機器人用RV減速器動態性能試驗系統研究與應用

單玉兵，位云成，史旭東,2

（1.南京康尼機電股份有限公司技術中心，江蘇 南京 210013；2.南京工程學院，江蘇 南京 211167）

機器人用RV減速器動態性能試驗系統研究與應用

單玉兵1，位云成1，史旭東1,2

（1.南京康尼機電股份有限公司技術中心，江蘇 南京 210013；2.南京工程學院，江蘇 南京 211167）

以機器人用RV減速器為研究對象，針對其傳動效率及承載能力等動態性能指標，結合其結構特點，分析并設計機器人用RV減速器動態性能試驗系統及相應的PLC數據采集系統。通過結構設計、理論分析和試驗驗證的方法，研究了試驗系統的測試效果。結果表明，該試驗系統能夠滿足多型號RV減速器傳動效率及承載能力等動態性能的測試要求，提高測試效率，降低測試成本；某國產RV減速器在傳動效率、承載能力等方面均不及某進口RV減速器水平；對比測試的結果與理論值接近，測試方法正確。

RV減速器；傳動效率；承載能力；試驗系統

隨著制造業向智能化、現代化發展，工業機器人憑借其獨特的優勢逐漸在各個產業占據舉足輕重的地位。目前在汽車、航空航天、電子、食品、新能源等領域，工業機器人都有著廣泛的應用。隨著工業機器人技術發展的日趨成熟，其優勢正日益在各個行業中體現出來。作為工業機器人關鍵零部件之一，RV減速器的精度和性能很大程度上決定了機器人的性能和工作穩定性。在這種情況下，為RV減速器設計專門的性能測試系統就成為了在發展機器人產業及RV減速器的研究中需要解決的關鍵性問題。

1 動態性能分析

1.1 傳動效率

傳動效率是衡量RV減速器質量性能的最主要的指標之一，它直接決定了RV減速器的能量消耗的大小。傳動效率是指減速器的輸出功率與輸入功率之比。

一般情況下，RV減速器的傳動效率影響因素可以分為兩種：減速器內在因素和使用條件因素。

減速器內在因素主要包括：

（1）減速器本身設計、制造、裝配過程中的因素。

（2）使用過程中減速器本身產生的干涉、磨損、變形等因素。

使用條件因素包括：

（1）減速器工作過程中輸入轉矩、輸入轉速等參數。

（2）選用的潤滑脂或潤滑油等。

效率試驗的主要目的是為了檢測RV減速器在負載狀態下的工作性能。

1.2 承載能力

承載能力體現了RV減速器的工作能力和承受負載的能力，它與RV減速器的壽命息息相關。根據國家頒布的《擺線針輪減速機承載能力及傳動效率測定方法》等標準，減速器的承載能力通過空載、負載和過載試驗來進行體現。

空載試驗是為了檢測減速器加工制造和裝配的質量是否達到要求；負載試驗和過載試驗是為了檢測減速器在負載及超載狀態下的工作性能，以及在試驗完成后對減速器的加工制造和裝配的影響。

2 試驗系統方案設計

根據RV減速器所需要進行試驗的項目以及要采用的試驗方法，對該試驗系統的基本功能提出了以下要求。

（1）能夠精確控制電機的啟停、轉速、轉向。

（2）能夠精確控制被測RV減速器輸出端施加的負載值。

（3）能夠精確測量被測RV減速器的輸入、輸出端的轉速和轉矩。

（4）能夠保存測得的數據。

通過對RV減速器動態性能測試系統所要滿足的基本功能進行分析，該試驗臺主要包括驅動系統、機械傳動系統、控制和數據采集系統，其總體結構系統框圖如圖1所示。其中驅動系統主要控制變頻電機和加載裝置，為整個試驗臺提供原動力和負載；機械傳動系統主要包括整個試驗臺的零部件結構與配合，保證RV減速器動態性能試驗臺的傳動和加載功能實現；控制和數據采集系統包括轉矩轉速傳感器及相應測量儀、磁粉制動器、電流程控器等，主要將傳感器輸出的信號采集并分析處理后以Excel圖表形式輸出。

圖1 RV減速器動態性能試驗系統的總體結構框圖

2.1 測試原理

根據傳動效率的定義，得出RV減速器的傳動效率計算公式（1）。

式中，i為RV減速器的速比。

在進行傳動效率的測試時，只需要測出RV減速器輸入、輸出端的轉矩值就可以計算出傳動效率。

使RV減速器的輸出轉速保持不變，控制磁粉制動器逐漸增大減速器的負載，獲得RV減速器輸入、輸出端的轉矩值，就可以得到不同負載下的傳動效率。再通過改變電機轉速使RV減速器的輸出轉速改變，就可以得到不同轉速、不同負載狀態下減速器的傳動效率。

