工業(yè)機器人精密減速器傳動效率試驗與分析

王佳藝，周倩瑤

中汽檢測技術有限公司，廣東廣州 510530

0 引言

精密減速器是工業(yè)機器人的核心部件，占工業(yè)機器人本體成本的30%以上，是影響工業(yè)機器人精確性、穩(wěn)定性等性能指標的重要元件。按照傳動原理劃分，主流的精密減速器有行星擺線減速器和諧波減速器兩類，具有小體積、輕質量、高精度等特點。

近年來，隨著汽車等智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，工業(yè)機器人的需求量劇增，市場廣泛發(fā)展。減速器作為機器人關鍵的零部件之一，進行各項關鍵指標參數(shù)測試，也是必不可少的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。但是目前減速器的國產(chǎn)化率不足，國內工業(yè)機器人減速器約70%的份額被外資企業(yè)壟斷，制約著機器人的國產(chǎn)市場發(fā)展。傳動效率作為減速器的重要性能指標之一，影響著減速器的工作精度和可靠性。因此，本文通過對國內外減速器進行傳動效率測試，分析總結試驗數(shù)據(jù)，為減速器國產(chǎn)化及實際應用發(fā)展提供參考價值。

1 減速器工作原理及傳動效率

1.1 工作原理

1.1.1 行星擺線減速器工作原理

行星擺線減速器是由漸開線行星齒輪減速機構和擺線針輪減速機構組成的精密傳動裝置，如圖1所示。

圖1 行星擺線減速器結構

第一級減速的實現(xiàn)，是由主動的太陽輪與輸入軸相連，帶動3個呈120°布置的行星輪在繞太陽輪軸心公轉同時反方向自轉，使曲柄軸同速轉動。第二級減速則是通過曲柄軸帶動擺線輪做偏心運動來實現(xiàn)。擺線輪在固定的針齒的嚙合作用下，在其軸線繞針輪軸線公轉的同時，還會產(chǎn)生反方向自轉，從而將運動傳到輸出軸。

1.1.2 諧波減速器工作原理

諧波減速器主要由波發(fā)生器、柔輪和剛輪3個基本部件組成，其結構如圖2所示。波發(fā)生器一般安裝在減速器的輸入端，由柔性軸承與橢圓形凸輪組成。柔性軸承內圈固定在凸輪上，外圈通過滾珠形成彈性變形。柔輪是帶有外齒圈的可產(chǎn)生較大彈性變形的薄壁齒輪，一般安裝在減速器的輸出端。而剛輪是帶有內齒圈的剛性圓環(huán)形零件，一般固定在減速器機體上。作為減速器使用，通常是采用波發(fā)生器主動、剛輪固定、柔輪輸出的形式；同時亦可將柔輪固定、剛輪輸出來得到不同的傳動比。

圖2 諧波減速器結構

當波發(fā)生器裝入柔輪后，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，然后長軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合；而短軸兩端附近的齒則與剛輪的齒完全不接觸，處于脫開狀態(tài)；周長上其他區(qū)段的齒處于逐漸嚙入或嚙出的過渡狀態(tài)。當波發(fā)生器連續(xù)轉動時，柔輪不斷地產(chǎn)生可控彈性變形，使柔輪與剛輪的輪齒在進行嚙入、嚙合、嚙出、脫開的過程中不斷改變各自的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)柔輪相對剛輪沿波發(fā)生器相反方向的旋轉，傳遞運動和動力。

1.2 傳動效率

機械傳動的效率是衡量傳動質量好壞的重要指標，傳動效率越高，傳動的質量越好，機械動力傳輸?shù)男阅茉胶?。雖然兩類精密減速器的傳動方式略有不同，但減速器傳動效率的定義是指輸出軸實際輸出功率與理論輸出功率的比值，因此兩者測量的方法一致。傳動效率的計算公式為：

(1)

式中：為減速器的輸入軸扭矩;為減速器的輸出軸扭矩;為減速器的傳動比。

通過計算公式可以推導出，試驗減速器的傳動比是固定的，所以在進行傳動效率試驗中，只需要讓減速器在指定的工況下，通過扭矩傳感器測量并記錄輸入和輸出端扭矩，就可以計算出傳動效率。

2 試驗研究與分析

2.1 試驗系統(tǒng)原理

試驗系統(tǒng)工作原理如圖3所示。將待檢測的減速器通過連接工裝安裝到試驗平臺上，使減速器的輸入軸連接試驗臺的驅動電機，輸出端連接試驗臺的加載裝置，同時在減速器的輸入和輸出端配置扭矩傳感器，實時采集扭矩數(shù)值。測試系統(tǒng)連接傳感器的信號線，通過串行通信在工控計算機顯示工況運行時的輸入輸出扭矩，最后計算出傳動效率。在進行傳動效率試驗前，需要將扭矩傳感器進行調零，以免殘余的扭矩影響測試結果。

