RV減速器關鍵參數測試與分析

趙巧絨，趙翠翠，雷有巧，王 鑫，張宏偉，王炳博

（1.西京學院機械工程學院，陜西 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，陜西 寶雞 721016）

0 引 言

RV減速器是工業機器人的核心部件，與工業機器人末端精度息息相關，其性能參數的精度及穩定性是企業較為關心的問題。在產品出廠合格檢測過程中往往首先關注其傳動誤差、剛度及回差等指標[1-5]，除了這些指標外空載摩擦轉矩、空載跑合、定位精度和機械效率等指標也具有相當重要的意義，但以往針對這些指標的研究較少，沒有引起足夠的重視，因此本文將針對這些指標進行測試與研究。

空載跑合對提高減速器的承載能力和使用壽命具有十分重要的意義，許多廠家對減速器跑合的必要性不夠重視，不能嚴格按照要求進行操作使用，使減速器的承載能力和使用壽命都達不到基本要求。定位精度是衡量減速器傳動誤差的一種指標，工業機器人能夠在生產中可靠地完成工序任務并且確保工藝質量，與減速器的定位精度密切相關?？蛰d摩擦轉矩是減速器的重要性能指標，需要在出廠前進行測量評定。機械效率作為減速器的一項重要指標，可直接反映機器人的經濟性指標，因此在減速器的生產過程中效率也被作為一項重要考察指標。

基于國內減速器生產技術的發展，林志宇[6]為提高精密減速器性能測試效率，提出了一種單工位測試流程優化方法。還有部分學者就減速器參數性能進行了相關測量分析。廈門大學葉石磊[7]對四種公司RV減速器的旋轉精度、傳動效率等參數進行測試比對，體現了國內外RV減速器性能上的差異。關通等[8]采用了正交試驗方法，得出輸入轉速、輸出轉矩對RV減速器傳動效率的影響程度較為顯著。王海霞[9]等進行了RV減速器傳動誤差的測量與分析，結果表明傳動誤差隨著負載和輸入轉速的增大而增大。目前工業領域通常把精密減速器的空載摩擦轉矩和轉速做線性化處理，未能客觀反映低速階段的空載摩擦轉矩隨轉速的變化規律，針對這一問題，徐航[10]等對精密減速器的摩擦特性及模型進行了分析，得出RV減速器的空載摩擦轉矩具有典型的Stribeck效應。趙巧絨[11]等對SG減速器與RV減速器在空載升速過程中就其傳動效率的差異進行對比研究。這些測試研究對于我國減速器的進步發展具有重大意義。

國內機械制造水平較低，擁有減速器測試裝置的一般為高校和企業，試驗方法和加載形式都不同，缺乏對減速器參數的統一試驗標準，對于關鍵參數的測量分析較少。因此本文針對這一問題對減速器空載摩擦轉矩、空載跑合、定位精度和機械效率等參數進行動態測試，探究轉速變化下其性能的變化規律。

1 測試方案

1.1 工作原理

RV減速器是二級減速型，傳動裝置由兩部分組成：第一級漸開線圓柱齒輪行星減速機構和第二級擺線針輪行星減速機構，如圖1、圖2所示。太陽輪1與輸入端相連，如果漸開線中心輪順時針方向旋轉，它將帶動三個呈120°布置的行星輪2在繞中心輪軸心公轉的同時，中心輪還有逆時針方向自轉，三個曲柄軸3與行星輪2相連接而同速轉動，兩片相位差180°的擺線輪4鉸接在三個曲柄軸上，并嚙合于固定的針輪，在其軸線繞針輪軸線公轉的同時，還將反方向自轉，即順時針旋轉。輸出機構由裝在其上的三對曲柄軸支撐軸承來推動，把擺線輪上的自轉矢量以1∶1的速比傳遞出來。該旋轉被輸出到第二減速單元的軸固定后，殼體側成為輸出測。

