RV 減速器傳動(dòng)誤差測量與分析

王常輝

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院／ ／國家特種機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（福建），福建泉州 362000）

0 引言

RV減速器是由一個(gè)行星齒輪減速機(jī)的前級和一個(gè)擺線針輪減速機(jī)的后級組成，由于其結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比大等特點(diǎn)，近年來，越來越多地用在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域上。然而隨著工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，社會(huì)各界對其精度要求越來越高，而影響機(jī)器人精度的一個(gè)重要來源就是其所用減速器的傳動(dòng)誤差，減速器的傳動(dòng)誤差是指輸入端單向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出端的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差。減速器傳動(dòng)誤差越大，機(jī)器人絕對定位精度也越大［1］。因此對減速器進(jìn)行精確測量以及分析其誤差來源具有重要意義。麻東升等［2］研究了正等距和負(fù)移距、負(fù)等距和正移距的誤差組合可以有效地減小傳動(dòng)誤差對整機(jī)傳動(dòng)精度的影響。張?jiān)降龋?］對現(xiàn)有的精密減速器性能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了測量不確定度評定，分析了各誤差源對傳動(dòng)誤差測量精度影響的程度，計(jì)算了各誤差源的合成不確定度。鄭曉峰等［4］研究了行星減速器的背隙對傳動(dòng)精度的影響。耿婷等［5］研究了行星線齒變速器裝配誤差對其傳動(dòng)精度的影響。張躍明等［6］分析了RV減速器機(jī)構(gòu)中各主要構(gòu)件的原始誤差對系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)角的影響，并以此為基礎(chǔ)建立了該機(jī)構(gòu)的誤差傳遞分析模型。任重義等［7］對RV減速器幾何回差進(jìn)行了精確建模，為提高減速器的傳動(dòng)精度提供依據(jù)。趙琳娜等［8］通過空間運(yùn)動(dòng)學(xué)、諧波嚙合原理，建立了基于瑞利分布的傳動(dòng)誤差多因素耦合模型，完成了置信區(qū)間可達(dá)99%的諧波減速器傳動(dòng)誤差的預(yù)判模型，一種基于多因素耦合的諧波減速器傳動(dòng)精度逆向分析方法。單麗君等［9］以RV-80E減速器為研究對象，綜合考慮系統(tǒng)中各零件的制造誤差、裝配誤差、間隙及微位移等相關(guān)因素對傳動(dòng)精度的影響，用質(zhì)量彈簧“等價(jià)模型”的方法建立RV減速器動(dòng)態(tài)傳動(dòng)精度的動(dòng)力學(xué)模型，對RV傳動(dòng)精度模型進(jìn)行仿真，分析了單項(xiàng)誤差因素及系統(tǒng)誤差對RV傳動(dòng)精度的影響。王飛躍等［10］對RV減速器的偏差及其零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找出了零件偏差的成因，建立了相應(yīng)的偏差模型。丁寧等［11］通過分析RV減速器的結(jié)構(gòu)以及傳動(dòng)機(jī)理，對其運(yùn)動(dòng)精度的影響因素進(jìn)行了分析，并結(jié)合機(jī)械零部件的生產(chǎn)加工工藝，對其零部件的工藝做了相關(guān)的調(diào)整，以期達(dá)到經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)成本，又可得到較為理想的運(yùn)動(dòng)精度。郝宏海等［12］為測量諧波減速器的傳動(dòng)精度，設(shè)計(jì)了一種諧波減速器傳動(dòng)精度測試儀。利用2個(gè)高精度光柵傳感器采集諧波減速器高速軸和低速軸的轉(zhuǎn)速，采用放大分頻電路將光柵傳感器輸出的信號調(diào)整為同頻率的脈沖信號，利用相敏解調(diào)電路提取2 個(gè)光柵傳感器輸出信號的相位差，通過相位差來判斷諧波減速器的傳動(dòng)精度。

本文根據(jù)GB／T 35089-2018《機(jī)器人用精密齒輪傳動(dòng)裝置試驗(yàn)方法》的試驗(yàn)方法對某國產(chǎn)RV減速器的傳動(dòng)誤差進(jìn)行多次測量，設(shè)置不同的轉(zhuǎn)角值采樣數(shù)，對其傳動(dòng)誤差進(jìn)行分析，研究轉(zhuǎn)角采樣數(shù)對其精度的影響。

