機器人RV減速器振動測試與分析*

程小剛，李濤濤，雷有巧，王 鑫

(1.寶雞文理學院 機械工程學院,陜西 寶雞 721016；2.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,陜西 寶雞 721016；3.陜西北方動力有限責任公司,陜西 寶雞 721300)

0 引言

有關高精度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[1]、傳動精度[2]、仿真與疲勞壽命[3]、實驗測試[4]及故障診斷[5]等方面。對于RV減速器的運行監測，振動特性更能反映其運行狀況，但目前該項研究還不夠充分，現有研究也僅就固有特性[6，7]、振動測試[8]等進行了分析。因此深入研究RV減速器隨轉速變化的振動特性對于其結構設計與優化、系統運行監測都具有理論指導意義。

本文以秦川機床廠生產的RV-40E減速器為研究對象，測試與分析機器人減速器振動信號隨輸入轉速變化的頻率特性，并對比理論計算與測試結果，得到RV減速器的振動特性。

1 測試方案

1.1 測試儀器與測試系統

本文采用機器人減速器綜合測試系統進行試驗測試與分析，該系統由輸入軸驅動電機、輸入扭矩傳感器、RV減速器、輸出扭矩傳感器、輸出軸同步電機等構成，如圖1所示。采用加速度傳感器對秦川RV-40E減速器進行升速過程的信號采集，采樣頻率為2 000 Hz，X、Y、Z三個方向的測點布置見圖2。

圖1 機器人減速器綜合測試系統

圖2 測點布置

1.2 RV-40E減速器的結構參數

RV減速器有兩級傳動裝置，第一級為漸開線圓柱齒輪行星減速機構，第二級為擺線針輪行星減速機構，其傳動簡圖如圖3所示。

圖3 RV-40E減速器傳動簡圖

表1 RV-40E減速器特征頻率 Hz

2 測試數據對比分析

2.1 時域分析

采用機器人減速器綜合測試系統測試減速器的時域振動信號。在此僅列出RV-40E減速器在電機轉速為400 r/min、空載狀態下采樣頻率為2 000 Hz時X、Y、Z三個方向的時域振動信號，如圖4所示。

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)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，如表2所示。

圖4 RV-40E減速器時域振動信號

表2 RV-40E減速器振動性能

由表2中可見：RV-40E減速器X、Y、Z三個方向的振幅平均值分別為-0.042 6 m/s2、-0.108 7 m/s2、0.003 2 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。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0.1 m/s2[11]，由此可知RV-40E減速器X、Z向振動信號符合標準，Y向輕微超差。信號的最大值及標準差在Y方向較大，下面僅針對振動信號最為劇烈的Y向進行頻譜分析。

2.2 輸入轉速為400 r/min時的頻率特性

測試輸入轉速為400 r/min時的振動信號并進行傅里葉變換得到RV-40E減速器振動信號頻譜圖，如圖5所示。

圖5 輸入轉速為400 r/min時減速器振動信號頻譜圖

由圖5可見：在400 r/min的輸入轉速下，其振動信號峰值主要位于行星齒輪嚙合頻率fgear、針齒嚙合頻率fpin、中心齒輪回轉頻率f1、二級傳動嚙合頻率f2c和其2倍頻2f2c。表1的理論計算結果與測試結果相吻合，驗證了測試數據的正確性，這為分析RV-40E減速器隨轉速變化的頻率特性提供了理論基礎；低頻處中心齒輪回轉頻率f1和針齒嚙合頻率fpin較為明顯，兩者中針齒嚙合頻率fpin幅值略高，其余峰值中二級傳動嚙合頻率2倍頻2f2c的幅值最高，其次是行星齒輪嚙合頻率fgear，最后為二級傳動嚙合頻率f2c；出現了幾個幅值極高等間距的未知峰值頻率，其位置分別位于75 Hz、125 Hz、175 Hz以及225 Hz處，其中行星齒輪嚙合頻率fgear與75 Hz重合，二級傳動嚙合頻率2倍頻2f2c與175 Hz重合。

2.3 輸入轉速為800 r/min時的頻率特性

測試輸入轉速為800 r/min時的振動信號并進行傅里葉變換得到該轉速下的減速器振動信號頻譜圖，如圖6所示。

圖6 輸入轉速為800 r/min時減速器振動信號頻譜圖

2.4 升速過程中的頻率特性

測試輸入轉速分別為1 200 r/min、1 600 r/min及2 000 r/min時的振動信號，進行傅里葉變換得到不同轉速下的減速器振動信號頻譜圖，如圖7～圖9所示。

圖7 輸入轉速為1 200 r/min減速器 圖8 輸入轉速為1 600 r/min減速器 圖9 輸入轉速為2 000 r/min減速器 振動信號頻譜圖 振動信號頻譜圖 振動信號頻譜圖

對比圖6、圖7發現：主要峰值完全相同；幅值方面，幾個峰值的幅值均有所升高，高頻幅值增長更多，最高峰值500 Hz為固定頻率與二級傳動嚙合頻率二倍頻2f2c的共振頻率。

在圖8中：f1及fgear消失；由于一級傳動嚙合頻率f1c與325 Hz重合，新增f1c及其二倍頻2f1c。

在圖9中:低頻處僅見中心齒輪回轉頻率f1；二級齒輪嚙合頻率f2c不再與其他頻率重合幅值回歸正常。

綜上所述，通過對比隨轉速升高的頻譜圖變化(圖5～圖9)可見：

(1) RV減速器的主要特征頻率為二級嚙合頻率f2c及行星齒輪嚙合頻率fgear，伴有由于二級嚙合碰摩產生的二倍頻及二分之一倍頻，一級傳動嚙合頻率f1c幾乎不可見。

(2) 低頻部分主要為行星齒輪自轉頻率f2及中心齒輪回轉頻率f1，無邊頻帶。

(3) 幅值方面，RV減速器的特征頻率幅值不高，但結構固有頻率及電信號干擾偏高；當個別特征頻率與固定頻率重合時發生共振，出現個別突出峰值。

(4) 隨轉速增大特征頻率幅值有小幅升高，但與固定不變的頻率峰值相比幅值依然偏低。

3 結論

本文分析了RV-40E減速器從轉速400 r/min升速到2 000 r/min的過程中其振動特性的變化。研究發現其特征頻率以二級嚙合頻率f2c為主，以行星齒輪嚙合頻率fgear為輔，伴有由于二級嚙合碰摩產生的二倍頻及二分之一倍頻。隨轉速增大特征頻率幅值有小幅升高，但與頻譜中的結構固有頻率及電信號干擾相比幅值較低。因此推斷在RV減速器進入疲勞失效以前影響機器人精度的抖動主要來源于結構固有頻率以及特征頻率與固有頻率發生的共振。