圖1 RV減速器結構圖

圖2 RV傳動簡圖

1.2 測試指標

空載摩擦轉矩是指在無負載、轉速穩定的情況下所測得的減速器的摩擦轉矩?？蛰d跑合是指在空載條件下將裝配好的齒輪副進行運轉，在運轉過程中逐漸磨掉嚙合表面的凸峰，增大兩接觸面的實際接觸面，使嚙合表面保持最適宜的間隙，同時達到最佳經濟效益。定位精度是指當輸入軸轉動時，輸出軸會被帶動旋轉，此時輸出軸轉動角度的真實值和理論值的差距。效率是指減速器的輸入端和輸出端的功率之比。

1.3 RV減速器實驗測試裝置

本文利用減速器綜合測試平臺進行實驗測試，如圖3所示，以某廠家RV-40E減速器為研究對象，其傳動比為121。

圖3 減速器測試系統

測試系統構造由左至右依次為：驅動電機、前端扭矩傳感器、前端角度傳感器、減速器、后端角度傳感器、后端扭矩傳感器、增速器、負載電機等部件。不同試驗的硬件組合為：

空載摩擦轉矩：從驅動端開始，依次連接：驅動電機—扭矩傳感器—軸承座—前端角度傳感器—被測減速器—后端角度傳感器—后端軸承座

空載跑合：從驅動端開始，依次連接：驅動電機—扭矩傳感器—軸承座—前端角度傳感器—被測減速器—后端角度傳感器—后端軸承座

定位精度：從驅動端開始，依次連接：驅動電機—扭矩傳感器—軸承座—前端角度傳感器—被測減速器—后端角度傳感器—后端軸承座

效率：從驅動端開始，依次連接：驅動電機—扭矩傳感器—軸承座—前端角度傳感器—被測減速器—后端角度傳感器—后端軸承座—后端扭矩傳感器—增速箱—負載電機

軟件測試系統的操作臺如圖4所示。

圖4 操作臺

各指標測試中數據設置如下：

空載摩擦轉矩測試中設置最終轉速為2 000 r/min，負載轉矩為4.6 N·m，轉速分段為8，過渡時間為5 s，運行時間為30 s，采集時間為10 s。

空載跑合測試設定第一、二、三轉速分別為50，100，1 000 r/min，時長：每個速度下運行的總時間分別為0，30，180 s，間隔：在該轉速下正反轉單次運行的時間分別為10，10，180 s，過渡：從當前轉速向下一個轉速過渡的時間分別為1，1，10 s。

定位精度測試中設定轉速為30 r/min，轉速換向次數為8次，控制間隔為100 ms，期望輸出角度為360°，測試位置個數為15。

效率試驗中設定驅動轉速為100，200，300 r/min。

2 實驗測試與分析

2.1 空載摩擦轉矩測試

空載摩擦轉矩測試是在輸出端無負載時進行的，要求測試開始前，將RV減速器的輸出端脫開，然后輸入端起動減速器，同時采集輸入端的轉矩得出瞬時最大輸入扭矩。無負載時，使減速器驅動端的轉速旋轉到設定的轉速，運行后測試傳感器檢測到的轉矩就是空載摩擦轉矩，最后降速并完成測試。

測試前先分離減速器輸出和輸入的額定轉速，并將0至最終轉速值切分為幾個測試點：300，600，900，1 200，1 500，1 800 r/min，實時監測記錄各穩定轉速下驅動轉速的變化情況，經過271.9 s達到最大空載摩擦轉矩，監測結果如圖5所示。

將圖5與國內相似機型[12]進行對比，如圖6所示。圖5減速器最大空載摩擦轉矩為0.30 N·m。當轉速同為800 r/min時，圖5空載摩擦轉矩僅為0.2 N·m，而圖6機型為0.75 N·m，說明試驗臺RV減速器在加工工藝上性能優異。

圖5 空載摩擦轉矩測試曲線

圖6 空載摩擦轉矩試驗

2.2 空載跑合測試

將直流電機與傳感器相連，再將傳感器的另一端與減速器輸入端相連，傳感器的另一端與磁粉加載器相連，釋放傳感器中的殘余應力，測試儀器標零。在額定轉速的情況下，逐漸加載到額定載荷的同時進行運轉并監測數據。