1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

本次試驗(yàn)按照國標(biāo)35089-2018的要求進(jìn)行測試平臺(tái)搭建。從輸入端驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)件，輸出端施加空載，待轉(zhuǎn)速和載荷平穩(wěn)后，在輸出端運(yùn)行一周范圍內(nèi)記錄輸入、輸出端的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角值。輸出轉(zhuǎn)速不大于5 r／min，分別正、反向進(jìn)行測量。最大值與最小值之差即為試驗(yàn)件的傳動(dòng)誤差。連續(xù)測量每次采樣位置應(yīng)相同，以避免不同位置結(jié)果相疊加引入的測量誤差［8］。在相同上況下連續(xù)測量5次，測量結(jié)果取平均值。試驗(yàn)件安裝完畢應(yīng)與試驗(yàn)設(shè)備各部件連接可靠，保證剛度，減少調(diào)整環(huán)節(jié)，減小系統(tǒng)誤差。試驗(yàn)件的輸入、輸出軸線與相鄰設(shè)備的同軸度應(yīng)不大于0.02 mm，并保證系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，其原理如圖1 所示。由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)件的輸入軸，同時(shí)用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和角度傳感器測量輸入軸的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，輸出軸由加載系統(tǒng)加載，本次試驗(yàn)不加載，同時(shí)也用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和角度傳感器測量輸出軸的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角［9］。輸出軸的實(shí)際轉(zhuǎn)角和理論轉(zhuǎn)角之差即為傳動(dòng)誤差。

圖1 減速器試驗(yàn)平臺(tái)原理

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺(tái)如圖2 所示，左邊為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，中間放置試驗(yàn)件，右邊為加載系統(tǒng)，輸入和輸出軸都用扭矩儀和圓光柵進(jìn)行測量扭矩和轉(zhuǎn)角。扭矩儀其精度為±0.1 N·m，圓光柵精度為±2.5″，為避免安裝偏心對圓光柵測角精度的影響，試驗(yàn)平臺(tái)的圓光柵采用了雙讀數(shù)頭［10］。將某國產(chǎn)減速器如圖3 所示安裝至試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行傳動(dòng)誤差的測量，其傳動(dòng)比為130，因標(biāo)準(zhǔn)要求輸出轉(zhuǎn)速不大于5 r／min，因此設(shè)置輸入端轉(zhuǎn)速為130 r／min，此時(shí)輸出轉(zhuǎn)速為1 r／min，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)輸出端為空載，測試前在被測減速器上標(biāo)注記號，確保每次測量從同一位置開始，分別對其正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)進(jìn)行5次測量，其轉(zhuǎn)角最大和最小值之差即為傳動(dòng)誤差，取5次測量的平均值作為其傳動(dòng)誤差。本次試驗(yàn)主要探究不同的轉(zhuǎn)角值采樣數(shù)對傳動(dòng)誤差測量結(jié)果的影響，先設(shè)置轉(zhuǎn)角值采樣數(shù)為1 080 個(gè)，再將采樣值取為720 個(gè)和360個(gè)，計(jì)算3種不同取樣值時(shí)的傳動(dòng)誤差。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)

圖3 某國產(chǎn)減速器

3 結(jié)果分析

按照標(biāo)準(zhǔn)要求分別對其正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)進(jìn)行5 次測量。正轉(zhuǎn)傳動(dòng)誤差5次數(shù)據(jù)如圖4 所示，反轉(zhuǎn)傳動(dòng)誤差5 次數(shù)據(jù)如圖5 所示，正反轉(zhuǎn)傳動(dòng)誤差結(jié)果如表1所示，正轉(zhuǎn)傳動(dòng)誤差5 次平均值為0.722′，反轉(zhuǎn)傳動(dòng)誤差5次平均值為0.627′，正轉(zhuǎn)傳動(dòng)誤差比反轉(zhuǎn)傳動(dòng)誤差約大0.1′。從傳動(dòng)誤差數(shù)據(jù)圖上可以看出，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)傳動(dòng)誤差曲線圖都類似于正弦曲線圖，正轉(zhuǎn)傳動(dòng)誤差最小值峰值大概距離起始位置的120°附近，最大值峰值大概距離起始位置的240°附近；反向傳動(dòng)誤差最小值峰值大概距離起始位置的60°附近，最大值峰值大概距離起始位置的180°附近。正向傳動(dòng)誤差的最大最小值出現(xiàn)的位置與反向傳動(dòng)誤差最大最小值出現(xiàn)的位置大約相差60°，正向傳動(dòng)誤差的峰值滯后于反向傳動(dòng)誤差。