圖3 試驗系統(tǒng)工作原理

2.2 試驗過程與結果

2.2.1 試驗樣品參數(shù)

選擇國產(chǎn)知名品牌的行星擺線減速器和諧波減速器各5款進行傳動效率試驗，同時選取具有行業(yè)代表性的進口品牌產(chǎn)品(行星擺線減速器、諧波減速器各1款)參與比較試驗，來對比國內外產(chǎn)品的性能水平。減速器樣品參數(shù)見表1。

表1 減速器樣品參數(shù)

2.2.2 試驗結果

在傳動效率試驗中，起動電機，保證減速器在額定轉速下運行，加載裝置逐漸增大負載，給減速器加載25%、50%、75%、100%的額定扭矩值，記錄每一個測試點的輸入端與輸出端扭矩，通過傳動效率的公式分析計算，得出傳動效率值，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制負載效率曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 行星擺線減速器負載效率曲線

圖5 諧波減速器負載效率曲線

由負載效率曲線可看出，減速器在恒定輸出轉速的工況下，隨著輸出扭矩的增大，傳動效率呈上升趨勢。當減速器在小于50%額定輸出扭矩的工況下，傳動效率隨扭矩的增加有較快的爬升速度，而大于50%額定扭矩后的工況下，傳動效率變化逐漸平緩;當達到100%額定輸出扭矩時，傳動效率增長到最高值。依據(jù)國家標準GB/T 37718—2019《機器人用精密行星擺線減速器》和GB/T 30819—2014《機器人用諧波齒輪減速器》的要求，試驗的減速器在100%額定扭矩條件下，傳動效率應不小于80%。

由圖4可知，參與試驗的國產(chǎn)行星擺線減速器傳動效率差異不大，只有擺線樣品4沒有達到國家標準要求。其中額定扭矩工況時的傳動效率最高達到87.93%，最低79.83%，平均值84.43%。個別樣品傳動效率比較突出，如擺線樣品1和擺線樣品3，超過85%，優(yōu)于進口品牌。其中擺線樣品1的參數(shù)與進口品牌完全一致，傳動質量水平已經(jīng)超過進口品牌?？偟膩碚f，5款樣品的行星擺線減速器傳動效率平均值曲線，與進口的樣品的傳動效率曲線較為接近，可見在傳動效率方面，國產(chǎn)品牌的行星擺線減速器與進口品牌減速器差距不大。

由圖5可知，參與試驗的國產(chǎn)諧波減速器的傳動效率均不高，其中額定扭矩下最高傳動效率只有75.07%，最低只有65.36%，平均值71.03%，沒有達到80%的標準要求。雖然進口品牌的傳動效率也沒有滿足標準要求，但是比國產(chǎn)減速器的傳動效率都高，可見諧波減速器國產(chǎn)化仍有一定差距。另外與行星擺線減速器的傳動效率相比，諧波減速器傳動效率較低，因而行星擺線減速器的傳動平穩(wěn)，應用更為廣泛。

選取國產(chǎn)同規(guī)格不同廠家的行星擺線減速器和諧波減速器的傳動效率進行比較，如圖6所示。行星擺線減速器在低扭矩的工況下，傳動效率相差超過15%，隨著扭矩的增大，傳動效率的差值才逐漸減少，但也有接近5%的差距。而諧波減速器在整個試驗過程中，傳動效率一直保持有10%左右的差距。由此可知，國內各減速器企業(yè)的發(fā)展差異較大，減速器產(chǎn)品質量參差不齊，在傳動性能的綜合一致性方面仍需加強。

圖6 同規(guī)格減速器傳動效率對比

通過傳動效率試驗結果分析，總體上來說，國產(chǎn)行星擺線減速器基本能達到標準要求，相比于進口品牌差距不大；諧波減速器傳動效率整體不高，但是整體與進口品牌的差距不小。相比諧波減速器，行星擺線減速器的傳動方式更為新穎，傳動更為平穩(wěn)，應用更為廣泛，所以行星擺線減速器與國外進口品牌差距的縮小，也體現(xiàn)了減速器國產(chǎn)化的成效。同時，國內的減速器廠家仍需加強產(chǎn)品質量一致性，從而提升國產(chǎn)減速器的生產(chǎn)水平。

3 結束語

本文選取了國內外生產(chǎn)的行星擺線減速器和諧波減速器，進行傳動效率試驗。試驗結果證明國產(chǎn)減速器發(fā)展水平與國外的差距在減小，對減速器國產(chǎn)化的發(fā)展提供參考數(shù)據(jù)。