鄭偉峰

（廈門(mén)市計(jì)量檢定測(cè)試院，福建 廈門(mén) 361004）

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RV減速器性能檢測(cè)平臺(tái)的研究

鄭偉峰

（廈門(mén)市計(jì)量檢定測(cè)試院，福建 廈門(mén) 361004）

目前市面上面向RV減速器性能而建立的檢測(cè)平臺(tái)很少，已有的檢測(cè)平臺(tái)檢測(cè)功能單一，無(wú)法對(duì)RV減速器的回差、角度傳遞誤差、效率、剛度等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行綜合性檢測(cè)。針對(duì)該問(wèn)題，文中提出了一種能有效測(cè)量RV減速器各種關(guān)鍵性能參數(shù)的綜合檢測(cè)平臺(tái)，這將為深入研究RV減速器的動(dòng)態(tài)傳動(dòng)性能和實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)接受傳動(dòng)系統(tǒng)成品的性能到傳動(dòng)性能主動(dòng)控制的跨越提供一種新手段。

RV減速器；性能檢測(cè)；綜合性檢測(cè)；檢測(cè)平臺(tái)

1　前言

工業(yè)機(jī)器技術(shù)是智能制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，無(wú)論是美國(guó)的先進(jìn)制造、德國(guó)的工業(yè)4.0，還是中國(guó)的中國(guó)制造2025，都將其列為今后發(fā)展的重點(diǎn)方向。工業(yè)機(jī)器人的競(jìng)爭(zhēng)，已上升到國(guó)家產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略的層面，對(duì)我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程和制造業(yè)的格局產(chǎn)生重大影響。制造業(yè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展繁榮的重要基石，福建制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)、提升增效的關(guān)鍵階段。福建省發(fā)改委適時(shí)發(fā)布了《福建省實(shí)施〈中國(guó)2025〉行動(dòng)計(jì)劃》，大力推動(dòng)工業(yè)機(jī)器人等智能制造裝備的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，為工業(yè)機(jī)器人在福建省高速的發(fā)展奠定基礎(chǔ)［1］。

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)發(fā)展形勢(shì)良好，2013年中國(guó)超越日本成為全球第一大機(jī)器人市場(chǎng)。但是，國(guó)內(nèi)采購(gòu)的工業(yè)機(jī)器人大部分來(lái)自ABB、FUNC、庫(kù)卡和安川等國(guó)外廠商，國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人份額較小，發(fā)展水平較低。更為重要的是，國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的核心零部件，如減速器、伺服電動(dòng)機(jī)和控制器等均由日本、德國(guó)等廠商壟斷，尤其是在RV精密減速器方面的差距尤為突出。作為工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵零部件，精密減速器約占單機(jī)成本的36%，對(duì)整個(gè)工業(yè)機(jī)器人的性能指標(biāo)起著關(guān)鍵作用。目前全球RV精密減速器70%以上的市場(chǎng)基本上被日本的納博特斯克壟斷。國(guó)產(chǎn)RV減速器的精度、成本、技術(shù)等諸多方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比存在相當(dāng)大的差距，目前多處在一種單件小批量的生產(chǎn)狀態(tài)，產(chǎn)品性價(jià)比較低，至今未能形成商品上市。

為了保證工業(yè)機(jī)器人具有較高的剛度和定位精度，RV減速器需具有傳動(dòng)鏈短、體積小、功率大、精度高等特點(diǎn)，制造和檢測(cè)要求較高。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)RV減速器的研究多偏向于理論模型分析、減速器零件的加工和裝配誤差、間隙、齒輪嚙合剛度、軸承剛度等因素對(duì)傳動(dòng)精度的影響。對(duì)于RV減速器傳動(dòng)誤差、回差等參數(shù)測(cè)試方面的實(shí)驗(yàn)研究較少。針對(duì)這一現(xiàn)狀，文中設(shè)計(jì)一臺(tái)RV減速器性能測(cè)試儀，用于RV減速器傳動(dòng)誤差、回差及摩擦力矩的檢測(cè)，提高RV減速器精密、高效的測(cè)量技術(shù)，為我國(guó)RV減速器技術(shù)的發(fā)展添磚加瓦。

