雙聯行星減速器與RV減速器性能測試對比分析*

/1.寶雞文理學院機械工程學院；.陜西北方動力有限責任公司；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

0 引言

RV減速器已成為工業機器人的三大核心技術之一，我國對工業機器人用精密減速器的研究相比國外較晚，與國外先進技術相比存在一定的差距，嚴重制約了我國工業機器人的發展進程[1]。

目前國內外學者已對RV減速器開展了基礎研究。黃興[2]將典型品牌精密減速器的關鍵技術指標進行了對比，分析了國內外精密減速器的技術差距。國產減速器主要在傳動準確度上與國外產品存在差距。為此，國內專家學者在傳動準確度的計算[3]、控制[4]與測試[5]方面均進行了研究。為檢驗RV減速器的綜合性能，測試與分析工作也同樣重要。陳李果[6]、王建輝[7]與彭鵬[8]等利用RV減速器綜合性能試驗裝置和振動測試系統，分析了國產RV減速器的振動、噪聲及綜合性能。基于有限元的動態仿真[9]及模態分析[10]也為RV減速器的優化設計提供了理論基礎。但國內RV減速器的綜合性能還有待提高。

本文研究一種用于工業機器人的雙聯行星減速器，該減速器可作為RV減速器的替代產品。利用機器人綜合性能測試系統，分別進行雙聯行星減速器與RV減速器的驅動功率、負載功率及傳動效率的性能測試，對比分析兩者的優缺點，為雙聯行星系列減速器的設計與優化提供理論指導。

1 測試方案

1.1 測試儀器

本文研究的雙聯行星減速器采用雙聯行星結構，減速比大，同軸輸出，傳動穩定；輸出端采用YRT軸承與機殼一體化設計，外形更緊湊，體型更小；內部增加了扭力緩沖裝置，可以減輕碰撞對減速器及機器人機體的傷害；鍵槽采用半圓缺結構設計，可承受的切向力比普通鍵槽高3倍以上；采用自研發的T形輪架，在減速器受相同承載力的情況下，其加工制造成本低于普通行星減速器的一半以上，裝配也更簡單。所用的RV減速器為國內某企業生產的RV-40E減速器。

本文所用機器人減速器綜合性能測試系統如圖1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。通過采集輸入端與輸出端扭矩傳感器的數據，計算得到驅動功率、負載功率及傳動效率。

1.2 測試方法

利用圖1測試系統，通過控制輸入端驅動電機控制減速器輸入轉速。當轉速變化時輸入轉速逐漸升高，輸出軸同步電機也協同調整轉速，這一過程一般需要10 s。扭矩達到穩定狀態還需要更長的時間，其隨轉速增加的跨度不同需要的時間不等，一般在3 min內可以達到穩定狀態。待參數穩定后數值輕微波動，予以忽略。測試過程中采集變速5 min后的瞬時數據作為計算參數。

圖1 機器人減速器綜合性能測試系統

2 數據測試與分析

2.1 RV減速器功率變化

測試空載狀態下，RV減速器輸入端轉速由200 r/min升至3 000 r/min的過程中，由其負載功率和驅動功率的變化，繪制RV減速器驅動功率與負載功率變化對比圖，如圖2所示。

圖2 RV減速器功率隨轉速變化

由圖2可見，隨驅動轉速的升高，RV減速器的負載功率總體呈上升趨勢，在1 700 r/min時達到0.16 kW峰值，隨后下降，在驅動轉速為2 000 r/min到3 000 r/min的區間穩定保持在0.09 kW。負載功率同樣呈上升趨勢，在1 700 r/min時達到0.09 kW峰值，隨后在2 000～3 000 r/min的區間穩定地保持在0.09 kW，與驅動功率幾乎相同。

2.2 雙聯行星減速器功率變化

同樣在空載狀態下，測試雙聯行星減速器隨著轉速升高的過程中，其驅動功率與負載功率的變化，如圖3所示。

圖3 雙聯行星減速器功率隨轉速變化

如圖3可見，雙聯行星減速器驅動功率與負載功率隨驅動轉速的升高而增大。負載功率比較平緩，基本呈線性上升趨勢，最大值為0.32 kW。驅動功率在200～2 000 r/min的區間增長較快，呈線性，在大于2 000 r/min后增長放緩，穩定在1.2 kW。驅動功率一直維持在負載功率的4～5倍。由此可見，雙聯行星減速器在200～2 000 r/min的區間機械損耗較多。