2.2 試驗系統機械結構設計

機器人用RV減速器動態性能試驗系統包括輸入端組件、減速器組件、輸出端組件和加載裝置等。其中，輸入端組件包括移動滑臺、變頻電機、輸入端軸承座、輸入端轉矩轉速傳感器等；減速器組件包括輸入齒輪軸（通用）、RV減速器及其安裝法蘭、輸出法蘭等；輸出端組件包括輸出軸（通用）、輸出端轉矩轉速傳感器等；加載裝置為磁粉制動器。RV減速器動態測試系統整體結構如圖2所示。

圖2 試驗系統整體結構

該方案將試驗系統的輸入端設置成可快速移動的精密移動滑臺結構，減速器安裝和輸出部分也設計成可拆卸的過渡法蘭聯接，方便多種型號RV減速器的快速換接，因此該測試系統可以方便的對不同型號RV減速器進行動態性能測試。在對不同RV減速器進行性能測試時，僅需要將移動滑臺移出，更換RV減速器及其安裝和輸出法蘭以及相應的輸入齒輪，然后將移動滑臺推進至原位置并鎖緊即可，大大提高了測試效率，增大了測試系統的適用范圍，降低了測試成本。

2.3 控制系統

本試驗系統主要的控制任務有：一是能夠精確控制電機的啟停、轉速、轉向；二是能夠隨時控制被測RV減速器輸出端的負載。本試驗臺的控制系統主要是由驅動電機的控制系統以及加載裝置（磁粉制動器）的控制系統兩部分組成。

驅動電機的控制系統采用變頻器對電機的啟動、停止以及轉速大小進行控制。在本試驗系統采用的是西門子變頻電機YVF2-160M2-2和F系列重載變頻器的組合，它們可以提供的功率為15kW，額定扭矩為50Nm，額定轉速為3000r/min。

磁粉制動器的控制系統采用程控電流控制器，通過改變電流大小實現制動力矩大小的控制。本試驗系統選用FZ2000 J/Y型號的磁粉制動器，它能提供大小為2000Nm的額定制動力矩，與之對應的電流大小為3A。為了實現對磁粉制動器的控制，這里選用程控電流控制器WLKC-3B。

2.4 數據采集系統

本試驗系統采用工控機對現場的轉矩轉速傳感器、程控電流器進行通訊。其中轉矩轉速傳感器將測得的信號傳輸到工控機中，并由工控機對信號進行處理，將數據保存起來，同時將處理后的數據顯示出來。

圖3 數據采集原理框圖

數據檢測和采集部分由傳感器和信號分析的元器件完成的，傳感器采集到減速器的各種參數后通過濾波電路對一些干擾信號進行篩選，并將篩選的信號放大。轉矩轉速傳感器采集到的信號近似為正弦波的模擬信號，所以要將模擬信號通過A/D轉換變成數字信號，并將數字信號輸入到單片機，單片機將得到的信號進行簡單的處理后通過串口通信的方式，將信號傳送給對信號進行處理分析的工控機。數據采集原理框圖如圖3所示。

3 設備選型

通過對測試原理的分析，綜合考慮RV減速器的動態性能要求，為了保證能夠滿足試驗系統所需要的測量范圍、使用壽命、承載能力等要求，盡可能地節約成本，動態性能試驗系統設備選型如表1所示。

表1 動態性能試驗系統設備選型

4 試驗驗證及分析

4.1 傳動效率

由于任何測試系統都不可避免的存在誤差，所以本試驗系統中也存在一定的誤差因素，直接測得的數據不是減速器本身的傳動效率，還包括了減速器兩端端聯軸器的效率、輸入軸與聯軸器連接處軸承的效率等。因此，還需要再測試數據上進行一定的校正處理才能得到RV減速器自身的傳動效率。

RV減速器的實際傳動效率計算公式為：

式中，ηr——RV減速器實際效率；

η1——輸入端聯軸器效率；

η2——輸出端聯軸器效率；

η3——輸入軸與聯軸器連接處軸承效率。

為驗證試驗系統和測試結果，選取某型號RV減速器為對象，將進口RV減速器與國產RV減速器（傳動比進行對比測試，具體測試步驟如下。

（1）控制電機產生1815r/min的轉速，此時RV減速器輸出轉速為15r/min。

（2）通過調節電流控制器，使磁粉制動器產生不同的負載在每一負載轉矩作用下，測試系統運行穩定后，通過轉速轉矩傳感器測得RV減速器的轉矩、轉速值。

（3）通過公式計算即可得出RV減速器在輸出轉速為15r/min時的傳動效率。

（4）再依次通過變頻器控制電機產生605r/min、1210r/min的轉速，使RV減速器輸出轉速分別為：5r/min、10r/min，重復上述步驟（2）（3），測得這兩種輸出轉速下RV減速器的傳動效率。