2　RV減速器的檢測(cè)

RV減速器由一個(gè)漸開(kāi)線行星齒輪減速機(jī)的前級(jí)和一個(gè)擺線針輪減速機(jī)的后級(jí)組成的兩級(jí)減速裝置，如圖1所示。其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪聲低、效率高、壽命長(zhǎng)等一系列特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用最為廣泛。RV減速器的技術(shù)難點(diǎn)在于該部件需要保證傳遞很大的扭矩，承受很大的過(guò)載沖擊，并保證預(yù)期的工作壽命，因而在設(shè)計(jì)上使用了過(guò)定位結(jié)構(gòu)，這使得零件加工精度要求極高，為零件及整機(jī)的檢測(cè)提出了很高的要求。

圖1　RV減速器結(jié)構(gòu)圖

由于RV減速器被少數(shù)廠商壟斷，國(guó)外有關(guān)RV減速器檢測(cè)平臺(tái)方面的報(bào)道較少，一些相關(guān)檢測(cè)設(shè)備大多是針對(duì)擺線針輪和行星輪減速器進(jìn)行的。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的齒輪和動(dòng)力傳輸實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始對(duì)行星齒輪減速器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，包括研究制造誤差對(duì)各行星輪負(fù)載分擔(dān)的影響、太陽(yáng)輪運(yùn)行軌道的實(shí)驗(yàn)測(cè)量等。2008年，Carlo Gorla等人改進(jìn)了傳統(tǒng)的擺線針輪減速器，并對(duì)傳動(dòng)效率進(jìn)行了測(cè)試，分析比較了新擺線針輪減速器的效率的理論值和實(shí)驗(yàn)值。

國(guó)內(nèi)對(duì)擺線針輪減速器性能試驗(yàn)研究最早的團(tuán)隊(duì)是大連鐵道學(xué)院，該團(tuán)隊(duì)研制了一臺(tái)4000Nm內(nèi)斜齒液壓加載機(jī)械封閉試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)擺線針輪行星減速器的傳動(dòng)效率和溫升進(jìn)行試驗(yàn)。吉林大學(xué)的高春甫設(shè)計(jì)了一套擺線針輪減速器的測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)可以檢測(cè)到擺線針輪減速器輸入速度、輸出速度、輸入力矩、輸出力矩等一些參數(shù)。電子科技大學(xué)的范樹(shù)遷團(tuán)隊(duì)研制了一套精密行星伺服減速器靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，采用虛擬儀器，結(jié)合計(jì)算機(jī)和硬件設(shè)備設(shè)計(jì)了一套精密行星伺服減速器靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，用于檢測(cè)減速器的滯回曲線、扭轉(zhuǎn)剛度、空程回差、扭轉(zhuǎn)曲線、極限力矩等參數(shù)。天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)的李充寧等人研制了一臺(tái)2K-V型減速機(jī)回差與剛度試驗(yàn)檢測(cè)裝置，在該試驗(yàn)臺(tái)上采用動(dòng)滑輪組和螺旋機(jī)構(gòu)對(duì)被測(cè)減速機(jī)均勻地施加載荷。重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室搭建了擺線針輪嚙合特性試驗(yàn)臺(tái)，研究擺線針輪的嚙合特性，在額定扭矩525Nm下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)100小時(shí)，研究分析擺線輪的嚙合分布。北京工業(yè)大學(xué)的王曉玲設(shè)計(jì)了一臺(tái) RV減速器綜合性能測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)RV減速器傳動(dòng)誤差、摩擦力矩和回差等性能的自動(dòng)化測(cè)試，其機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2　RV減速器性能測(cè)試平臺(tái)原理圖