2.3 兩種減速器驅動功率對比

對比兩種減速器的驅動功率，如圖4所示。

圖4 兩種減速器驅動功率對比

由圖4可見，雙聯行星減速器與RV減速器的驅動功率隨驅動轉速的升高均呈上升趨勢。雙聯行星減速器驅動功率上升較快，呈線性增長，在驅動轉速為2 000 r/min時逐漸平穩。而RV減速器驅動功率一直比較穩定，隨著驅動轉速的升高，幅值基本都處于0.1 kW以下，而雙聯行星減速器最大值則為1.23 kW，兩者相比，雙聯行星減速器驅動功率明顯較大，是RV減速器的12倍，即雙聯行星減速器需要以接近RV減速器12倍的功率去克服摩擦力，驅使減速器旋轉、減速，同時提高扭矩，降低負載慣量。雙聯行星減速器結構的優勢在于具有大傳動比，RV減速器的傳動比為121，而雙聯行星減速器的傳動比為194，大傳動比導致其驅動功率相比其他結構的驅動功率迅速增大。從全國典型品牌產品性能來看，雙聯行星減速器的驅動功率高于大多數國產減速器驅動功率，其減速結構沒有RV減速器的成熟。對于雙聯行星減速器而言，驅動功率過大將會導致其各方面性能損耗較大，這也將成為雙聯行星減速器今后在用于工業機器人上的一大問題。

2.4 兩種減速器負載功率對比

對比兩種減速器的負載功率，如圖5所示。

通過觀察圖5可知，RV減速器與雙聯行星減速器負載功率隨驅動轉速的升高均呈線性上升趨勢，且均在轉速2 500 r/min時達到最大值。由于雙聯行星減速器驅動功率較大，其負載功率同樣高于RV減速器。RV減速器在驅動轉速變化區間內，負載功率最大值為0.09 kW，而雙聯行星減速器在相同的驅動轉速變化區間內，負載功率最大值為0.34 kW，約為RV減速器的4倍。工業機器人末端機械手最大承載能力一般為3 kg，對于部分應用場合受限很大，但雙聯行星減速器內置自動抱死結構，其在承載能力上的提升也許能突破這一技術指標。

圖5 兩種減速器負載功率對比

3 傳動效率對比

傳動效率等于減速器負載功率與驅動功率的比值。計算兩種減速器的傳動效率，如圖6所示。

圖6 傳動效率對比

由圖6可見，隨著驅動轉速的升高，雙聯行星減速器傳動效率狀態平穩，并沒有出現劇烈的波動，傳動效率一直保持在20%～22%。RV減速器傳動效率上下波動頻繁，每次測試都需經過長時間的運轉，傳動效率才能穩定。RV減速器的傳動效率明顯高于雙聯行星減速器，其平均值為80%。RV減速器在驅動轉速為3 000 r/min時傳動效率達到最大值98%。而雙聯行星減速器傳動效率最大值為22.7%，總體來看，雙聯行星減速器在傳動效率上表現欠佳。經計算，雙聯行星減速器的傳動效率極低，理論傳動效率僅為44.53%。同時，雙聯行星減速器的齒輪工藝性能差，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。

由表1可見，國內外減速器傳動效率普遍在60%以上，而雙聯行星減速器傳動效率嚴重偏低，沒有達到國內外減速器傳動效率參數指標。

表1 國內外典型產品傳動效率指標

通過拆機觀察發現，雙聯行星減速器新機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，判斷其傳動效率過低的原因可能為齒輪精度過低以及裝配工藝不當造成的齒面劃傷。相比之下RV減速器的齒輪加工精度更高，高精度齒輪比低精度齒輪傳動摩擦小得多。同時減速器內部的齒輪誤差、裝配時的同心度、齒測間隙、安裝過程中機身與基礎支撐以及連接件之間的配合，都可能影響其傳動效率。對于現代工業而言，傳動效率是檢驗一個減速器綜合性能的重要標準，其傳動效率偏低勢必會阻礙未來的發展。后續優化設計中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，提升雙聯行星減速器綜合性能，提升國內減速器自主研發水平。

4 結語

本文測試分析了雙聯行星減速器與RV減速器的驅動功率、負載功率，并計算了傳動效率。通過分析可知，雙聯行星減速器的負載功率和驅動功率都明顯高于RV減速器，而其傳動效率遠低于RV減速器，相比之下，RV減速器較為成熟，而雙聯行星減速器雖然其綜合性能欠佳，但其傳動比大、承載大的優點，也使得其在突破傳統設計的同時具備自身優勢。在后續的優化設計中雙聯行星減速器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。