對測試數據進行處理，傳動效率的計算參照公式（4）（5）進行，查閱手冊，取聯軸器與軸承效率為99%。當減速器輸出轉速為15r/min時，所測得的數據如表2、3所示。

表2 國產某RV減速器傳動效率測試數據

表3 進口RV某減速器傳動效率測試數據

根據測得的數據，國產RV減速器與進口RV減速器的傳動效率——輸出轉矩曲線如圖4所示。

圖4 傳動效率——輸出轉矩曲線

測得國產RV減速器輸出轉速分別為5r/min、10r/min、15r/min三種轉速下的傳動效率——輸出轉矩曲線如圖5所示。

通過對測試所得的數據及圖4、5的分析，可得以下結論。

（1）在同樣的工作情況下，國產RV減速器的傳動效率低于進口RV減速器的傳動效率。

（2）無論在何種轉速情況下，傳動效率隨著負載力矩的增加而增大，并且其增大的趨勢逐漸減小，最終趨于穩定。

（3）通過對比5r/min、10r/min、15r/min三種轉速下傳動效率的變化情況可以看出，傳動效率隨著轉速的增加而降低。

（4）在一定輸入轉速狀態下，RV減速器傳動效率隨著負載的增加而增大。當負載不變的時候，傳動效率隨著轉速的增加而減小。

4.2 承載能力

在額定輸入轉速下，對RV減速器進行正、反兩向空載試驗，試驗時間不少于30min。

負載試驗時，按被測RV減速器額定轉矩的25%、50%、75%和100%四個階段逐步施加平穩負載，其中前三個加載階段的每一階段運轉時間不大于2h。在額定轉矩為100%加載階段的運轉時間，應以潤滑劑溫升穩定（在30min內變化不大于1℃）為準，但不少于2h。在每個加載階段，每隔固定的時間，記錄減速器輸入端和輸出端的轉矩、轉速。

根據負載試驗測得的數據，繪制出減速器輸出轉速曲線圖，如圖6所示。

由負載試驗輸出轉速—時間曲線圖可以得出以下結論：在各負載階段，被測RV減速器的輸出轉速隨時間變化比較平穩，波動較小。表明被測RV減速器在負載情況下，能夠正常工作和運轉。

負載試驗后，按其額定轉矩的160%進行過載試驗，試驗時間不少于2min。過載試驗完成后，再對RV減速器進行空載跑合試驗，減速器能夠正常運轉，說明被測RV減速器滿足承載能力的性能要求。

5 結語

本文結合RV減速器的研發實踐，針對RV減速器的傳動效率及承載能力等動態性能指標進行了試驗研究，開發設計了能對動態性能進行測試的試驗系統，以某型號RV減速器為試驗對象進行了相關的性能試驗，并且對試驗得出的數據進行了處理及分析。試驗結果如下。

（1）RV減速器的傳動效率隨輸出轉速和負載力矩的變化特性。

（2）證實了RV減速器動態性能試驗系統的可行性和合理性，試驗系統滿足設計要求。

[1]吳俊飛，周桂蓮，付平.機器人關節驅動裝置研究進展[J].青島化工學院學報，2002,23(3):54-58.

[2]徐方.工業機器人產業現狀與發展[J].機器人技術與應用，2007,(5):2-4.

[3]徐暢.特種機電傳動機構綜合性能試驗平臺傳動系統研究[D].重慶大學，2011.

[4]徐莉娜.基于LabVIEW的星齒行星減速器性能測試系統的設計[D].西安科技大學，2009.

[5]徐湛楠.行星齒輪減速器試驗臺的設計與研究[D].合肥工業大學，2013.

[6]王磊.精密行星伺服減速器動態測試系統及其聯合仿真[D].電子科技大學，2012.

[7]張麗麗.精密行星伺服減速器靜態測試系統的開發[D].電子科技大學，2012.

[8]劉中華.新型精密行星傳動精度實驗測試與分析研究[D].重慶大學，2012.

[9]吳素珍，陳丹.機器人關節傳動用精密減速器研究進展[J].河南科技學院學報：自然科學版，2014, 42(6): 58-63.

[10]劉繼巖，崔正昀，孫濤.RV減速器傳動精度的研究綜述[J].天津職業技術師范學院學報，2005 (2): 1-3.

[11]朱臨宇.RV減速器綜合性能實驗與仿真[D].天津大學,2013.

TH132

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0116-05