綜上所示，目前市面上針對(duì)RV減速器性能而建立的檢測(cè)平臺(tái)很少，已有的檢測(cè)平臺(tái)檢測(cè)功能單一，無(wú)法對(duì)RV減速器的回差、角度傳遞誤差、效率、剛度等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行綜合性檢測(cè)。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有學(xué)者開(kāi)展RV減速器性能測(cè)試平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，但是其通用性和適應(yīng)范圍存在一定不足，同時(shí)采用的磁粉制動(dòng)器響應(yīng)較慢，無(wú)法快速進(jìn)行負(fù)載變化。目前，國(guó)內(nèi)各RV減速器生產(chǎn)廠商均設(shè)計(jì)符合自身產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，缺乏統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)檢測(cè)規(guī)范，影響我國(guó)RV減速器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展［2］。

針對(duì)這些問(wèn)題，文中提出了一種能有效測(cè)量RV減速器傳動(dòng)誤差、回差、效率、剛度等參數(shù)的綜合檢測(cè)平臺(tái)，這將為深入研究RV減速器的動(dòng)態(tài)傳動(dòng)性能和實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)接受傳動(dòng)系統(tǒng)成品的性能到傳動(dòng)性能主動(dòng)控制的跨越提供一種新手段。

3　RV減速器性能測(cè)試平臺(tái)

RV減速器綜合測(cè)試平臺(tái)可以自動(dòng)檢測(cè)RV減速器的傳動(dòng)誤差、回差和扭轉(zhuǎn)剛度等特性。具體布置如圖3所示，主要由以下幾部分構(gòu)成。

圖3　RV減速器性能測(cè)試平臺(tái)技術(shù)路線

（1）機(jī)械系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)主要包括基座、輸入組件、輸出組件、RV減速器及支架、測(cè)量系統(tǒng)、移動(dòng)平臺(tái)等組成；測(cè)量系統(tǒng)主要由圓光柵，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，加載電機(jī)等元件組成，以完成RV減速器綜合性能的檢測(cè)。

（2）測(cè)控系統(tǒng)：測(cè)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分和電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)兩部分組成。其中信號(hào)采集部分包括圓光柵傳感器、變送器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和工控計(jì)算機(jī)；電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。

（3）測(cè)量軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)分為參數(shù)管理模塊、測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)控制模塊、綜合性能分析模塊、用戶管理四大功能模塊。

研制的RV減速器綜合測(cè)試平臺(tái)的檢測(cè)流程如下（參照?qǐng)D3）：

（1）測(cè)試綜合性能時(shí)先將所要測(cè)試的RV減速器安裝到RV減速器支座上；

（2）采用聯(lián)軸器連接RV減速器的輸入端和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，在輸出端采用輸出法蘭軸和聯(lián)軸器的方式連接RV減速器輸出軸和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；

（3）調(diào)整好輸入組件（電機(jī)，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等）、RV 減速器和輸出組件之間的位置；

（4）控制器和工控機(jī)相連，用伺服電機(jī)和加載電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可以采集輸入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、輸入圓光柵、輸出圓光柵的信號(hào)；

（5）工控機(jī)發(fā)送指令到控制器，驅(qū)動(dòng)器接收控制器的指令后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)加載電機(jī)施加負(fù)載，通過(guò)輸入組件將動(dòng)力傳遞到RV減速器，使RV減速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)輸出法蘭進(jìn)而將動(dòng)力傳遞到輸出組件，采集同軸安裝的圓光柵、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)，送入工控機(jī)，通過(guò)測(cè)控軟件處理即可完成測(cè)量工作。

傳動(dòng)誤差測(cè)試：在傳動(dòng)誤差的測(cè)試過(guò)程中，加載電機(jī)輸出恒定載荷值，伺服電機(jī)帶動(dòng)RV減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)輸入端和輸出端的圓光柵的數(shù)據(jù)讀取和處理，根據(jù)公式（1）可求出RV減速器的傳動(dòng)誤差。

扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試：在扭轉(zhuǎn)剛度的測(cè)試中，加載電機(jī)從零開(kāi)始逐漸向RV減速器輸出端施加載荷到

