩定，此時減速器處于正常運行狀態，溫度略有升高，但對設備性能及潤滑油等都不會造成影響。相比較而言，RV-40E 的溫度偏高，在最開始溫度比SG減速器高出7°C，在轉速增加后，SG溫升幅度更大，此時RV-40E 比SG 高出4°C。兩種減速器均為新機，除去新機器處于磨合階段造成溫度升高等客觀原因，SG的冷卻系統、設備的通風散熱等優于RV-40E。

圖7 溫度對比圖

2.4 噪聲變化對比分析

噪聲是判斷減速器運行狀態是否良好的診斷方法之一，分別測試兩種減速器空載狀態下連續運行過程中隨轉速升高的噪聲變化，見圖8所示。

圖8 噪聲對比圖

由圖8可見，隨著驅動轉速的不斷增大，RV-40E與SG 減速器的噪聲在不斷增大，兩者在轉速0～1 500 r/min 的升速過程中噪聲均呈上升趨勢，在1 500 r/min 以后逐漸趨于平穩。啟動階段SG 噪聲較低，但隨轉速不斷增大的過程中，SG噪聲超過了RV-40E。SG減速器傳動噪聲過大的原因可能是內部齒輪精度等級略低。秦川機床廠作為高精度機床供應商，其齒輪的加工精度更高，高精度齒輪比低精度齒輪傳動噪聲小的多。同時減速器內部的齒輪誤差、裝配時的同心度，安裝過程中機身與基礎支撐以及連接件之間的共振，都可能產生噪聲。總之，SG 減速器在噪聲方面與RV-40E相比有些許不足，可以參考以上幾個方面，從齒輪精度、箱體、連接件、軸承等設計、安裝、維護方面進行優化。

2.5 傳動效率變化對比分析

傳動效率是判斷減速器性能好壞的重要指標，Nabtesco 出產的RV 減速器其傳動效率可以達到85%～95%，國內主流廠商的出廠指標大約在60%～90%。分別測試兩種減速器不加載狀態下連續運行過程中隨轉速升高的傳動效率變化，如圖9所示。

圖9 傳動效率對比圖

由圖9可見，隨著驅動轉速的增大，SG 減速器傳動效率平穩，并沒有出現比較劇烈的波動，傳動效率穩定在20 %到22 %之間。RV-40E 上下輕微波動，基本穩定在80 %左右，轉速在2 500 r/min～3 000 r/min時，其傳動效率達到最大值98%，此時性能已超過Nabtesco出產的RV減速器，說明國產減速器在部分指標上已達到國際先進水平。總體來看，SG 減速器在傳動效率上表現欠佳，與RV-40E 傳動效率相差4倍，沒有達到國內廠商的最低標準。

3 傳動效率差異分析及優化

3.1 傳動效率計算

在上文分析中，雖然在振動、溫度、噪聲方面SG都存在差異，但在傳動效率上的差距最為明顯，其他參數性能也可能受到傳動效率的影響而表現欠佳。因此有必要定量分析兩者在傳動效率上產生差異的原因。

對于RV減速器的傳動效率，國內專家學者已經進行了大量研究，普遍認為RV減速器傳動效率一般可達到85%～92%[18-19]。部分學者采用仿真及實驗測試，得到RV-40E 最高效率為73.23 %[20]。參考Nabtesco 公司的精密控制用高剛性減速機RV SERIES 技術資料集，RV-40E 減速器效率曲線見圖10所示。

圖10 RV-40E減速器效率曲線圖

SG減速器為雙聯行星結構(NGWN型)，計算時可等效為一級NGW 行星齒輪和一級正號機構NN串聯[21]，如圖11所示。因此，NGWN 行星齒輪的傳動比為一級NGW 行星齒輪的傳動比和一級正號機構NN 傳動比的乘積，NGWN 行星齒輪的效率為一級NGW 行星齒輪的效率和一級正號機構NN 效率的乘積。其中i12=-7，i1″2″=1.043，單對齒輪嚙合效率為95.06%。

圖11 SG等效機構

其傳動比和傳動效率為

經計算SG 的傳動比較大，但傳動效率極低，理論傳動效率僅為44.53%。同時，雙聯行星輪工藝性差，制造、安裝復雜，對制造精度要求高，其均載性能對制造誤差敏感，因此實際傳動效率往往達不到理論計算值。

3.2 傳動效率差異分析及改善方案

造成SG 減速器傳動效率未達到理論值的原因主要有以下兩點：

（1）SG 嚙合齒對數量未達標。在輸入轉速恒定的情況下，起初齒輪嚙合并不完美，所以效率達不到出廠樣本效率。隨著時間增長嚙合齒對數量增多，輸出端負載會逐漸升高，進而傳動效率升高。在實驗過程中RV-40E 的傳動效率即隨時間增長而增長，最終達到最高傳動效率98 %時已運行了30 分鐘。但SG減速器未出現隨時間增長而增長的現象，因此推斷其內部嚙合點數量未達到理論值（9個）。

（2）齒輪傳動的功率損耗較大。傳動效率主要來源于齒輪傳動的功率損耗、軸承摩擦的功率損耗及潤滑油攪動的功率損耗等。其中齒輪傳動的功率損耗所占比重最大，主要由輪齒間的嚙合摩擦引起，受齒面加工精度影響極大。通過拆機觀察發現，SG減速器經過測試后其潤滑油由黃色變為黑色，潤滑油中含有大量鐵屑，其齒輪加工等級為9級，齒面存在劃痕。因此SG 減速器加工精度過低也是造成其傳動效率低的重要因素。

大速比行星齒輪效率會隨傳動比增大而迅速降低，這是由其結構決定的。但相較于理論值，實際測試結果僅占理論值的50%，若能在制造及安裝工藝方面加以完善可以進一步提高SG的傳動效率。

4 結語

本文測試分析了SG減速器與RV-40E減速器的振動、噪聲、溫度及效率指標，剖析了SG減速器相對于RV減速器的優缺點。振動特性方面，兩者在軸向振動幅值方面與國外產品相比均超差，水平與垂直方向符合國際標準。SG減速器整體穩定性低于RV減速器，但在溫度、噪聲方面略有優勢，均低于RV。傳動效率方面，SG減速器表現欠佳，與RV傳動效率相差4倍，沒有達到國內廠商的最低標準，一方面由于大速比行星齒輪自身的傳動效率理論值偏低，另一方面SG 減速器的制造及安裝工藝均未達標。在后續的優化設計中SG可以考慮在齒輪精度、加工誤差、整體的安裝過程、間隙等方面來減少摩擦，提高傳動效率。