圖4 正轉(zhuǎn)5 次傳動(dòng)誤差數(shù)據(jù)

圖5 反轉(zhuǎn)5 次傳動(dòng)誤差數(shù)據(jù)

表1 傳動(dòng)誤差結(jié)果

不同采樣點(diǎn)數(shù)對傳動(dòng)誤差測量結(jié)果的影響。本文將測試平臺(tái)采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為360 個(gè)、720 個(gè)和1 080 個(gè)分別進(jìn)行了傳動(dòng)誤差的試驗(yàn)，正轉(zhuǎn)時(shí)采樣點(diǎn)設(shè)置為360 個(gè)時(shí)，其傳動(dòng)誤差平均值為0.674′，采樣點(diǎn)為720 個(gè)時(shí)，其傳動(dòng)誤差平均值為0.708′，采樣點(diǎn)為1 080時(shí)，傳動(dòng)誤差為0.722′，如表2 所示。從表中可知，采樣點(diǎn)越多，傳動(dòng)誤差值越大，最后會(huì)趨于穩(wěn)定。采樣點(diǎn)是360個(gè)與1 080 個(gè)時(shí)，兩者傳動(dòng)誤差相差最大為6.6%，采樣點(diǎn)為720個(gè)與1 080個(gè)時(shí)。兩者傳動(dòng)誤差相差較小為1.9%。同理反轉(zhuǎn)時(shí)采樣點(diǎn)設(shè)置為360 個(gè)，其傳動(dòng)誤差平均值為0.595′，采樣點(diǎn)為720 個(gè)時(shí)，其傳動(dòng)誤差平均值為0.614′，采樣點(diǎn)為1 080時(shí)，傳動(dòng)誤差為0.627′，如表3 所示。從表中可知，采樣點(diǎn)越多，傳動(dòng)誤差值越大，最后會(huì)趨于穩(wěn)定。采樣點(diǎn)是360個(gè)與1 080 個(gè)時(shí)，兩者傳動(dòng)誤差相差最大為5.1%，采樣點(diǎn)為720個(gè)與1 080個(gè)時(shí)。兩者傳動(dòng)誤差相差較小為2.1%。

表2 不同采樣點(diǎn)數(shù)的正轉(zhuǎn)傳動(dòng)誤差

表3 不同采樣點(diǎn)數(shù)的反轉(zhuǎn)傳動(dòng)誤差

4 結(jié)束語

本文對某國產(chǎn)減速器傳動(dòng)誤差進(jìn)行了測試，得出以下幾個(gè)結(jié)論。

（1）正向和反向傳動(dòng)誤差不一樣。本次試驗(yàn)正向傳動(dòng)誤差比反向傳動(dòng)誤差約大0.1′。

（2）正向和反向傳動(dòng)誤差的最大最小峰值出現(xiàn)的位置不一樣。本次試驗(yàn)正向傳動(dòng)誤差的峰值滯后于反向傳動(dòng)誤差。

（3）采樣點(diǎn)數(shù)越多測量結(jié)果越精確。本次試驗(yàn)采樣點(diǎn)越多，傳動(dòng)誤差值越大，最后會(huì)趨于穩(wěn)定。采樣點(diǎn)360 個(gè)與1 080 個(gè)時(shí)，兩者傳動(dòng)誤差相差約為6%，采樣點(diǎn)為720 個(gè)與1 080 個(gè)時(shí)，兩者傳動(dòng)誤差相差約為2%。