一定值再逐漸減載到零，輸入端的伺服電機(jī)控制輸入軸保持靜止?fàn)顟B(tài)，通過(guò)讀取輸出端的圓光柵轉(zhuǎn)角數(shù)值和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值，通過(guò)公式（2）計(jì)算出RV減速器的扭轉(zhuǎn)剛度。

傳動(dòng)效率測(cè)試：在傳動(dòng)效率測(cè)試中，加載電機(jī)輸出一恒定載荷值，伺服電機(jī)帶動(dòng)RV減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)據(jù)讀取和處理，根據(jù)公式（3）可求出RV減速器的傳動(dòng)效率。

回差測(cè)量：回差的定義為輸入軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出軸在運(yùn)動(dòng)上滯后于輸入軸的滯后量。其測(cè)量方式有很多，最主要的方法是采用逐次加載法。具體操作如圖4所示，將傳動(dòng)裝置4的輸出軸鎖定（也可將輸入軸鎖定），并用千分表5來(lái)監(jiān)視，用砝碼6對(duì)輸入軸正向加載， 從零開(kāi)始逐漸加至額定扭矩M。然后，逐漸卸載到零（測(cè)量點(diǎn)數(shù)可在 n=15～25 范圍取，精密測(cè)量時(shí)n值取大些）。以同樣方法，再作反向加載測(cè)量。與此同時(shí)，用測(cè)角儀2可測(cè)出輸入軸的相應(yīng)轉(zhuǎn)角φ。通過(guò)所測(cè)數(shù)據(jù)繪制出RV減速器的回滯曲線，其與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為y1、y2，則可得回差值為

圖4　回差測(cè)試裝置

4　結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)各RV減速器生產(chǎn)廠商均設(shè)計(jì)符合自身產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，缺乏統(tǒng)一的行業(yè)檢測(cè)方法和評(píng)價(jià)依據(jù)，制約了我國(guó)RV減速器技術(shù)的發(fā)展。

針對(duì)這些問(wèn)題，文中提出了一種能有效測(cè)量RV減速器各種關(guān)鍵性能參數(shù)的綜合檢測(cè)平臺(tái)，平臺(tái)具體的技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）RV減速器綜合性能測(cè)試平臺(tái)可完成減速器的回差、傳動(dòng)精度、剛度、效率等多種測(cè)試項(xiàng)目；

（2）RV減速器綜合性能測(cè)試平臺(tái)可完成滿足E系列（RV-110E以下），C系列（RV-110C以下），N系列（RV-110N以下）的減速機(jī)所有性能的試驗(yàn)；

（3）利用加載電機(jī)控制負(fù)載，負(fù)載端可以滿足20-8000r/min的轉(zhuǎn)速條件；

（4）采用高精度的圓光柵作為反饋元件，可以實(shí)現(xiàn)最高2秒的檢測(cè)精度。

［1］ 福建省發(fā)展和改革委員會(huì).福建省實(shí)施《中國(guó)制造2025》行動(dòng)計(jì)劃［R］（2015-7-28）.

［2］ 張潔. RV減速器傳動(dòng)特性分析［D］. 天津：天津大學(xué)，2012：1-6.

Research on Performance Testing Platform of RV Reducer

ZHENG Wei-Feng
（Xiamen Institute of Measurement and Testing， Xiamen 361004， Fujian， China）

At present， the testing platform for the reducer performance on the market is very little. The existing testing platform has single test function， which is unable to test the point spread error， efficiency and stiffness parameters. Aiming at the problem， a kind of effective measuring RV deceleration transmission error and return difference， efficiency and stiffness parameters of the integrated testing platform is presented in this paper， which will achieve a dynamic performance of in-depth study of RV Reducer transmission and provide a new method for the product transmission performance of active control.

RV reducer； Performance test； Comprehensive testing；Testing platform

2016-06-28

鄭偉峰，男，廈門(mén)市計(jì)量檢定測(cè)試院，高級(jí)工程師，碩士