從圖7可見空載跑合最大轉矩為0.39 N·m。經過290.8 s后可達到穩定工況。試驗臺RV減速器空載跑合性能優異即代表該減速器具有更高的承載能力及使用壽命，說明國內RV減速器不僅在加工工藝上達到國際領先水平，更在使用壽命上得到了提升。

圖7 空載跑合測試曲線

2.3 定位精度測試

測試定位精度時，需設定驅動端起始時的轉速值，然后啟動驅動端，按設定的轉速30r/min運行，運行到期望角度360°時轉速反向，換向次數要達到設定值8次。測試結果，詳見表1、表2。

為與表1定位測試結果進行對比，列出國內外RV減速器性能匯總結果見表3。

表1 測試位置 （°）

對比表2、表3可見，試驗臺RV減速器正反向定位精度已經高于國內外眾多廠家產品，重復定位精度高，可靠性較好。參考國家標準GB/T 17421.2—2000，該試驗設備定位精度符合國家要求。帝人減速器一直是全球減速器的標桿，其具有耐重擊、壽命長、低噪音、高傳動效率、高精度、低背隙、使用周期長等出色的性能表現。試驗臺RV減速器的定位精度已經高于帝人，說明國內RV減速器在精度上可以比肩進口產品。

表2 測試結果 （″）

表3 國內外RV減速器性能匯總 （″）

2.4 效率測試

在負載效率的試驗中，驅動端轉速需要達到要求的驅動轉速，并且負載采用扭矩控制模式，進行額定負載加載，達到設定穩定工況時，通過扭矩測試系統采集當前工況下被測件輸入端的轉矩和轉速。

效率測試開始前，需要將扭矩傳感器進行調零，以免殘余的扭矩會影響測試結果。效率的理論計算基本公式如表4所示。

表4 效率計算公式

式中：P1——輸入功率；

T1——輸入轉矩；

n1——輸入轉速；

P2——輸出功率；

T2——輸出轉矩；

n2——輸出轉速。

由公式（1）、（2）推導可得公式（3）：

2.4.1 負載效率

起動電動機，在保證額定轉速的條件下，逐漸提高負載。通常由零載到額定負載之間取幾個測試點，在每一個測試點上記錄減速器輸入軸和輸出軸的轉矩，由公式（3）可知效率值可由測得的轉矩值算出，如表5所示。

表5 負載效率測試結果

根據表5數據處理可得出，不同驅動轉速下的效率變化曲線，如圖8所示。

圖8 各轉速下的效率曲線

由圖8可見，隨轉速增大系統機械效率增加，隨負載轉矩的增加，效率也有所提升，在不同轉速下，隨著負載的增加，RV減速器效率之間的差距明顯減小，最終達到最大值并趨于穩定。試驗臺RV減速器機械效率基本大于85%，最高可達到91.3%。如圖9所示，國內外相似機型[12]的效率基本為65%，由此可見，試驗臺RV減速器效率性能優異。

圖9 相似機型效率曲線

2.4.2 空載效率

將RV減速器的輸出端脫開，起動電動機，在保證額定轉速的條件下，驅動電機需要以不同的驅動轉速帶動減速器進行效率試驗，模擬在實際工況下，轉速與效率的關系。空載狀態下機械效率見表6。

由表6可見，空載狀態下，隨轉速增大機械效率增加，空載狀態下機械效率最大值可達98%，系統能量損耗微小，說明試驗臺RV減速器設計合理，加工裝配水平較高，整體性能達到國內外先進水平。

表6 空載效率測試結果

3 結束語

本文測試了國內某廠家RV-40E減速器的空載摩擦扭矩、空載跑合、定位精度和效率四個參數。四個參數的測試結果都表明試驗臺RV減速器的性能不僅滿足國家標準，并且優于包括日本帝人在內的國內外廠家產品。其中空載跑合性能優異說明其承載能力強、使用壽命長，定位精度高說明其使用性能出色，空載摩擦轉矩小及機械效率高說明產品的加工工藝優異，具有很高的經濟效益。本研究對RV減速器的性能測試與評價具有參考意義。